توهج الأجسام الساخنة في فيزياء الكم

تتوهج الأجسام الساخنة لأن الطول الموجي للإشعاع الحراري المنبعث من الجسم ينتقل إلى الجزء المرئي من الطيف مع زيادة درجة حرارته، ففي الواقع تصدر جميع الأجسام إشعاعًا حراريًا، لكن الجسم سيتوهج بشكل مرئي فقط إذا كانت درجة حرارته عالية بما يكفي حوالي 798 كلفن.

توهج الأجسام الساخنة في فيزياء الكم

لفهم كيف يمكن لأي جسم أن يتوهج، يجب فهم كيفية انبعاث الضوء على المستوى الذري؛ حيث يمكن اعتبار الذرة على المستوى الأساسي نواة موجبة الشحنة تتكون من البروتونات والنيوترونات التي تتكون نفسها من الكواركات وتحيط بها سحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة.

الجزء المهم من الذرة هنا هو سحابة الإلكترونات، فكل كل من هذه الإلكترونات لها طاقتها الخاصة، ولكن الاختلاف الرئيسي في المعالجة الكمومية على عكس المعالجة التقليدية هو أن للإلكترونات مستويات طاقة منفصل وعادة ما يشار إليها بـ E n، ورياضيا هناك كمية لا حصر لها من مستويات الطاقة، ولكن يمكن إعطاء كل واحدة التسمية الخاصة بها – E 1 و E 2 وما إلى ذلك، وتعني مستويات الطاقة المنفصلة أنك لن تجد إلكترونًا بطاقة بين E 1 و E 2، حيث يقال أن مستويات الطاقة كمية.

انبعاث الضوء على المستوى الذري

الآن إذا تم تسخين شيء ما فإنه يمنح الطاقة، وفي حالة وجود ذرة، يمكن أن تتسبب هذه الطاقة الإضافية في قفز الإلكترونات إلى مستوى طاقة أعلى، حيث يقال أن الإلكترونات كانت متحمسة، ومع ذلك فإن الطبيعة كسولة بطبيعتها وكل شيء يريد أن يوجد في أقل حالة طاقة ممكنة، لذلك بعد فترة قصيرة ستعود الإلكترونات إلى حالة طاقة أقل من حالتها المثارة.

يمكن وصف طاقة الفوتون بالصيغة التالية:

على افتراض أن الإلكترون في حالة الإثارة E ₂ ويعود إلى حالته الأرضية E ₁، ثم يمكن دمج هذا لإيجاد الطول الموجي للضوء المنبعث:

لذلك من منظور ميكانيكي كمي بحت للذرات الفردية يمكن الحصول على فكرة عن كيفية إطلاق الذرات للضوء عند تسخينها، حيث تتحمس الإلكترونات وتصدر فوتونات، وبالطبع جميع الأشياء اليومية مصنوعة من الذرات، لذا فهذه هي الآلية الأساسية وإن لم تكن الوحيدة التي من خلالها يصدر الجسم الضوء، وبالتالي يتوهج إذا كان الطول الموجي للضوء المنبعث في النطاق المرئي.

ومع ذلك في كثير من الحالات لن يكون الضوء المنبعث في الجزء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي، وهذه النتيجة أيضًا لا تظهر الاعتماد على درجة الحرارة للضوء المنبعث الذي نسعى إليه على وجه التحديد، حيث أن المسألة الأخرى هي أن الأشياء اليومية ليست مجرد ذرات فردية ولكنها مجموعات ضخمة من الذرات والجزيئات التي تتفاعل بطرق معقدة.

وتميل مجموعات الذرات هذه إلى التصرف بشكل مختلف عن مجرد ذرات مفردة، وعلى الرغم من أن انبعاث الضوء هو في جوهره ظاهرة ميكانيكية كمومية؛ إلا أن القصة أكثر من ذلك بكثير فقط شرح ما يحدث على المستوى الذري ليس كافياً، حيث إن مفتاح فهم سبب توهج الأجسام الكبيرة اليومية المكونة من العديد من الذرات عند تسخينها يأتي من فهم شيء يسمى إشعاع الجسم الأسود.

إشعاع الجسم الأسود ولماذا تضيء الأشياء عند التسخين

إن أي جسم تزيد درجة حرارته عن الصفر المطلق سيطلق ما يسمى بالإشعاع الحراري، وهذا يعني بشكل فعال كل كائن في الكون لأنه حتى فراغ الفضاء يكون أكثر دفئًا من الصفر المطلق، الآن يعتبر الإشعاع الحراري هو ببساطة ما يسمى الإشعاع الكهرومغناطيسي أي الفوتونات عندما يحدث هذا الإشعاع بسبب تسخين شيء ما.

لذا فإن الإشعاع الحراري هو مجرد إشعاع كهرومغناطيسي ناتج عن درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق، لذا إذا كان كل شيء يطلق إشعاعًا حراريًا، فلماذا لا يرى، إذ أنه بشكل عام سيتم إطلاق الإشعاع الحراري في جميع الأطوال الموجية الممكنة للإشعاع الكهرومغناطيسي والضوء المرئي ليس سوى جزء صغير من هذا.

