Elektrik yüküne sahip cisimler ivmelendikleri zaman ışınım yaparlar. Bütün maddeler rastgele hareket eden yüklü cisimlere sahip olduklarından, bütün cisimler elektromagnetik ışıma yaparlar. Bu ışıma sırasında açığa çıkan enerji, yüklerin rastgele hareketinin averaj kinetik enerjisine bağlıdır. Dolayısıyla ışımanın sıcaklıkla bağımlılığı ortaya çıkar.
Kara cisim, yaptığı ışınım, yüklerin sadece termal hareketine bağlı olan cisimlerdir. Dolayısıyla hiçbir ışığı yansıtmamalıdır. Kara cisim ışıması, cismin sıcaklığı dışında başka hiçbir özelliğine bağlı değildir. Diğer bir deyişle, aynı sıcaklığa sahip iki kara cisim, diğer bütün özellikleri farklı olsa dahi aynı ışıma spektrumuna sahip olurlar.
İdeal kara cisimlerin yansıtma katsayısı 0, soğurma katsayısı 1’dir. Pratikte ise soğurma katsayısı 1’e yakın olan cisimleri kara cisim olarak kabul ederiz. Kara cismin, illa ki siyah olması gerekmemektedir. Örneğin güneşin yüzeyi, gelen ışınımların sadece çok küçük bir kısmını yansıtmasından dolayı, kara cisim olarak değerlendirilir.
Beyaz Işığın Yapısı
İnsanlar çok eski dönemlerden beri günlük yaşamda karşılaştıkları Kara Cisim Işıması ışık olaylarının doğasını merak etmiş ve ışık ile ilgili araştırmalar yapmıştır.
8. yy’da İbn-il Heysem görme olayını doğru açıklayan ilk bilim insanıdır. Işığın yapısı ile ilgili gerçeğe uygun ilk teoriler ise 17. yy’da Newton ve Huygens (Haycins) tarafından ortaya atılmıştır.
Sir Isaac Newton, 1666 yılında karanlık bir ortamda, çok ince ışık demetini önce üçgen cam prizmadan geçirerek beyaz ışığı dalga boylarına göre renklerine ayırmayı başarmış, aynı ortamda bu ışık tayfını ikinci bir cam prizmadan geçirdiğinde ise tekrar beyaz ışığı elde etmiştir. Newton, bu çalışmasıyla beyaz ışığın güneş ışığı tayfındaki renklerin birleşiminden oluştuğunu kanıtlamıştır.
Daha sonra gerçekleştirdiği renk çarkı çalışması da bu sonucu desteklemektedir. Renk çarkı, güneş ışığı tayfındaki renklere boyanmış bir çarkın elle çevrilmesiyle ile çalışır. Çark hızlıca çevrildiğinde renkler kaybolur ve çark beyaz görünür. Bu da pratikte beyaz ışığın güneş ışığı tayfındaki renklerden oluştuğunun bir başka kanıtıdır.
1802 yılında Thomas Young (Tamıs Yang 1773-1829), gerçekleştirdiği çift yarık deneyi ile ışık rengi-dalga boyu ilişkisini ortaya çıkarmış, Newton’un deneyinde elde ettiği renklerin dalga boylarını hesaplamayı başarmıştır. Daha sonra yapılan çeşitli çalışmalar, insan gözünün güneş ışığı tayfındaki renklere karşı duyarlılığının aşağıdaki grafikte gösterildiği gibi olduğunu ortaya koymuştur.
Bizim göremediğimiz ışınlar nasıl tanımlanmıştır?
Görünür ışık elektromanyetik spektrumu oluşturan ışınlar içerisinde çok küçük bir bölümü oluşturur. Elektromanyetik spektrumu oluşturan dalgalar frekans (f), enerji (E) ve dalga boylarına göre tanımlanmaktadır. Bu üç nicelik arasında;
E = hf = cXh/ λ eşitliği vardır. (c: ışık hızı, h: planck sabiti)
Kara Cisim Nedir?
Görme olayının gerçekleşmesi için cisimden göze doğrudan veya dolaylı olarak ışık ışınlarının gelmesi gerektiğini biliyorsunuz. Bir cismin renkli görünmesi de üzerine düşen beyaz ışığın yansıma ve soğurulmasına bağlıdır. Eğer bir cisim üzerine düşen beyaz ışığı tamamen soğuruyorsa kara cisim olarak adlandırılır. Böyle bir cismin yaptığı ışımaya ise kara cisim ışıması denir.
