Modern Fizik · 3. Ünite: Kuantum Fiziğinin Doğuşu

Siyah Cisim Işıması ve Planck Hipotezi

Kızgın bir demir parçasının önce kızıl, sonra sarı, en sonunda beyaza yakın parlaması, ısıl ışımanın (thermal radiation) sıcaklıkla yapılandığını gösterir. 1900 yılına gelindiğinde klasik fizik bu spektrumu uzun dalga boylarında açıklayabiliyor, kısa dalga boylarında ise sonsuz enerji öngörüyordu. Bu konuda deneysel yasaları (Stefan–Boltzmann, Wien), klasik Rayleigh–Jeans başarısızlığını ve bu çıkmazı çözen Planck'ın enerji nicemleme varsayımı $E_n = nhf$ ifadesini inceleyeceksin. Sonunda bir yıldızın rengi ve tepe dalga boyundan sıcaklığını, yüzey ışıma gücünü ve Planck sabitini hesaplayabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Işıma Neden Evrensel Bir Spektrum Verir?

  2. Deneysel Yasalar: Stefan–Boltzmann ve Wien

  3. Klasik Çıkmaz: Rayleigh–Jeans ve Mor Ötesi Felaketi

  4. Planck Hipotezi ve Ortalama Osilatör Enerjisi

  5. Planck Yasasından Wien ve Stefan–Boltzmann Sabitleri

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Grafik Yorumu ve Simülasyon Rehberi

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Siyah cisim (blackbody)
Üzerine gelen tüm ışımayı soğuran ve ısıl dengede evrensel bir spektrum yayan ideal cisim; boşluk ve küçük delik ile gerçekleştirilir.
Spektral yayma gücü $M_\lambda$
Birim yüzeyden birim dalga boyu aralığında yayılan güç; birimi W·m⁻²·nm⁻¹.
Stefan–Boltzmann yasası
Toplam yayma gücü $M=\sigma T^4$; $\sigma=5{,}670\times10^{-8}$ W·m⁻²·K⁻⁴.
Wien kayma yasası
$\lambda_{max}T=b=2{,}898\times10^{-3}$ m·K; tepe dalga boyu sıcaklıkla ters orantılı kayar.
Mor ötesi felaketi (ultraviolet catastrophe)
Eşbölüşüm ilkesinin kısa dalga boylarında $M_\lambda\to\infty$ ve toplam gücün ıraksamasını öngörmesi.
Eşbölüşüm (equipartition)
Isıl dengede her ikinci dereceden serbestlik derecesinin ortalama $\tfrac12 kT$ enerji taşıması; klasik kipler için $\langle E\rangle=kT$.
Planck hipotezi
Frekansı $f$ olan osilatörün enerjisi yalnızca $E_n=nhf$ değerlerini alır; $h=6{,}626\times10^{-34}$ J·s.
Planck dağılımı
$M_\lambda=\frac{2\pi hc^2}{\lambda^5}\,[e^{hc/\lambda kT}-1]^{-1}$; deneye her dalga boyunda uyan boşluk spektrumu.

Örnek soru

Bir siyah cismin spektrumunda $M_\lambda$ eğrisinin tepesi $\lambda_{max}=290\,\text{nm}$'de görülüyor. Wien sabiti $b=2{,}898\times10^{-3}\,\text{m}\cdot\text{K}$ olduğuna göre cismin sıcaklığı yaklaşık kaçtır?

  1. 9,99 K
  2. 5 000 K
  3. 9 990 K
  4. 20 000 K
  5. 49 600 K

Doğru cevap: C

Çözüm

1. Wien kayma yasası: $\lambda_{max}T=b$.
2. $T=\dfrac{b}{\lambda_{max}}=\dfrac{2{,}898\times10^{-3}\,\text{m}\cdot\text{K}}{290\times10^{-9}\,\text{m}}\approx 9{,}99\times10^{3}\,\text{K}$.
Cevap: 9 990 K (C).
Çeldiriciler: 9,99 K, $\lambda$ nm yerine µm alınırsa çıkar (birim hatası); 5 000 K, tepe dalga boyunu iki katı almaktır; 49 600 K ise $b$ yerine $hc/k=1{,}4388\times10^{-2}\,\text{m}\cdot\text{K}$ kullanmanın sonucudur, çünkü $b=hc/(4{,}965\,k)$ idi.

Modern Fizik: tüm konular