يقول الناس : ارتدي اللون الأسود في الشتاء لكي يمتص الضوء و الأبيض في الصيف ليبعد الحرارة ولكن هل هذا صحيح ؟ تعتمد الأشعة المنبعثة من الجسم بالإضافة إلى درجة حرارته على عدة عوامل ؛ مثل نوع مادة الجسم ولذلك تم تعريف جسم مثالي عبارة عن جسم أسود قادر على امتصاص كافة الأشعة الساقطة عليه ، و هذا الجسم عبارة عن صندوق مجوف له ثقب صغير فإذا سقط شعاع إلى داخل الصندوق من خلال الثقب فإن الشعاع ينعكس على جدران الصندوق الداخلي حتى يتم امتصاصه بالكامل .
الجسم الأسود
- يقول علماء الفيزياء أن الجسم الأسود يمتص كل الضوء الساقط عليه ، حيث أن الضوء الساقط علي جسم أسود لا يتم انعكاسه أو انكساره بل يتم امتصاصه .
- أفضل جسم أسود هو ثقب صغير في صندوق أسود من الداخل ، لأنه عمليًا لا يمكن لأي من الإشعاع الذي يدخل من هذا الثقب أن يهرب مرة أخرى ، وسيتم امتصاصه في الداخل .
- الجسم الأسود سوف يمتص حوالي 97 في المائة من الضوء الساقط ، بينما أي جسم آخر سوف يمتص حوالي 6 في المائة فقط من الإشعاع الساقط ، مما يعكس الباقي .
- أيضًا مع انخفاض درجة حرارة الجسم الأسود ، تنخفض شدته أيضًا وتتغير أطواله الموجية و تتحول إلى أطوال موجية أطول .
- تم تقديم فكرة الجسم الأسود في الأصل من قبل جوستاف كيرشوف في عام 1860 .
- يتم تعريف الجسم الأسود بأنه يسمح بمرور كل الإشعاع الساقط إليه (لا توجد طاقة منعكسة) و يمتص داخليًا كل الإشعاع الساقط ( لا تنتقل الطاقة عبر الجسم ) .
- هذا صحيح بالنسبة للإشعاع من جميع الأطوال الموجية وجميع زوايا السقوط .
- ومن ثم فإن الجسم الأسود ممتص مثالي لكل الإشعاع الحادث .
خواص الجسم الأسود
- باعث مثالي : في كل تردد ، تنبعث الطاقة الإشعاعية الحرارية أكثر و أكثر من أي جسم أخر في نفس درجة الحرارة .
- باعث منتشر : يقاس لكل وحدة مساحة متعامدة مع الاتجاه ، و تشع الطاقة متناحية ، مستقلة عن الاتجاه .
اشعاع الجسم الأسود
- إن الجسم الأسود في درجة حرارة الغرفة العادية يظهر أسوداً كأغلب الطاقات التي تشع على شكل موجات تحت الحمراء ولكن لا يمكن إدراكها بالعين المجردة للإنسان .
- لأن العين المجردة للإنسان لا يمكنها إدراك الألوان ذات شدة الإضاءة المنخفضة .
- إن الجسم الأسود يرى في الظلام عند درجات حرارة معينة يمكن من خلالها أن يكون مرئياً و ظاهراً و واضحاً لعين الإنسان المجردة كي تدركه .
- عندما يكون الجسم في حالة حالة توازن حراري أو توازن ترموديناميكي تنطلق منه نوع من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي .
التوازن الحراري
- يتكون نظامان فيزيائيان في حالة توازن حراري إذا لم يكن هناك تدفق طاقة حرارية بينهما عندما يتم توصيلهما بمسار قابل للتسخين .
- التوازن الحراري يتبع قانون صفر للديناميكا الحرارية .
- يكون النظام في حالة توازن حراري مع نفسه إذا كانت درجة الحرارة داخل النظام متجانسة مكانياً و زمانيًا .
التوازن الترموديناميكي
- التوازن الثرموديناميكي أو التوازن الدينامي الحراري في الفيزياء والكيمياء نصف بأنه في حالة توازن ثرموديناميكي عندما يكون في حالة توازن حراري و توازن ميكانيكي (حركي) و توازن إشعاعي و توازن كيميائي .
