إشعاع الجسم الأسود

ما هو إشعاع الجسم الأسود؟

يشير إشعاع الجسم الأسود إلى طيف الضوء المنبعث من أي جسم ساخن؛ حيث تشمل الأمثلة الشائعة عنصر التسخين للمحمصة وفتيل المصباح الكهربائي، وتبلغ الكثافة الطيفية لإشعاع الجسم الأسود ذروتها بتردد يزداد مع درجة حرارة الجسم الباعث، وتبعث أجسام درجة حرارة الغرفة (حوالي 300 كلفن) إشعاعًا بقوة ذروة في الأشعة تحت الحمراء البعيدة؛ حيث يصل الإشعاع الصادر عن خيوط المحمصة وخيوط المصباح الكهربائي (حوالي 700 كلفن و2000 كلفن على التوالي) أيضًا إلى ذروته في الأشعة تحت الحمراء، على الرغم من أن أطيافها تمتد تدريجياً إلى المرئي؛ بينما يصدر سطح الشمس 6000 كلفن إشعاع الجسم الأسود الذي يبلغ ذروته في مركز النطاق المرئي.

في أواخر تسعينيات القرن التاسع عشر، لم تتمكن حسابات طيف إشعاع الجسم الأسود القائمة على النظرية الكهرومغناطيسية الكلاسيكية والديناميكا الحرارية من تكرار نتائج القياسات الدقيقة، وفي الواقع تنبأت الحسابات بالنتيجة السخيفة، وهي أنه في أي درجة حرارة، تزداد شدة الطيف بدون حدود كدالة للتردد.

في عام 1900، نجح الفيزيائي الألماني ماكس بلانك في حساب طيف الجسم الأسود الذي يطابق النتيجة التجريبية من خلال اقتراح أن المذبذبات الأولية على سطح جسم (لم يكن التركيب التفصيلي للمذبذبات مناسبًا) يمكن أن ينبعث ويمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي فقط في حزم مع طاقة خارجية التي تتناسب طرديا مع تردد الإشعاع، E = hf، وثابت التناسب h، الذي حدده بلانك قيمة القيمة التقريبية 6.626 × 10−34 جول ∙ ثانية.

لم يقدم بلانك أساسًا ماديًا لاقتراحه؛ إذ كان إلى حد كبير بناء رياضي مطلوب لمطابقة طيف الجسم الأسود المحسوب مع الطيف المرصود، و في عام 1905 قدم ألبرت أينشتاين تفسيرًا فيزيائيًا رائدًا لرياضيات بلانك عندما اقترح أن الإشعاع الكهرومغناطيسي نفسه عبارة عن حبيبات تتكون من كوانتا، ولكل منها hf طاقة، واستند في استنتاجه إلى الحجج الديناميكية الحرارية المطبقة على مجال إشعاع يطيع قانون إشعاع بلانك،مصطلح الفوتون الذي يطبق الآن على كمية الطاقة للضوء، صاغه لاحقًا الكيميائي الأمريكي جيلبرت إن لويس.

طبيعة اشعة الضوء:

الضوء مثل الأشعة لم يكن الفهم التفصيلي لطبيعة الضوء ضروريًا لتطوير علم عملي للبصريات وتصميم الأجهزة البصرية، بحيث بدءًا من القرن السابع عشر، وبدلاً من ذلك كانت مجموعة القواعد التجريبية التي تصف سلوك الضوء أثناء عبوره للمواد الشفافة وينعكس على الأسطح الملساء كافية لدعم التقدم العملي في البصريات، و تُعرف القواعد بشكل جماعي اليوم بالبصريات الهندسية، وتشكل نموذجًا مفيدًا للغاية، وإن كان تقريبيًا للغاية، للضوء، وتطبيقاتهم الأساسية هي تحليل الأنظمة البصرية – الكاميرات والمجاهر والتلسكوبات وشرح الظواهر البصرية البسيطة في الطبيعة.

العنصر الأساسي في علم البصريات الهندسية هو شعاع الضوء، وهو بناء افتراضي يشير إلى اتجاه انتشار الضوء في أي نقطة في الفضاء، يعود أصل هذا المفهوم إلى التكهنات المبكرة بشأن طبيعة الضوء، وبحلول القرن السابع عشر، تم التخلي عن فكرة فيثاغورس عن الأشعة المرئية منذ فترة طويلة، لكن ملاحظة أن الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة أدت بشكل طبيعي إلى تطوير مفهوم الشعاع، ومن السهل أن نتخيل تمثيل حزمة ضيقة من الضوء من خلال مجموعة من الأسهم المتوازية وحزمة من الأشعة، بحيث عندما ينتقل شعاع الضوء من وسيط إلى آخر، أو ينعكس عن الأسطح، أو يتشتت، أو يتم التركيز عليه، فإن حزمة الأشعة تتعقب كما أنها تقدم بطريقة هندسية بسيطة.

