ما هو الجسم الأسود
يقول الناس : ينصح بارتداء اللون الأسود في الشتاء لأنه يمتص الضوء، واللون الأبيض في الصيف لأنه يبعد الحرارة، ولكن هذا ليس صحيحا دائما. فالأشعة المنبعثة من الجسم تعتمد على عدة عوامل، مثل نوع المادة ودرجة حرارة الجسم، ولذلك يتم تعريف الجسم المثالي على أنه جسم أسود قادر على امتصاص جميع الأشعة الساقطة عليه، وهو عبارة عن صندوق مجوف له ثقب صغير، فإذا سقط شعاع على الثقب، يتم انعكاسه على جدران الصندوق الداخلية حتى يتم امتصاصه بالكامل .
الجسم الأسود
- يقول علماء الفيزياء إن الجسم الأسود يمتص كل الضوء الذي يسقط عليه، فالضوء الذي يسقط على الجسم الأسود لا ينعكس أو ينكسر، بل يتم امتصاصه .
- يتمثل أفضل جسم أسود في ثقب صغير في صندوق أسود، حيث لا يمكن لأي إشعاع داخل الصندوق الخروج مرة أخرى، بل سيتم امتصاصهذا الإشعاع داخل الصندوق .
- يمتص الجسم الأسود حوالي 97% من الإشعاع الساقط، في حين يمتص أي جسم آخر حوالي 6% فقط، مما يعكس الباقي .
- – يتغير شدة وأطوال الموجات الكهرومغناطيسية للجسم الأسود مع انخفاض درجة حرارته، وتتحول إلى أطوال موجية أطول .
- في عام 1860، قدم جوستاف كيرشوف فكرة الجسم الأسود .
- يتم تعريف الجسم الأسود بأنه يسمح لكل الإشعاع الساقط بالمرور من خلاله دون حدوث انعكاس للطاقة، ويتم امتصاص كل الإشعاع الساقط داخليًا دون نقل الطاقة عبر الجسم .
- هذا صحيح بالنسبة للإشعاع من جميع الأطوال الموجية وجميع زوايا السقوط .
- بالتالي، يتمتع الجسم الأسود بالامتصاص المثالي لكل الإشعاع الحاصل .
خواص الجسم الأسود
- باعث مثالي : في كل تردد ، يتزايد إشعاع الحرارة الذي ينبعث من أي جسم آخر في نفس درجة الحرارة .
- باعث منتشر : يتم قياس الطاقة بالوحدة المتعامدة مع الاتجاه، وتشع الطاقة بشكل متناغم ومستقل عن الاتجاه .
اشعاع الجسم الأسود
- عندما يكون الجسم الأسود عند درجة حرارة الغرفة العادية، يظهر باللون الأسود مثل معظم الطاقات التي تشع على شكل موجات تحت الحمراء، ولكن لا يمكن للعين المجردة للإنسان اكتشافه .
- لأن العين البشرية لا يمكنها رؤية الألوان بشكل صحيح عندما تكون الإضاءة ضعيفة .
- يمكن رؤية الجسم الأسود في الظلام عند درجاتحرارة محددة، حيث يصبح مرئيًا وواضحًا للعين المجردة لإدراكه .
- عندما يكون الجسم في حالة توازن حراري أو توازن ترموديناميكي، ينبعث نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي منه .
التوازن الحراري
- يتكون نظام فيزيائيان في حالة توازن حراري إذا لم يكن هناك تدفق للطاقة الحرارية بينهما عند توصيلهما بمسار قابل للتسخين .
- يتبع التوازن الحراري قانون الصفر للديناميكا الحرارية .
- يعتبر النظام في حالة توازن حراري مع نفسه إذا كانت درجة الحرارة داخل النظام متجانسة مكانيًا وزمانيًا، ويكون في حالة توازن حراري .
التوازن الترموديناميكي
- يمكن وصف التوازن الثرموديناميكي أو التوازن الدينامي الحراري في الفيزياء والكيمياء بأنه عندما تكون هناك حالة توازن حراري وتوازن ميكانيكي (حركي) وتوازن إشعاعي وتوازن كيميائي يتم الوصول فيها إلى حالة توازن ثرموديناميكي .
- إذا كان النظام في حالة توازن ثرموديناميكي، فإنه لا يحدث فيه نقل للمادة أو الطاقة، ولا يحدث فيه تطور للمادة، ولا توجد فيه قوى دافعة .
- في النظام الذي يتمتع بالتوازن الحراري، لا يوجد أي تغيير عندما يتم عزله عن المحيط المحيط به.