Kara cisim ışımasını açıklamak klasik fiziğin karşılaştığı önemli bir problemdir ve modern fiziğin gelişmesine temel oluşturmuştur. Kara cisim tanımına uyan gerçek bir cisim olmamakla birlikte yukarıdaki gibi bir şekle benzetilebilir. Üzerinde çok küçük bir delik bulunan şekildeki gibi bir küreciğe beyaz ışık düşürüldüğünü düşünelim. Küçük delikten cismin içerisine ulaşan ışık ışını cismin iç yüzeylerinde yansımaya uğrar. Yansıma gerçekleştiği sırada soğurulma da gerçekleşir. Böylelikle ışığın tamamı cisim tarafından soğurulmuş olur.
1893 yılında Alman bilim insanı Wilhelm Wien (Vilhem Vien 1864-1928), ışıma şiddetinin dalga boyuna nasıl bağlı olduğunu incelediği deneysel çalışmalar da iki önemli sonuca ulaşmıştır:
- Sıcaklık artışına bağlı olarak ışıma şiddeti – dalga boyu grafiğindeki eğrinin tepe noktası kısa dalga boylarına doğru kayar.
Wien Yer Değiştirme Yasası olarak tanımlanan bu durum;
λmax . T 2.898.10-3 mK eşitliği ile ifade edilir.
T: Işıma yapan cismin mutlak sıcaklığını, λmax bu cisme ait eğrinin tepe noktasının dalga boyunu ifade etmektedir.
- Cismin yaydığı toplam enerji miktarı sıcaklıkla artmaktadır.
Aydınlatma Gücü (Işıtma)
“Yıldızların Evrimi” konu başlığı altında yıldızların çok yüksek yüzey sıcaklığına sahip, kendiliğinden ışıma yapan astronomik cisimler olduğunu öğrenmiştiniz.
Bir yıldızın ışınım gücü, birim zamanda tüm yüzeyden salınan toplam enerji miktarıdır. Bütün bu özelliklerinden dolayı yıldızların kara cisim ışıması yaptığı kabul edilebilir. Bu kabulden hareketle bir yıldızın aydınlatma gücünü hesaplayabilir miyiz?
Bu sorunun cevabını verebilmek için önce bir kara cismin aydınlatma gücünü tanımlayıp aydınlatma gücünün nelere bağlı olduğunu inceleyelim:
Kara cismin tanımlaması yapılırken kullanılan şeklin küresel olduğunu hatırlayalım. Bu şeklin R yarıçaplı küresel bir kara cisme ait olduğunu kabul edelim. Cismimizin tüm yüzeyinden birim zamanda yayılan toplam ışıma miktarı, aydınlatma gücü (ışıtma) olarak tanımlanır. L sembolü ile gösterilen aydınlatma gücü L = 4pR2.σT4 eşitliği ile hesaplanır.
Bu eşitlikteki σT4 Stefan-Boltzmann Yasası’nın metametiksel ifadesi, σ ise Strefan-Boltzmann sabitidir ve değeri σ = 5,67.10-8 W /m2K4tür
Gökyüzünde gözlemlediğiniz yıldızların aydınlatma güçlerinin, yıldızlarının yarıçaplarına ve yüzey sıcaklıklarına bağlı değiştiğini uygulamalarda inceledik.
Bir yıldızdan (veya bir başka ifade ile kara cisimden) d kadar uzaktaki yüzeyde oluşan ışınım akısını nasıl hesaplarız?
d yarıçaplı küresel yüzeyin tüm alanı 4pd2 eşitliği ile hesaplanır. Bu durumda birim yüzeyden geçen ışınım akısı;
F = L/ 4pd2 eşitliği ile bulunur.
Işık Kaynağının Enerjisinin Ölçümü
Astronomik gözlemlerin teleskoplarla yapıldığını ve teleskop çeşitlerinin neler olduğunu “ Astronomide Kullanılan Araçlar ” başlığı altında inceleyebilirsiniz.
Bir ışık kaynağının yaydığı enerji miktarı gözlem yapılan teleskoba bağlı filtre ve alıcıdan oluşan fotometri adı verilen sistem yardımıyla ölçülür.
Aşağıdaki grafikte ışıma şiddetinin, dalga boyuna bağlı değişimi verilmiştir. Bu grafikte gözümüzün algılayabildiği ışıma şiddeti yaklaşık 0,4 – 0,7 mm aralığında yer almaktadır.
