Kocaeli Üniversitesi Fizik Bölümü-Temel Parçacıklar Yrd.Doç.Dr. Jale YILMAZKAYA SÜNGÜ KARA CİSİM IŞIMASI

1. Kocaeli ÜniversitesiFizik Bölümü-Temel ParçacıklarYrd.Doç.Dr. Jale YILMAZKAYA SÜNGÜKARA CİSİM IŞIMASI Feriha Betül KABUL 060101024

2. İçerik • Tarihçe • Kara Cisim • Kara Cisim Işıması • Planck’ ın Yaklaşımı • Planck Yasası

3. Tarihçe • 1859’da Gustav Kirchoff, siyah cisim ışınımı hakkında bir teori ispatlamıştır. Siyah cisim, üzerine düşen bütün enerjiyi soğuran bir nesnedir ve hiç ışık yansıtmadığı için gözlemciye siyah görünür. Siyah cisim aynı zamanda mükemmel bir termal ışınım yayıcıdır. • Kirchoff, yayınlanan E termal enerjinin sadece maddenin T sıcaklığına ve radyasyonun υ frekansına bağlı olduğunu ispatlamıştır: E = J(T,υ ) • Kirchoff, bu enerji fonksiyonunun açık, analitik bir ifadesini bulmaları için fizikçilere çağrıda bulunur.

4. 1879’da Josef Stefan, deneysel bir zeminde, sıcak bir cismin yayınladığı toplam enerjinin, sıcaklığın dördüncü kuvvetine bağlı olduğunu ileri sürmüştür. • Aynı sonuca 1884’te termodinamik ve elektromanyetik teori kullanarak Ludwig Boltzmann da ulaşmıştır. (Şimdi Stefan-Boltzmann kanunu olarak bilinen bu sonuç, belli dalga boyları için Kirchoff’un sorusuna tam bir yanıt veremez.) • 1896’da Wilhelm Wien, siyah-cisim ışıması için ileri sürdüğü çözüm; ancak, dalga boyunun küçük değerleri için deneysel gözlemlere yakın bir uyum sağlamıştır. Alman fizikçileri Rubens ve Kurlbaum uzak kızılötesinde bu uyumun bozulduğunu göstermişlerdir.

5. Morötesi felaket • İngiliz fizikçileri Lord Rayleıgh ve Sir James Jeans ‘de bir çözüm ileri sürmüştür. Bu çözüm düşük frekanslarda gayet uyumlu olmasına karşın yüksek frekans bölgesi (morötesi bölgesi ve ötesi)nde sonsuz bir şiddet öngörüyordu. Buna morötesi felaket adı takıldı. • Rayleıgh ve Jeans haklı olsalardı, şöminenin önünde oturmamız bile tehlikeli olurdu.

6. Planck, birkaç saatlik bir çalışma sonunda Kirchoff’un enerji fonksiyonu için doğru formülü tahmin eder. • Bu deneysel formül, bütün dalga boylarında deneysel verilerle çok iyi uyuşmuştur; fakat Planck bununla yetinmeyerek teorik bir çıkarımını da yapmaya çalışmıştır. • Bunun için, önceki araştırıcılardan farklı olarak toplam enerjinin sürekli değil de kesikli olduğu gibi bir varsayım yaparak deneysel olarak bulduğu enerji formülünü teorik yoldan da çıkarmayı başarmıştır. • Bu, klasik fizik kanunlarına tamamen aykırı bir hipotez olup deneyle doğrulanmaya ihtiyaç duymuştur. • 19 Ekim 1900 tarihinde Berlin’de yapılan Alman Fizik Derneği toplantısında Max Planck, siyah cisim ışımasının frekansa göre dağılımını veren deneye dayalı formülünü açıklayarak kuantum düşüncesine doğru ilk adımı atmıştı. • Planck, deneysel formülüne yorum olarak benimsemek zorunda kaldığı enerjinin kuantumlanması hipotezini ve doğru formülü çıkarışını da 14 Aralık 1900’de Alman Fizik Derneği toplantısında sundu.

7. Karacisim • Karacisim üzerine düşen tüm elektromanyetik ışınımları hiç yansıtmadan soğuran, ve ısı dengesine vardıktan sonra kendi ışımasını salan ideal bir cisimdir. • Üzerine düşen bütün ışınları absorblar. • Her dalga boyunda ışıma yapar. • Işıma şiddeti ve spektrumu sıcaklığa bağlıdır. (Sıcaklık arttıkça toplam enerji de artar.)

