Kuantum Mekaniği: Siyah Cisim

Siyah Cisim Işıması (black body radiation), klasik mekanikten kuantum mekaniğine geçişteki yol ayrımlarındandır denilebilir.
Siyah cisim olayının kavranması için önce bir cismi sürekli ısıttığımızda neler olduğunu birlikte bir anlamaya çalışalım.

Aslında her cisim mutlak sıcaklıktan (-273,15°C ya da 0 Kelvin) sonra dış ortamdan aldığı ısı enerjisine bağlı olarak etrafına ısısal ışıma (termik radyasyon) yapar.
Akkor halindeki cisim, yine akkor halindeki gazdan farklı olarak her dalga boyunda ışınım yapar. (*)

Klasik elektromagnetik teorinin gereği; değişken ivmeli yükler, eletromagnetik dalga yayar (yani ışınım yapar). Şimdi bunu ısıttığımız cisim için düşünürsek; elektronlar aldıkları ısı enerjisi ile değişken ivmeli hareketlerle değişik dalga boylarında ışınım yapacaktır. Isı enerjisindeki artışla dalga boyu değerleri küçülecektir diğer bir deyişle frekans değerlerinin artışına neden olacaktır.
Bu Işınımın, ışınım çeşitliliği (spektrum) frekansına ve sıcaklığına bağlı olarak değişir. Yayımlanan bu enerji değerini (sıcaklığın dördüncü kuvvetine bağlı olarak) Stefan-Boltzman yasası ile bulabiliriz.

I (T) = e σT⁴

I (T) : Işınımın şiddeti. Bir saniye içinde bir cm² lik yüzeyden tüm frekanslarda yayılan toplam enerji ışımasını verir.
e : Cismin, ışınım yayımlama (emisyon) katsayısı.
T : Mutlak sıcaklık
σ : Stefan-Boltzman sabiti. σ =5,6703 x 10 ^-8 W/m².K⁴

Daha sonra Max Planck aynı formülü yukarıdaki gibi ifade ederek "Kuantum Mekaniği" nin temelini atacaktır ki şu aşamada yalnızca şöyle bir görmüş olalım daha sonra ayrıntılandıralım.
Özetlersek ısıtılan cisim enerji salınımında bulunur ki buraya kadar bir klasik mekanik açısından bir problem yok. Problem, ısıtılan cismin yaptığı ışınımın, frekansa göre dağılımının tanımlanabilmesindedir.
Şimdi siyah cisim deneyine geçebiliriz. Bir içi boş cisim düşünelim ki adından dolayı siyah olması gerekmez. Bu cismin üzerinde, içine ışığın sızabileceği kadar bir delik olsun.

Sızan ışın, içeride sonsuz bir yansımaya ve iç çeperlerde soğrulmaya (absorbe olmaya) başlayacaktır. Bir süre sonra da cisim ısısal ışınım yapacaktır.
Doğada tam anlamıyla bir siyah cisim olmasa da (aldığı ışığın az da olsa bir kısmını yansıtması nedeniyle) örnekleri vardır.

Siyah Cisim Deney Grafiği

Wien Yasası:

Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien (1864-1928) kendi adıyla anılan Wien Yasası: Yüksek frekanslarda geçerli ancak düşük frekanslarda hatalı sonuçlar vermekte idi.

Planck Teoremi:

Tüm bu yaklaşımların ardından daha çok termodinamik çalışmalarıyla bilinen Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) ışığın parçacık halini de destekleyen ve enerjiyi kuantize (kesikli) eden sonucu açıkladı: