إشعاع الجسم الاسود و قانون فين

مقدمه    

 * كيف نرى الاجسام ..........؟

الجسم المنفذ الشفاف 

الاجابه   ينفذ منه معظم الضوء (المرئى) على حسب درجة نقاءه  

       

الجسم المنفذ الملون  

الاجابه يمتص جميع الالوان عدا لونه ( أى انه يسمح بنفاذ لونه فقط )   فنراه بلونه ( مثلا زجاجه صفراء ينفذ منها اللون الاصفر فقط فنراها باللون الاصفر بينما تمتص الزجاجه باقى الالوان)    

       

الجسم المعتم الملون    

الاجابه يمتص جميع الالوان  ولا يعكس الا لونه فقط فنراه بلونه (مثلا حجر أزرق يمتص جميع الالوان ويعكس منها اللون الأزرق فقط فنراها باللون الأزرق بينما يمتص الحجر باقى الالوان)     

      

الجسم المعتم الأبيض 

الاجابه  لا يمتص أى لون بل يعكسها كلها فنراها بيضاء ( طبعا لان الضوء الابيض يتكون أساسا من الوان الطيف )     

             

الجسم المعتم الأسود   

الاجابه  يمتص جميع الالوان  ولا يعكس أى لون فنراه مظلم ( اسود )                           

علل :-ما بداخل تجويف مغلق به ثقب صغير يبدو اسود ؟

لان الاشعاع يظل محصورا بداخل التجويف من كثرة الانعكاسات الجزء الاكبر من الاشعه يمتص ولا يخرج منه الا جزء صغير فنراه مظلم ( اسود )       

                    

هل تشع الاجسام المشعه طول موجى واحد أم العديد من الاطوال الموجية؟ وهل تشع هذه الاطوال الموجيه بنفس المقدار  ؟؟          

الاجسام التى يخرج منها اشعاع تكون إما متوهجة فيصدر منها اشعاع ضوئى وحرارى (مثل الشمس) وإما غير متوهجة فيكون معظم الاشعاع الصادر منها اشعاع حرارى ( مثل الارض)

وقد توقعت الفيزياء الكلاسيكيه

1--- الطاقة الإشعاعية الكلية تتناسب طردياً مع ( درجة حرارة الجسم المطلقة مرفوع لأس 4 ) وهو ما يسمى بقانون استيفان بولتزمان                     

   E  a T⁴

E  = s T⁴

حيث  s  

  هو ثابت ستيفان  وهو يساوى                      5.67×10⁸ Watt/m²K⁴     

  

2--  اختلاف شدة الاشعاع مع الطول الموجى حيث أنها اعتبرت الاشعاع موجات كهرومغناطيسية وبالتالى فان شدة الاشعاع تزداد بنقص الطول الموجى (او زيادة التردد)  

ولكن عندما توفرت الاجهزه المستخدمه لقياس شدة الاشعاع, تبين عمليا أن المنحنى الذى يوضح تباين شدة الاشعاع مع اختلاف الطول الموجى كما يلى 

والمنحنى التالى يوضح مقارنه بين التوقع الكلاسيكى والمنحنى الفعلى لاختلاف شدة الاشعاع مع الطول الموجى

علمنا من الشكل السابق أن شدة الاشعاع تختلف مع الطول الموجى(او التردد)  لكن الفيزياء الكلاسيكيه لم تستطيع تفسير الجزء الايسر من المنحنى بسبب تناقص شدة الاشعاع بشكل غير متوقع

ويعتبر الجسم الاسود حالة مثاليه إفترضها بلانك لكى يفسر التناقص الكبير فى شدة الاشعاع عند الترددات العاليه جدا 

والجسم الاسود مثالى فى اصدار وامتصاص الاشعاع وهو غير موجودة فى الطبيعة ولذلك سميت الظاهره بإسمه ظاهرة  إشعاع الجسم الاسود

الجسم الاسود  

 جسم يمتص جميع ما يسقط عليه من أطوال موجيه ( ممتص مثالى )ثم يعيد بثها مره أخرى بطريقه مثاليه (باعث مثالى)     

علل :- الضوء الصادر من المصادر المشعة يكون متغير ؟

لان المصدر المشع لا يشع كل الاطوال الموجية بنفس المقدار بل تختلف شدة الاشعاع مع الطول الموجى كما ان الطول الموجى المصاحب لاقصى شدة اشعاع (_mλ(  يتناسب عكسيا مع درجة الحرارة الكلفينية للمصدر حسب قانون فين .

