تابش جسم سیاه

[azarafrooz 14221]

به هرجسمی که نور برخوردنماید قسمتی از آن جذب شده و قسمت دیگر منعکس می شودبرای مثال ،زمانی که یک صفحه کاغذی در جلوی ما قرار داشته باشد،چنانچه نوری از آن به چشم ما برسد می توانیم آن را مشاهده بنماییم.مثلاٌاجسامی که نور سبز را منعکس می کننما آنها را سبز می بینیم. چنانچه جسمی تمام نور ها را جذب کند سیاه دیده می شود،پس می توانیم بگوییم که جسم سیاه به جسمی گفته می شود که تمام نورهایی را که به آن برخورد می کند جذب کرده و هیچ نوری را منعکس نمی کند اگر چه غیر ممکن است که یک سطح کاملاٌسیاه بسازیم ،اما تابشی با این مشخصات خیلی نزدیک به آنچه آن جسم سیاهبروز می دهد،بطور تجربی به وسیله یک روزنه کوچک که در دیواره یک کوره با دمای ثابت ایجادشده باشدمی توان به دست آورد.هنگامي كه يك جسم گرم شود آن جسم تمام فركانس‌هاي موجود در طيف الكترومغناطيس رااز خود گسيل ميدهد اين گسيل رابطه مستقيم با مقدار دماي جسم مورد نظر دارد هرچه دماافزايش يابد شدت تابش طول موج‌هاي كوتاهتر بيشتر مي‌شود و در صورتي كه دما كاهش يابداز شدت تابش اين طول موج كاسته و طول موج هاي بلندتر كه در حيطه امواج فروسرخ هستند از جسم گسيل مي‌يابد(شدت تابش بستگي به دما و طول موج دارد)

مشاهدات عملی نشان می دهند که هر چه دمای کوره بالاتر رود ماکزیمم منحنی نور تابیده بهسمت طول موجهای کوتاه (فرکانس های بالا) کشیده می شود.

اگر یک میله آهنی را در کورهبگذاریم با حرارت دادن آهن رنگ میله آهنی ابتدا قرمز( فرکانس پایین- طول موج بالا)،بعد نارنجیوسپس زردوبالاخره به طرف فرکانس های بالا یعنی بنفش و بالاخره نهایتاٌ سفید می شود(یعنیشامل همه طول موجها می شود)اگر باز حرارت دادن را ادامه دهیم میله آهنی برنگ سفید خیره کننده ای در می آید و این بدان معنی است که به سمت اشعه ماوراء بنفش کشیده می شود.

برای تفسیر این منحنی ها نظریات مختلفی بیان شده است

 

 

گوستا و كيرشف ضمن تحقيقات نظري خود نشان داد كه هر جسم همان مقدار انرژي تابش مي‌كندكه در مي‌آشامد يا به عبارتي نسبت انرژي جذب شد به مقدار انرژي تابش شده توسط يك جسمبرابر است جسم سياه كه يك جسم ايده آل است همه تابش هاي فرود آمده برخود را جذب مي‌كند وهنگام انتشار انرژي نيز تمامي طيف‌هاي انرژي را از خود ساطع مي‌نمايد.

وين فرمولي ارائه كرد كه طول موجهاي كوتاه توزيع طيفي تابش جسم سياه را به خوبي توضيح مي داد ولي اين قانون براي طول موجهاي بلند عملا ناكار آمده بوده و دچار خطا و اشتباه مي‌شد.

 

بعد از آن دانشمنداني به نامهاي ريلي و جينز با ارائه قانوني توانستند تابش جسم سياه را درفركانس پائين (طول موجهاي بلند) پيشگوئي كنند ولي اين فرمول رانمي‌شد براي طول موج‌هايكوتاه تعميم داد و داده‌هاي آن به خوبي با منحني‌هاي تجربي سازگار نبود.

 

 

 

پلانك سال 1900 ميلادي براي حل اين مشكل فرمول وين و ريلي – جينز را باهم تلفيق نمود و فرمول جديدي براي توجيه رضايت بخش توزيع طيفي تابش جسم سياه ارائه كرد.پلانك براي اينكهفرمولش با داده‌هاي تجربي مطابقت پيدا كند اين فرض را كه نور به صورت كوانتوم‌هايي باانرژي hf گسيل مي‌يابد را بيان نمود با اين كار پلانك دنياي جديدي را به دانشمندان معرفي كرد او با ارائه اين نظريه كه انرژي كوانتيزه است، تحول شگرفي در دنياي علم ايجاد نمود.

 

 

 

پلانك ادعا كرد انرژي به طريق پيوسته( كه عقيده دانشمندان آن زمان بود) جذب اجسام نمي‌شودو يا از آنها گسيل نمي‌گردد بلكه اين انرژي بصورت واحدهاي از هم گسسته اي كه به آنها كوانتوم گفته مي‌شود از ماده گسيل يا جذب آن مي‌شود.گرچه پلانك اين نظريه را براي توجيه تابش جسمسياه يا علاج فاجعه فرابنفش بكار برد ولي اينشتين با استفاده از اين ديدگاه جديد درمورد پديده فوتوالكتريك ونيلز بوهر براي توجيه خطوط طيفي اتم هيدورژن عملا كار آمدي وصحت آن را ثابتنمودنند.

 

براي دانشمنداني كه غرق در فيزيك كلاسيك بودنند وبه موجي بودن نور اطمينان قلبي داشتند بسيار مشكل بود كه بپذيرند نور به صورت ذره‌اي رفتار مي‌كند آنها يا بايد براي بن بست فيزيك كلاسيك در برطرف كردن بي نهايت بوجود آمده در فرمول ريلي – جينز راهي پيدا مي‌كردنند يا بايد بدون مقاومتتسليم نظريه نوپاي كوانتوم مي‌شدند ولي طي سالها كشمكش آنها نتوانستند اين مشكل راكه در فركانس‌هاي بالا(طول موج‌هاي كوتاه) ميزان انرژي تابشي از جسم سياه به بي‌نهايت ميل مي‌كند را حل نمايند از اينرو اين گونه به نظر مي‌آيد كه تنهاراه رهايي از اين بحران قبول كردن نظريه كوانتوميپلانك بود، رفته رفته فيزيكدانان يكي پس از ديگري پرچم سفيد خود را در مقابل يورش ناگهاني ايننظريه بالا بردنند.

 

دراين جا بكارگيري اين جمله از پلانك مناسب به نظرمي آيدكه مي‌‌گويد:يك نوآوري علمي به ندرت مي‌تواند مخالفانش را متقاعد سازد ولي واقعيت اينست كه مخالفين به تدريجاز بين مي‌روند و نسل تازه از ابتدا و از سر شوق با اين بدعت‌ها آشنا مي‌شوند