تتكون البصريات الهندسية من مجموعة من القواعد التي تحدد المسارات التي تتبعها أشعة الضوء، في أي وسط موحد تنتقل الأشعة في خطوط مستقيمة، ويتم تمثيل الضوء المنبعث من مصدر محلي صغير من خلال مجموعة من الأشعة التي تشير شعاعيًا إلى الخارج من “مصدر نقطي” مثالي، ويتم استخدام مجموعة من الأشعة المتوازية لتمثيل تدفق الضوء بكثافة موحدة عبر الفضاء؛ ومن الأمثلة على ذلك الضوء من نجم بعيد وضوء الليزر، حيث يمكن بسهولة تفسير تكوين ظل حاد عندما يضيء كائن بشعاع متوازي من الضوء من خلال تتبع مسارات الأشعة التي لا يحجبها الكائن.

ازدواجية الموجات:

يتم إنتاج نفس نمط التداخل الموضح في تجربة يونج ذات الشق المزدوج عندما تصطدم حزمة من المادة، مثل الإلكترونات بجهاز ذي شق مزدوج، وبالتركيز على الضوء، يوضح نمط التداخل بوضوح خصائصه الموجية، وينتج عن تراكب موجتين، واحدة تمر عبر كل شق في النمط في جهاز يونغ.

مع ذلك، إذا اعتبر الضوء مجموعة من الفوتونات الشبيهة بالجسيمات، فلا يمكن لكل منها المرور إلا عبر شق واحد أو آخر، و بعد فترة وجيزة من فرضية آينشتاين للفوتون في عام 1905، اقترح أن نمط التداخل ثنائي الشق قد يكون ناتجًا عن تفاعل الفوتونات التي مرت عبر شقوق مختلفة، تم استبعاد هذا التفسير في عام 1909 عندما أبلغ الفيزيائي الإنجليزي جيفري تايلور عن نمط حيود في ظل إبرة مسجلة على لوحة فوتوغرافية معرضة لمصدر ضوء ضعيف جدًا، حيث أنه كان ضعيف لدرجة كافية بحيث لا يمكن أن يوجد سوى فوتون واحد في الجهاز في أي وقت، ولم تكن الفوتونات تتداخل مع بعضها البعض؛ بل كان كل فوتون يساهم في نمط الانعراج بمفرده.

في الإصدارات الحديثة من تجربة التداخل ثنائي الشق هذه، يتم استبدال لوحة التصوير بجهاز كشف قادر على تسجيل وصول الفوتونات الفردية، ويصل كل فوتون كاملًا وسليمًا عند نقطة واحدة على الكاشف، ومن المستحيل التنبؤ بموضع وصول أي فوتون واحد، لكن التأثير التراكمي للعديد من تأثيرات الفوتونات المستقلة على الكاشف يؤدي إلى التراكم التدريجي لنمط التداخل.

بالتالي فإن حجم نمط التداخل الكلاسيكي عند أي نقطة هو مقياس لاحتمال وصول فوتون واحد إلى تلك النقطة، إن تفسير هذا السلوك الذي يبدو متناقضًا (يتقاسمه الضوء والمادة)، والذي تنبأت به قوانين ميكانيكا الكم، وقد تمت مناقشته من قبل المجتمع العلمي منذ اكتشافه قبل أكثر من 100 عام، حيث لخص الفيزيائي الأمريكي ريتشارد فاينمان الوضع في عام 1965بطريقة غير متوقعة تمامًا.
كما حلت ميكانيكا الكم الجدل طويل الموجة والجسيمات حول طبيعة الضوء من خلال رفض كلا النموذجين، ولا يمكن حساب سلوك الضوء بالكامل بواسطة نموذج الموجة الكلاسيكي أو نموذج الجسيمات الكلاسيكي، هذه الصور مفيدة في الأنظمة الخاصة بكل منها، لكنها في النهاية أوصاف تقريبية ومكملة لواقع أساسي موصوف ميكانيكيًا كميًا.