Modern Fizik ve Açıklaması Kolay Olmayan Siyah Cisim Işıması Arasındaki İlişki
bu yazımda kuantuma giriş yaparak, klasik fizikle açıklanamayan sıcak cisimlerin yaydığı enerjinin ışımanın dalgaboyu ile değişimini, siyah cisim ışımasından yararlanarak anlatmaya çalışacağım.
20. yüzyıl başlarında ortaya çıkan özel relativite ve kuantum teorisi o güne kadar yapılan varsayımların yeniden gözden geçirilmesine neden olmuştur. hatta yenilerine ihtiyacımız olduğunu ortaya çıkarmıştır. bu yüzden özel relativite ve kuantum teorileri modern fiziğin başlangıcı olarak bilinir.
klasik fizikte ısıtılan bir cismin ışıma yaptığı biliniyordu. ama yayılan enerjinin dalga boyuyla olan bağlantısını kimse açıklayamamıştı. sorun klasik fizikte yatıyordu. bu sorunu planck "normal spektrumun enerji dağılım yasası" makalesiyle yayılan enerjinin ışımanın dalga boyuyla değiştiğini ve bunu enerjinin sürekli olmayıp kesikli değerler alabileceğini öne sürerek açıkladı.
doğadaki bütün cisimler sıcaklıklarına bağlı olarak ışıma yaparlar ve bu ışıma termik ışıma olarak adlandırılır. bir cismin yaydığı termik ışıma enerjisi, cismin sıcaklığının bir fonksiyonu olarak stefan-boltzmann yasası ile verilir.
stefan-boltzmann yasası
cismin yayma sabiti yansıtıcı yüzeyler için sıfırdır ancak enerjinin tamamını yayan veya soğuran cisimler için bir değere sahip olur. ısıtılan bir cismin yaydığı enerjinin dalgaboyuna göre değişimini açıklamak için siyah cisim tanımından yararlanırız.
peki siyah cisim nedir?
ısıyı tamamen soğuran yada yayan cisimlere siyah cisim denir.
siyah cisim, teorik bir cisim olup üzerinde küçük bir delik bulunan içi boşaltılmış
herhangi bir şekle sahip, cisim olarak kabul edilir. böyle bir cismin içine giren ışınlar, cismin iç duvarları tarafından ardışık yansımalar sonucu soğurulur. bunun aksine eğer kutunun içi aynı sıcaklıkta ise, küçük delikten dışarıya yayılan ışıma bu sıcaklığa bağlıdır. bu durum siyah cisim ışımasının elektromagnetik dalga yayılımı olduğu sonucunu gösterir.
siyah cisim ışıması ile ilgili yapılan deneyde, üç farklı sıcaklıkta, ışıma enerjisinin yayınlanan ışınımın dalgaboyuna göre değişimi şöyledir:
görüleceği gibi, her sıcaklığa ait ışıma enerjisinin maksimum değeri farklı dalgaboylarında meydana gelmiş. sıcaklık arttıkça ışıma enerjisinin maksimum değerlerine karşılık gelen dalgaboyu sola doğru kaymış. yani küçülmüş. bu durum alman fizikçisi w. wien tarafından
lambdamaxt2,898.10-3 m.k ile açıklanmış.
lambdamax ışıma enerjisinin maksimum değerine karşılık gelen dalgaboyu, t ise sıcaklık. bu eşitlik daha sonra wien kayma yasası olarak adlandırılmış.
wien kayma yasası,siyah cisim ışımasının kısa dalgaboyları için deneysel verilerle uyumlu olmasına rağmen dalgaboyu büyüdükçe bu uyum ortadan kalkar. bununla birlikte rayleigh ve jeans, maxwell kuramından hareketle, kendi adlarıyla anılan rayleigh-jeans ışıma yasasını bulmuşlar. bu yasada wien ışıma yasasının tersine yalnızca uzun dalgaboyları için doğru sonuç vermekte, kısa dalgaboylarına gidildikçe yetersiz kalmakta.
bahsettiğim bu yasalar siyah cisim ışımasını tam olarak açıklayamamakta
stefan-boltzmann yasası ışımanın sıcaklığın dördüncü kuvvetiyle değiştiğini gösterirken, wien yasası şiddetin maksimum değerine karşılık bir dalgaboyu bulunabileceğini göstermekte.rayleigh-jeans yasası ise büyük dalgaboylu ışımalar için anlamlı. işte burada sahneye max planck giriyor ve diyor ki sorun elektromagnetik ışımanın tanımından kaynaklanıyor. planck maddenin ışıma enerjisini yayması ve soğurması düşünüldüğü gibi sürekli olmayıp, kesikli değerler de alabilir diyor ve enerji dalığım fonksiyonunu türetiyor. ve bundan yola çıkarak, siyah cisim de mümkün bütün frekanslarda ışığı soğurduğu
veya yaydığına göre, soğurulan veya yayılan toplam ışıma enerjisi hv bir birim
enerjinin tam katlarına eşittir diye düşünüyor.
bu durumda siyah cisim tarafından soğurulan veya yayılan enerji; e(n)=nhv ile verilir. (n=1,2,3,... gibi tamsayılardır)
planck’ın ileri sürdüğü termik ışıma yapan bir cismin yaydığı enerjinin kesikli değerlere sahip olması, ışımanın veya ışığın tanecikli yapıya sahip olduğunu ortaya
koyan deneylerden biri olarak kabul edilir.
işte bu olayların başlangıcını yaptığı yeni dönem, modern fiziğin başlangıcı olarak bilinir
bu karşın newton yasaları geçerliliğini hala korumaktadır. bağlı sistemlerde kuantum fiziği, bağlı olmayan sistemlerde klasik fizik geçerlidir. bağlı sistemden kastım şöyle: bir elektron olsun. sadece bir tane ve hiçbir şeyle etkileşimi yok. bunu ben klasik fizik yasalarıyla istediğim gibi hareketini açıklarım, eğer ilk konumunu, ilk hızını ve uygulanan kuvveti biliyorsam.
ama bir elektron değil de 2 elektronun, 5 elektronun, 1 müon ve 2 protonun birbirleriyle etkileşimde bulunduğu sistemlerden bahsediyorsam bunu klasik fizikle, f=ma ile açıklayamam. bunu kuantum fiziğiyle açıklayabilirim.