- وعندما يكون نظام في حالة توازن ثرموديناميكي فلا يحدث فيه إنتقال للمادة أو انتقال للطاقة و لا يحدث فيه تطور للمادة و لا تحدث فيه قوى دافعة .
- فالنظام الذي في حالة توازن ثرموديناميكي لا يعتريه أي تغير عندما يكون معزولا عن الوسط المحيط به.
الاشعاع الكهرومغناطيسي
- الإشعاع الكهرومغناطيسي أو الموجات الكهرومغناطيسية هو أحد أشكال الطاقة تصدره وتمتصه الجسيمات المشحونة ، و التي تظهر سلوك مشابه للموجات في سفرها خلال الفضاء .
- للإشعاع الكهرومغناطيسي حقل كهربائي وآخر مغناطيسي ، متساويان في الشدة ، ويتذبذب كل منها في طور معامد للآخر و معامد لاتجاه الطاقة و انتشار الموجة ، حيث ينتشر الإشعاع الكهرومغناطيسي في الفراغ بسرعة الضوء .
الطيف
- يحتوي اشعاع الجسم الاسود علي خاصية مميزة له و هي الطيف الترددي أو طيف بلانك أو قانون بلانك .
- هذا الطيف يتميز بتردده المتخصص لانه في حين زيادة التردد تزداد الحرارة و لهذا فإن في درجة حرارة الغرفة ، معظم الإشعاعات المنبعثة تكون في منطقة الأشعة تحت الحمراء حيث يتراوح الطول الموجي بين 0.7 و300 ميكرومتر و يكون التردد بين 1 و400 تيراهيرتز .
- ينبعث من الجسم الأسود حزمة من الأشعة الضوئية المرئية لعين الإنسان المجردة ترى في الظلام عندما تزداد درجة الحرارة بمقدار 500 درجة سيليزيه .
قانون بلانك و الجسم الأسود
- قانون بلانك في إشعاع الجسم الأسود ينص على أن الجسم الأسود يمتص الطاقة الإشعاعية كاملة ، كما يمكن أن يطلقها أو يشعها كاملة ( أي بجميع أطوال الموجات الكهرومغناطيسية الحرارية ) .
- ولا يمكن أن يمتص الطاقة أو يطلقها إلا في هيئة أجزاء صغيرة جداً من الطاقة لا يمكن تقسيمها تسمى الكمات .
- وتقاس طاقة الإشعاع كحاصل ضرب تردد الموجة الكهرومغناطيسية في ثابت بلانك .
- ثابتة بلانك هي ثابتة فيزيائة أساسية .
- وقد وجد أن هذه العلاقة تتفق مع النتائج التجريبية بصورة ممتازة في كل مجالات الأطوال الموجية .
- لجأ بلانك لإعطاء علاقته السابقة أساسا فيزيائيا نظريا إلى الطرق الإحصائية لحساب الأنطروبية ، و لجأ إلى حساب عدد الطرق الممكنة التي يمكن أن تتوزع بها كمية معينة من الطاقة على عدد معين من الهزازات في التجويف ( الجسم الأسود ) .
قوانين خاصة بالجسم الأسود
قانون ستيفان بولتزمان
ينص القانون على أن الطاقة الكاملة المنبعثة من الجسم الأسود ( واط ) في الثانية لكل وحدة مساحة تتناسب مع القوة الرابعة لدرجة حرارة الجسم ( كلفن ) ، ويوجد تعريف آخر : “مجموع الطاقة الكلية التي تنبعث من الجسم الأسود، و مجموع أطوالها الموجية، يمكن لها أن تزداد بحسب حرارة الجسم ومساحته ، 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
ينص القانون علي أن الجسم الأسود مكون من عدد كبير من المتذبذبات المشحونة التي تتحرك حركة توافقية بسيطة وهذه المتذبذبات المشحونة تطلق أشعة كهرومغناطيسية أثناء حركتها بحيث تكون كثافة توزيع الطاقة المنبعثة من الجسم الأسود ، مساوية لكثافة الطاقة للمتذبذبات عند الإتزان الحراري. وقد وضع العالمان بناء على هذه الفرضية طبقاً للديناميكا الحرارية المعادلة التي تعطي عدد المتذبذبات لكل وحدة حجوم المسئولة عن كثافة الإشعاع عند طول موجي معين .