اشعاع الجسم الأسود |

ظاهرة اشعاع الجسم الاسود هي أول الظواهر التي لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية تفسيرها و أحد ركائز الفيزياء الحديثة. و لفهم الظاهرة يجب التعرف على الطيف الكهرومغناطيسي و كذلك ما المقصود بالجسم الأسود. يتم التعبير عن تجربة إشعاع الجسم الأسود بمنحنى يسمي منحنى بلانك. كما يتم شرح تفسير بلانك لهذه المنحنيات.

الموجات الكهرومغناطيسية

نبدأ بتعريف كلمة الإشعاع. الإشعاعات أو الموجات الكهرومغناطيسية هي موجات متكونة من مجالات كهربية ومغناطيسية مهتزة و يكون اتجاه انتشارها عمودي على كلا المجالين و سرعتها 300.000 كم/ث (سرعة الضوء). هذه الموجات تنتقل في الوسط المادى و الفراغ وتنقل معها الطاقة. على حسب الفيزياء الكلاسيكية الأمواج تتميز بالخصائص الآتية و هي الإنعكاس والإنكسار والتداخل والحيود. الموجات الكهرومغناطيسية تتفق مع بعضها في السرعة (سرعة الضوء 300.000 كم/ث) و لكنها تختلف في التردد و الطول الموجي (السرعة = التردد X الطول الموجي). هذا الاختلاف في التردد (أو الطول الموجي) يُكون تَنَوع بين الموجات و يُعرف هذا التَنَوع بالطيف الكهرومغناطيسي.

الطيف الكهرومغناطيسي

الطيف الكهرومغناطيسي هو مصطلح عام يشير إلى مدى هائل من جميع الترددات (أو الأطوال الموجية) الممكنة للإشعاعات الكهرومغناطيسية.

مناطق الطيف الكهرومغناطيسي

يتكون الطيف الكهرومغناطيسي من سبع مناطق. ترتيب مناطق الطيف من الأكبر في الطول الموجي (الأقل الطاقة أو التردد) كالأتي موجات الراديو و الموجات الميكروية و الأشعة تحت الحمراء و الضوء المرئي و الأشعة الفوق بنفسجية و الأشعة السينية (أكس) و أشعة جاما.

هذا بالنسبة للإشعاع. ماذا عن الجسم الأسود؟

الجسم الأسود

الجسم الأسود هو جسم يمتص كل ما يسقط عليه من أشعة ذات أطوال موجية مختلفة (ممتص مثالى) ثم يعيده إشعاعها مرة أخرى (باعث مثالى).

أي جسم له درجة حرارة يكون إما جسم متوهج أو جسم غير متوهج.
الأجسام المتوهجة: أجسام تصدر ضوء وحرارة مثل الشمس ،فتيلة المصباح، النجوم ، قطعة الفحم المتقدة.
الأجسام غير المتوهجة : أجسام يصدر منها إشعاع حراري مثل الأرض.

تجربة إشعاع الجسم الأسود

لاحظ العلماء أن انبعاث الإشعاع من الأجسام الساخنة يختلف بإختلاف درجة حرارة الجسم T. لأن الأجسام الساخنة سوف نعتبرها جسم أسود يشع كل الأطوال الموجية. و لكن السؤال هل تشع الأطوال الموجية بنفس الشدة (كم الطاقة الإشعاعية في وحدة المساحات و الزمن)؟ نجد أنها لا تُشع الأطوال الموجية بنفس الشدة (يختلف كل طول موجي عن الأخر في شدة الإشعاع). بإختلاف الطول الموجي حيث يكون و الطول الموجى الذى يصاحبه أقصى شدة إشعاع يكون اللون الغالب على الضوء الصادر من الجسم. عند رسم العلاقة بين شدة الإشعاع و الطول الموجي يتم الحصول على منحنى بلانك.

منحنى بلانك

العلاقة بين شدة الاشعاع والطول الموجي

العلاقة العملية بين شدة الإشعاع الصادر من الجسم المشع و الطول الموجى المنبعث منه عند درجة حرارة معينة T بالكلفن.

شرح منحنى بلانك:

أولا: يمكن وصف منحنى بلانك عند درجة حرارة معينة كالتالى:

شدة الإشعاع عند الأطوال الموجية الطويلة جداً والقصيرة جداً تقترب من الصفر.
تكون شدة الإشعاع قيمة عظمى عند قيمة معينة من الطول الموجى و التي يرمز لها بهذا الرمز $\lambda_m$
بزيادة درجة الحرارة تزداد الشدة الكلية للإشعاع (ممثلة في المساحة تحت المنحنى).
بزيادة درجة الحرارة يقل الطول الموجى $\lambda_m$ الذي يقابل أقصى شدة إشعاع. أى تُزاح قمة المنحنى تجاه أطوال موجية أقصر (قانون فين)
الأجسام الساخنة تشع طيفاً متصلاً.

تفسير الفيزياء الكلاسيكية للاشعاع الجسم الأسود

قام رايلي و حبينز بإشتقاق معادلة قد تكون مناسبة عند الأطوال الموجية الكبيرة. و لكنها تفرض شدة إشعاع لانهائية في الأطوال الموجية القصيرة و هذا مخالف للواقع. لا يمكن لجسم إصدار شدة إشعاع لانهائية من طول موجي معين لأن ذلك يتطلب طاقة لانهائية. و ذلك يعد خرق لقانون حفظ الطاقة.

تفسير بلانك لاشعاع الجسم الاسود.

إستطاع بلانك أن يفسر ظاهرة إشعاع الجسم الأسود بفرض عدة فروض هى:
1- يتكون الإشعاع من بلايين من وحدات أو تدفقات صغيرة من الطاقة تسمى كل منها كوانتم (كم) أو فوتون.
2- طاقه كل فوتون تتناسب مع تردده و من ثم $E = h \nu$ حيث (h) ثابت بلانك .
3- مصدر هذه الفوتونات هي تذبذب ذرات الجسم المشع.
4- طاقة الذرات المتذبذبة منفصلة و مكمات. تأخذ مستويات الطاقه قيم $E = h \nu$
5- لا تصدر إشعاع من الذرات طالما كانت مستقرة فى مستوى طاقتها الأصلى (الأرضي).
6- عند انتقال ذرة متذبذبة من مستوى أعلى الطاقة إلى مستوى أدنى الطاقة تصدر فوتون طاقته $\Delta E = h \nu$
7- بزيادة تردد الفوتونات تزداد طاقتها و يقل عددها. و يتلخص ذلك في القانون : $E = n h \nu$

قانون بلانك

$E = h \nu$

تطبيقات على اشعاع الجسم الاسود

تحديد مصادر الثروة الطبيعية حيث يمكن تصوير سطح الأرض بإستخدام مناطق الطيف المختلفة (الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من سطح الأرض) عن طريق الاقمار صناعية.
التطبيقات العسكرية مثل أجهزة الرؤية الليلية لرؤية الأجسام المتحركة في الظلام واضحة بفعل ما تُشعه من إشعاع حراري.
فى الطب الخاص فى مجال الأورام والاجنة
اكتشاف الأدلة الجنائية حيث يبقى الإشعاع الحراري للجسم فترة حتى بعد تركه المكان و تسمى تقنية الاستشعار عن بعد.

لمزيد من التفاصيل حول الموضوع في الفيديو