קרינת גוף שחור

גוף שחור הוא מודל בפיזיקה של עצם שבולע באופן מושלם קרינה אלקטרומגנטית בכל אורכי הגל. קרינה אלקטרומגנטית = אור וחום בגלים; גוף שחור גם פולט קרינה זו באופן שמקושר רק לטמפרטורה שלו. הקרינה הנפלטת נקראת קרינת גוף שחור, והיא מתאימה בקירוב לקרינה של השמש, נורת להט וקרינת תת־אדום מבעלי חיים.

גוף שחור קורן בכל אורכי הגל בעוצמה שתלויה באורך הגל ובטמפרטורה. בטמפרטורות נמוכות הפליטה באור הנראה קטנה; בטמפרטורות מעל כ־798 קלווין רוב המוצקים פולטים גם באור הנראה. התפלגות זו מוסברת על ידי חוק פלאנק, שמקשר בין תדירות (או אורך גל) וטמפרטורה לפיזור העוצמה.


בתחילת המאה ה־20 ניסחו חוקי ניסוי שונים לתיאור הספקטרום. חוק ריילי־ג'ינס נתן תיאור נכון לאורך גלים ארוכים, אך הוביל ל"קטסטרופה של העל־סגול", חישוב שהוביל לפליטה אינסופית בתדירויות גבוהות, ומהר מאוד נדרש תיקון.


הנוסחה של ריילי־ג'ינס תואמת רק לאורכי גל ארוכים. כשמנסים לסכום על כל התדירויות היא מניבה אנרגיה אינסופית, בעיה שהתגלתה בניסויים.


מקס פלאנק איחד את התצפיות במשוואת פלאנק. פלאנק הניח שהאנרגיה נפלטת במנות בדידות, קוונטות (קוונטה = מנה דיסקרטית של אנרגיה). המסקנה הזו הסבירה את ספקטרום הפליטה והובילה להתחלה של תורת הקוונטים. הרעיון המרכזי: אנרגיה של קרינה תלויה בתדירות, והמינימום שלה הוא פרופורציונלי לקבוע פלאנק.


ברמה המיקרוסקופית, תנועה תרמית של אטומים ואלקטרונים גורמת להאצות ולפליטת פוטונים. פוטון = חלקיק של אור. הפליטות המקריות הללו מצטברות על פני המשטח ויוצרות ספקטרום רציף המאפיין גוף שחור. במתכות התמונה יותר מורכבת בגלל אלקטרונים חופשיים.


חוק פלאנק מתאר עקומה שמראה את עוצמת הקרינה כתלות בתדירות או באורך גל. מהנוסחה של פלאנק נגזרים חוקים נוספים של קרינת גוף שחור.


ניתן לנסח את חוק פלאנק הן כתלות בתדר והן כתלות באורך גל. הערכים לא שווים זה לזה כי התדירות ואורך הגל הם פרמטרים שונים; כשמעבירים בין התיאורים יש להכפיל בגורם המתאים של שינוי המשתנה.


חוק ההסחה של וין אומר שצורת עקומת הפליטה נשמרת כאשר משנים את הטמפרטורה, אבל שקנה המידה משתנה. כלומר, התדירות שבה הפליטה מקסימלית גדלה בקירוב ביחס ישר לטמפרטורה. אורך הגל שבו הפליטה היא המקסימלית פוחת ככל שהטמפרטורה עולה. בעשייה מעשית, החוק מאפשר למדוד טמפרטורת כוכבים ותמונות תרמיות.


בעולם האמיתי אין גוף שחור אידיאלי. "גוף אפור" הוא חומר שפולט כמו גוף שחור, אך ביעילות נמוכה וקבועה בקירוב. אמיסיביות = מידת היעילות של הפליטה בהשוואה לגוף שחור; היא תלויה בדרך כלל באורך הגל ובטמפרטורה.


חוק סטפן־בולצמן קובע שהשטף הכולל של הקרינה מנקודת שטח של גוף שחור פרופרציונלי לחזקה הרביעית של הטמפרטורה. כלומר, גוף חם יותר מפיק הרבה יותר אנרגיה תרמית מכל יחידת שטח.


לחץ הקרינה של השדה הקרינתי שווה באופן פשוט לשליש מצפיפות האנרגיה שלו. תוצאה זו קשורה גם לגז רדיאטיבי במכניקת גזים.


במעבדה ובתעשייה בוחנים מקורות שמדמים גוף שחור. נורת להט היא מקור קרוב לגוף שחור בתחום הנראה והתת־אדום. קיימים גופים שחורים מלאכותיים בעלי חרוט פנימי מצופה שחור; פתח קטן בחרוט מתנהג כבולע כמעט מושלם. יש גם לוחות מצופים שחור לכיול מצלמות תרמיות. גופים אלה מאפשרים מדידות מדויקות של טמפרטורה ותפלוגות קרינה.

גוף שחור הוא רעיון בפיזיקה לעצם ש"סופג" את כל האור וש"פולט" אור לפי כמה הוא חם. "פליטה" זה ששלוח אור או חום החוצה. דוגמאות: השמש, נורת להט וקרינה חמה של בעלי חיים.


מדענים חיפשו נוסחאות שמתארות כמה אור נפלט מכל טמפרטורה. נוסחה אחת עבדה רק לגלים ארוכים ולא נכונה בגלים קצרים.


מקס פלאנק מצא נוסחה טובה יותר. הוא אמר שאנרגיה נפלטת במנות קטנות בשם קוונטים. קוונטום = מנה קטנה של אנרגיה. הרעיון הזה עזר להבין את העולם הקטן של חלקיקים.


אטומים וחלקיקים רוטטים כשהם חמים. התנועה שלהם גורמת לפליטת פוטונים. פוטון = חתיכת אור.


חוק פלאנק אומר איך עוצמת האור מתחלקת לפי אורכי גל. יש עקומה שמראה איפה העוצמה הכי גדולה.


חוק וין אומר: כשגוף מתחמם, צבע הפליטה שלו "זז" לכיוון גלים קצרים. כלומר, ככל שהגוף חם יותר, האור שלו נטה לכחול יותר; אם קר - נטה לאדום יותר.


רוב החומרים אינם בולעים ופולטים כמו גוף שחור מושלם. אמיסיביות = כמה טוב החומר פולטי ביחס לגוף שחור. לפעמים היא קבועה לטווח קטן של גלים.


חוק זה אומר: גוף חם מפיק הרבה יותר אנרגיה מכל שטח, בהשוואה לגוף קר יותר.


יש מכשירים שמדמים גוף שחור למעבדה. אחד מהם הוא חרוט פנימי מצופה שחור. פתח קטן בחרוט מתנהג כמעט כמו גוף שחור אמיתי. משתמשים בהם לכיול מצלמות ולמדידות טמפרטורה.