8. Kirchhoff, iç duvarları iyi yansıtıcı olan içi boş bir cismin yani bir kovuğun yüzeyindeki küçük bir deliğin (ki buna kavite deniyor), ideal karacismin eşdeğeri olarak gerçekleştirilip incelenebileceğini gösterdi.

9. Kara cisim, üzerine düşen bütün elektromanyetik ışımayı tamamen soğuran bir kütledir. • Bir kavite içindeki ışınım, gidecek bir yeri olmadığından sürekli çeperler tarafından soğrulup yeniden yayınlanır. • Böylece küçük bir delik çeperlerin yayınladığı (yansıttığı değil) ışınımı dışarı çıkartır. İşte bu kara cisim özelliğidir.

10. Kara cisim ışıması • Kara cisim ışıması, herhangi bir cismin, sıcaklığına bağlı olarak salınan elektromanyetik ışımadır. • Elektromanyetik ışınım, oluşma tarzına göre iki gruba ayrılır. Isıl (termal) yansıma ve termal olmayan yansıma. Burada termal yansımaya, kara cisim ışıması(yansıması) da denilmektedir. • Evrendeki her cisim ya da parçacık, enerjisine ya da diğer deyişle sıcaklığına bağlı olarak belirli frekansta elektromanyetik ışık (foton) salar.

11. Cisim daha yeni yeni ısınmaya başlarken ışınım mevcuttur fakat gözü uyarmadığı için biz göremeyiz. • İyice ısınmaya başlayınca frekanslar gözle görülebilir bant aralığına ulaşır, kavite de bir elektrik sobasının yuvarlak rezistansı gibi kızarır.

12. Sıcaklık arttıkça görünen renk değişir. • 1200˚C de tüm renkleri karışımı ile beyaz görünür.

13. Sıcaklık arttıkça toplam enerji de artar. • Sıcaklık arttıkça eğrilerin tepe noktası yani tepe dalgaboyu değeri küçülür. Frekans değeri artar.

14. Klasik fizik; atomlar her frekansta salınım yapabilir. • Klasik fizik, siyah cisim ışımasını sadece büyük dalga boylarında açıklayabilir. • Planck(1900); atomlar sadece belirli frekanslarda salınım yapabilirler.

15. Max PLANCK’ın yaklaşımı En= nhνn = 1, 2, 3… E = enerji n = kuantum sayısı h = Plank sabiti ν= frekans (f) h = 6.626 x 10-34 J.s • Formül sadece sıcaklığı, ışınım frekansını; ve bütün kavite ve renkler için aynı olacak bir ya da daha fazla evrensel sabit içermeliydi. • Planck, sıcak cismin soğurken enerjisini ışık halinde ve tamsayıkatları şeklinde kaybettiğini öngörmüştür. • Kara cisim ışımasının rezonatörler tarafından yayıldığını öne sürdü. Buna göre; Rezonatörler atomik boyutta yüklü titreşicilerdi. • Anahtar nokta, enerji düzeylerinin kuantize olmuş olmasıdır. Yani ancak belirli ve kesikli değerler alabilmesidir.

16. Enerjinin kuantize olması ilkesine dayanarak, Planck yasası iki biçimde yazılabilir: • Dalga boyuna bağlı olarak; • Frekansın fonksiyonu olarak; Bu denklemler deneysel sonuçlar ile tamamen uyumludur.

17. Kaynaklar • KUANTUM TEORİSİ J.P. McEVOY- Oscar ZARATE (NTV Yayınları) • Bilim teknik ekim2000 R. Ömür Akyüz, Boğaziçi Üniversitesi Fizik Bölümü • www.trakya.edu.tr fotoelektrik.pdf • http://strateji.cukurova.edu.tr/EGITIM/bozdemir/bozdemir_kuantum_01.pdf • http://www.biyolojiegitim.yyu.edu.tr/fizkuantumpdf/kkk1y.pdf • http://derman.science.ankara.edu.tr/kitap/43.html • http://feps.as.arizona.edu/outreach/bbwein.html • http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter2/bb_rad.html • http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/LAD/C3/C3_LightQuanta.html