لذلك، بالنسبة لمعظم الأجسام لن نتمكن من رؤية أي نوع من التوهج المرئي الناتج عن الإشعاع الحراري، ومع ذلك فإنه إذا تم تسخين جسم ما بدرجة كافية، فإنه سيبدأ في التوهج.

قانون بلانك في شرح كيف تتوهج الأشياء الساخنة

إن قانون بلانك هو النموذج الرئيسي الذي يستخدم لوصف إشعاع الجسم الأسود، ومن ثم يمكن أن نرى كيف يؤدي ذلك إلى إحداث أطوال موجية بارزة، مما يسمح بفهم سبب توهج أجسام معينة بشكل مرئي عند تسخينها بينما لا يتوهج البعض الآخر، يصف قانون بلانك الإشعاع الطيفي B (λ، T) كدالة لكل من درجة حرارة الجسم الأسود (T) والطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث (λ)، حيث أن الإشعاع الطيفي هو كمية مع وحدات غريبة من الطاقة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زاوية صلبة لكل وحدة طول موجة.

بشكل حدسي يمثل تدفق الطاقة مقدار ما يمر عبر سطح الوحدة على طول خط إشعاع في اتجاه معين، ففي حين أن الإشعاع الطيفي هو دالة ذات متغيرين، يمكن معاملته كدالة للطول الموجي λ فقط باختيار درجة حرارة ثابتة T للجسم.

كيف تؤثر درجة الحرارة على اللون

يتم تحديد لون الجسم المتوهج من خلال درجة حرارته كما هو موصوف في قانون الإزاحة الخاص بـ (Wien)، والذي ينص على أن الطول الموجي للضوء المنبعث من الجسم يتناسب عكسيًا مع درجة حرارته، لذلك تتوهج الأجسام الأكثر سخونة باللون الأزرق بينما تتوهج الأجسام الأكثر برودة باللون الأحمر والأصفر.

يمكن كتابة الطول الموجي الذروة لأي جسم أسود معين كدالة بسيطة جدًا لدرجة الحرارة:

α هنا ثابت التناسب بقيمة تقارب 2.898 × ​​10 ^-3 م  كلفن، ويسمى قانون التناسب العكسي قانون النزوح الخاص بفين، ومن قانون الإزاحة الخاص بـ (Wien)، يمكن معرفة أنه مع زيادة درجة حرارة الجسم، يتناقص الطول الموجي الذروة للإشعاع الذي ينبعث منه .

نظرًا لأن الطول الموجي الذروة يمثل الطول الموجي لغالبية الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يصدره الجسم، وبالتالي يحدد أيضًا اللون الرئيسي للجسم، يلاحظ ذلك مع ازدياد سخونة الأشياء، حيث يصبح لونها المتوهج أكثر زرقة، وإذا نظر إلى اللهب الناتج عن شمعة أو أخف، فإن الجزء السفلي الأكثر سخونة الأقرب إلى المصدر يكون أزرق والجزء  أي الأكثر برودة  على الحافة يكون أكثر باللون الأحمر.

علاوة على ذلك، هذه تصف فقط ألوان ذروة الطول الموجي للضوء الذي يصدره الجسم، وعلى الرغم من أن الطول الموجي الذروة هو الأبرز بالتالي، فإنه سيحدد اللون الرئيسي، وسيصدر الكائن أيضًا بعض الضوء بأطوال موجية وألوان مختلفة.

في أي درجة حرارة يبدأ شيء ما في التوهج بشكل واضح

يمكن الحصول على تقدير تقريبي أول من قانون الإزاحة في فيينا من خلال ملاحظة حقيقة أن الطول الموجي الأطول للضوء المرئي يبلغ حوالي 750 نانومتر، وبالتالي فإن هذا سيعطي أدنى درجة حرارة ممكنة لا يزال عندها الجسم يصدر ضوء مرئيًا، فإذا عرف ترتيب قانون الإزاحة في (Wien) لدرجة الحرارة بدلاً من ذلك وتم القيام بتوصيل 750 نانومتر كأقصى طول موجة، نحصل على:

هذا ما سيخبر به تطبيق ساذج لقانون النزوح في فيينا، لكن يمكنن تجربة أشياء كثيرة تتوهج بدرجات حرارة أقل بكثير من 3900 كلفن، لا يوجد هناك حاجة بالضرورة إلى ذروة طول الموجة الموجودة في الجزء المرئي من الطيف، حيث أخبر تطبيق قانون الإزاحة في فيينا أنه عند درجة حرارة 3900 كلفن، أن معظم الفوتونات المنبعثة ستكون حمراء بشكل واضح.

ومع ذلك، فإن العين البشرية قادرة على اكتشاف كمية صغيرة بشكل مدهش من الفوتونات، وبالتالي لا يكون هناك في الواقع إلى أن تكون معظم الفوتونات في النطاق المرئي.

يمكن الحصول على ذروة طول موجي أطول بكثير من 750 نانومتر وما يزال هناك توهجًا خافتًا، وفي هذه الحالة، ستكون الغالبية العظمى من الفوتونات في فئة الأشعة تحت الحمراء، ومع ذلك سيظل بعضها في الطيف المرئي.