الاشعاع الكهرومغناطيسي
- تصدر الجسيمات المشحونة الإشعاع الكهرومغناطيسي أو الموجات الكهرومغناطيسية وتمتصه، ويظهر تصرفها خلال الفضاء مشابهًا للموجات .
- يتألف الإشعاع الكهرومغناطيسي من حقل كهربائي وحقل مغناطيسي ، وكلاهما متساوي في الشدة ، وكل منهما يتذبذب في طور معاكس للآخر ومعامد على اتجاه الطاقة وانتشار الموجة، حيث ينتشر الإشعاع الكهرومغناطيسي في الفراغ بسرعة الضوء .
الطيف
- يتميز إشعاع الجسم الأسود بخاصية فريدة وهيالطيف الترددي أو طيف بلانك أو قانون بلانك .
- يتميز هذا الطيف بتردده المتخصص، إذ أن زيادة التردد تؤدي إلى زيادة درجة الحرارة، وبالتالي في درجة حرارة الغرفة يتركز معظم الإشعاعات في منطقة الأشعة تحت الحمراء، حيث يتراوح طول الموجة بين 0.7 و300 ميكرومتر، ويكون التردد بين 1 و400 تيراهيرتز .
- ينبعث من الجسمالأسود حزمة من الأشعة الضوئية المرئية التي يمكن للعين البشرية المجردة رؤيتها في الظلام، عندما ترتفع درجة الحرارة بمقدار 500 درجة سيليزية .
قانون بلانك و الجسم الأسود
- يحكم قانون بلانك في إشعاع الجسم الأسود على أن الجسم الأسود يمتص بالكامل الطاقة الإشعاعية، ويمكنه إطلاقها أو إشعاعها بالكامل بجميع أطوال الموجات الكهرومغناطيسية الحرارية .
- يتم امتصاص الطاقة أو إطلاقها في صورة أجزاء صغيرة جدًا من الطاقة التي لا يمكن تقسيمها وتسمى الكمات .
- تُحسب طاقة الإشعاع بضرب تردد الموجة الكهرومغناطيسية بثابت بلانك .
- ثابتة بلانك هي ثابتة فيزيائة أساسية .
- تم العثور على أن هذه العلاقة تتفق بشكل ممتاز مع النتائج التجريبية في جميع مجالات الأطوال الموجية .
- استخدم بلانك الطرق الإحصائية لحساب الأنتروبية في إعطاء علاقته الفيزيائية النظرية لتوزيع الطاقة على الهزازات في التجويف (الجسم الأسود)، واستخدم حساب الطرق الممكنة لتحديد عدد الطرق التي يمكن بها توزيع كمية معينة من الطاقة على عدد محدد من الهزازات .
قوانين خاصة بالجسم الأسود
قانون ستيفان بولتزمان
: “ينص القانون على أن الطاقة الكلية المنبعثة من الجسم الأسود في الثانية لكل وحدة مساحة تتناسب مع القوة الرابعة لدرجة حرارة الجسم بالكلفن، وهناك تعريف آخر يشير إلى أن الطاقة الكلية والطول الموجي يمكن أن يزيدا بحسب حجم وحرارة الجسم بنسبة متناسبة مع القوة الرابعة .
قانون فين
ينص على أن طول موجة العظمي لإشعاع الجسم الأسود تتناسب تناسبا عكسيا مع درجة حرارته ، وهو قانون صاغه العالم الفيزيائي الألماني فلهلم فين عن انزياح قمة توزيع طول موجة الأشعة الحرارية الصادرة من جسم أسود نحو أطوال موجة قصيرة مع ارتفاع درجة حرارة الجسم الأسود ، بدراسة اشعاع الجسم الأسود و اعتماده على الحرارة قرب نهاية القرن التاسع عشر .
قانون رايلي – جينس
تنص القوانين على أن الجسم الأسود يتكون من عدد كبير من التذبذبات المشحونة التي تتحرك بحركة توافقية بسيطة. ويطلق هذا الجسم الأسود أشعة كهرومغناطيسية أثناء حركته، بحيث تكون كثافة توزيع الطاقة المنبعثة منه مساوية لكثافة الطاقة للتذبذبات عند التوازن الحراري. استنادا إلى هذا الافتراض، قام العلماء بتطوير معادلة في إطار الديناميكا الحرارية تعطي عدد التذبذبات لكل وحدة حجم مسؤولة عن كثافة الإشعاع عند طول موجي معين .