- قانون فين                    _{m1 .}  T₁      =    λ_{m2 .} T₂λ  

الطول الموجى المصاحب لاقصى شدة اشعاع(_mλ(يتناسب عكسيا مع درجة الحرارة الكلفينية للمصدر المشع

علل - عند تسخين جسم(بزيادة درجة الحرارة)يتحول اللون السائد من الاحمر الى الاصفر ثم الى الازرق

لانه طبقا لقانون فين يقل الطول الموجى المصاحب لاقصى شدة اشعاع بزيادة درجة الحرارة فيتحول اللون من الاحمر (طول موجى كبير ) الى الازرق (طول موجى صغير ) تدريجيا


وبالمثل
 فإن اللون السائد لكل نجم  يعتمد أساسا على درجة الحرارة المطلقه للنجم 
 ولذلك فإن الشمس التى تصل درجة الحراره على سطحها الى ما يقارب الــ 6000 درجه كلفينيه  يقارب لون ضوئها الغالب الى اللون الاصفر وهذا لاينفى وجود الوان اخرى 

**   درجة حرارة الحممم البركانية يمكن معرفتها من خلال لون الحمم. وهذه النتائج تكون صحيحة فى مدى معين من درجات الحرارة من  1000 حتى 1200  درجة سيليزية   

اهمية دراسة الاشعاع الصادر من الاجسام المختلفة 

( التصوير الحرارى للاشعاع الصادر من الاجسام )    

1-  فى الطب (مثل الاورام والاجنة )

2-تطبيقات عسكرية(اجهزة الرؤية الليلية)لرؤية الاجسام فى الظلام بفضل ما تصدره من حرارة .

لاحظ أن زجاج النظاره شفاف (منفذ ) للضوء المرئى ولكن غير منفذ للحراره والعكس فى حالة الكيس الاسود

3- تصوير سطح الارض (لتحديد الثروة الطبيعية) باستخدام الاشعة فى مناطق الطيف المختلفه

عن طريق الاقمار الصناعية وبعض الاجهزه المحموله جوا أو من سطح الأرض     (  الاشعه تحت الحمراء 

– ضوء مرئى –           ميكرومترية{بأجهزة  الرادار}  )

4-اكتشاف الادله الجنائية(باستخدام تفنية الاستشعار عن بعد)

حيث يبقى الاشعاع الحرارى لشخص (جسم) فترة بعد انصرافه

منحنى بلانك

     هو منحنى يوضح العلاقة بين شدة الاشعاع والطول الموجى للطيف المنبعث عند درجات حراره مختلفه

وجد بلانك أن هذا المنحى يتكرر مع جميع الاجسام الساخنه 

 ملاحظات على المنحنى السابق 

إشعاع	T	mλ	المدى الذى تقع فيه mλ		الطيف الكلى الناتج
الشمس	6000°k	mμ 0.5	ضوء مرئى	10%اطياف اخرى		50% تحت حمراء		40% ضوء مرئى
المصباح	3000°k	mμ  1	تحت الحمراء	80% تحت حمراء			20%ضوء مرئى
الارض	300°k	mμ  10	تحت الحمراء	100% تحت حمراء

متى تقترب شدة الاشعاع من الصفر؟

1_عند الاطوال الموجية الكبيره جدا  

2_عند الاطوال الموجية الصغيره جدا

علل  عدم رؤية الاشعاع الصادر من الارض ؟

لان الارض جسم غير متوهج فهى تمتص اشعة الشمس وتعيد إشعاعه مره اخرى ولذلك فتكون درجة حرارة الارض منخفضه  فتكون الاشعاعات الصادرة منها ذات اطوال موجية كبيرة ( فى منطقة الاشعة تحت الحمراء)غير المرئية حسب قانون فين

                                                        

كيف استطاع بلانك تفسير ظاهرة الجسم الاسود ؟ 

-فروض بلانك-

1- الاشعاع يتكون من وحدات او دفقات صغيرة من الطاقة تسمى كل منها كوانتم ( كم ) او فوتون طاقتة ( E=hʋ  ) , حيث h  ثابت , ʋ التردد  

2- بزيادة تردد الفوتونات تزداد طاقتها ويقل عددها عند ثبوت الطاقة الكلية  

3- لا يصدر اشعاع من الذرات طالما كانت مستقرة فى مستوى طاقة واحد (غير متذبذبة)

4- تصدر الفوتونات نتيجة تذبذب ذرات الجسم المشع

5-طاقة الذرات المتذبذبة منفصلة وليست متصلة وانما مكماة وتاخذ مستويات الطاقة قيم   (E=nhʋ)

6-عند انتقال الذرة من مستوى طاقة اعلى الى مستوى طاقة اقل يصدر فوتون طاقتة    ΔE=hʋ=E₂- E₁ 

7- يتالف الشعاع  الصادر من بلايين الفوتونات فلا نلاحظها منفصلة ولكن نلاحظ خواص الاشعاع ككل,( الخواص الموجية) رغم ان العين قادرة على الاحساس حتى بفوتون واحد ساقط عليها

علل :-

ظاهرة اشعاع الجسم الاسود تثبت وجود الفوتونات ؟

لانها توضح ان الاشعاع يتكون من وحدات او دفقات صغيرة من الطاقة تسمى كل منها كوانتم ( كم ) او فوتون

**معلومة إضافيه  

يعتقد بعض العلماء أن الثقب الاسود يعتبر جسم اسود تماما حيث انه يمتص جميع الاشعه الساقطه عليه   وهو مايسمى إشعاع هوكينج