Karacisim yasaları
Bir kara cisim’in (soğurganlığı son derece yüksek bir cisim) özelliklerinin anlaşılması, güneşin sıcaklığından ve kara renkli bir giyeceğin insanı açık renkli bir giyecekten daha sıcak tutuşuna kadar birçok olayın anlaşılmasında önem taşır. Ayrıca fizikçiler, maddenin ve ışığın yapısal özelliklerindeki bilgilerini derinleştirmede, karacisim özelliklerini araştırır ve kullanırlar.
Işınım Enerjisi
Karacisim özelliklerinin incelenmesinden önce, bazı tanımlar iyice anlaşılmalıdır. Bunlardan biri olan ışınım enerjisi tanımını böyle bir deneyle anlatabiliriz.
Havası boşaltılmış ve böylece içinde vakum yaratmış bir kap (dışardan ateş tuğlalarıyla yalıtılmış) düşünelim. Kap, önceden belirlenen bir sıcaklıkta, sözgelimi 600°C ta ısıtılır. Sonra bu sıcaklıkta bozunmayacak bir cismin büyük bir parçası, ince bir telle kabın ortasına asılır. Bu parça kaptan daha sıcak ya da soğuksa, kısa bir sürede sıcaklığı kabınkine eşit hale gelecektir. Sıcaklık ne hava ile (cisim vakumda olduğundan); ne de telle (bu kadar fazla sıcaklığı çabucak iletemeyeceğinden) bir yere gidebilir. Sıcaklık ışınım yoluyla iletilir (kabın çeperlerinden ışığın yayıldığı yolda yayılan enerji) ve kapta asılı cisim tarafından soğurulur. Cisim ve kap ısısal olarak dengeye gelseler de, bu ışınım enerjisi değişimi durmaz. Enerji, çeperlerden yayılmayı sürdürür ve cisme çarpar. Bu kez, bu enerjinin bir bölümü soğurulur, bir bölümü de çeperlere doğru geriye yansır. Enerjinin ne kadarının soğurulduğu, cismin yüzdeleriyle gösterilen soğurma gücüne bağlıdır. Yüzde 25 soğurma güçlü bir cisim, ona çarpan enerjinin yüzde 25′ini soğurur. Cisim ve kap ısısal denge içindeyken, cisim soğurduğu kadar enerjiyi yayınlar. Cisme çarpan enerji toplamına A, cismin soğurma gücüne a ve cisimden yayınlanan enerjiye E dersek, olayın matematiksel denklemi aşağıdaki gibi olur:
aA = E
Bir cismin çeperleriyle onu çevreleyen ortam arasındaki ışınım ısısı alışverişi (a) kadarsa, örnek cisimle çeperler arasındaki enerji değişimi hızının büyüklüğünü a belirler.
Pekçok Cismin Rengi Gösterdiği Renk Değildir
Yukarda açıklanan olaylar ısısal enerjinin soğurumu, yansıması ve ışınımı olaylarını kapsar. Bu açıklamalar ışık enerjisine de uygulanabilir. Gerek ısı, gerek ışık durumunda/ ana öğe, dalga boyuna dayanan elektromagnetik bir dalgadır.
Gözle görülebilir ışınımların (ışık) çok küçük bir miktarı, insan gözü tarafından seçilebilir.Gözle görülebilir ışınlar herhangi bir yapma ışık kaynağından çıkan ışınım miktarının son derece küçük bir bölümünü oluşturur; bunların içinde kırmızı üstü sıcaklıktaki bir kaynaktan çıkan ışınımlar yoktur. Göze kara görünen yüzeyler pratikte, görülen ışınlar kadar, görünmez ışınları da çok iyi soğururlar. Termopil ya da kolometre gibi ışınım bulucu yada ölçücü aygıtların duyarlılıkları, görülebilir ışıklarınkinden yaklaşık 100 kez büyük dalga boyu aralığındaki tüm ışınımların soğurulmasına bağlıdır. Bu gibi aygıtların ölçüm yapan duyarlı yüzeylerinin mutlaka metalden ve ışınım soğuruculuğunun çok zayıf olması gerekir. Soğurmanın elden geldiğince eksiksiz olması için, bu duyarlı yüzeyler kandil isi yada benzeri bir şeyle kaplanırlar.
Kandil isi (duman isi) çok çok küçük karbon tanecikleri kapsadığından, her zaman tipik bir karacisim örneği olarak ele alınmıştır. Karacisimlerin çoğu, kara renklerini yapıştırıcı bir ortamda gömülü karbon taneciklerinin varlığına borçludurlar. (Karacisimler bile, cilalandıklarında yada parlatıldıklarında, bir miktar ışık yansıtırlar.)
Gelen ışığın tümünün soğurulması istenen bilimsel deneylerde, yüzey yansıması elden geldiğince önlenmelidir. Bu nedenle teleskoplar, mikroskoplar ve kameralar gibi optik aygıtların iç yüzeyleri, görüntüyü karartacak ya da bulandıracak iç yansımalardan korumak için, matlaştırıcı kara bir vernik tabakasıyla kaplanır. Böylece, gelen ışınımın yüzde 98′ine eşit bir soğurma elde edilebilir; ancak, yüzde oranında yapılabilecek kusuru kestirmek ve oranın tüm dalga boyları için aynı olduğuna güvenmek son derece güçtür.
Yukarda açıklanan matematiksel yasadan anlaşılacağı gibi, büyük miktarda ışık ya da ısı soğuran bir cisim, çok az miktarda bir ışık ya da ısı yansıtır (a katsayısı l’e yaklaştıkça yansıma miktarı düşer). Tersine yalnızca küçük bir miktar ışık ya da ısı soğuran bir cisim, büyük miktarda ışık ya da ısı yansıtacaktır.
Deneyler bir cismin renginin soğurma gücünü etkilediğini göstermiştir. Koyu renk giysiler, açık renklilerden daha sıcak tutarlar. Yazlık giyeceklerin beyaz ya da açık pastel renklerde, kışlıkların ise çoğunlukla koyu ya da siyah renkte olmalarının nedeni budur. Bu öğe birçok alanda kullanılmıştır. Buz tutan kentlerde buzlar çok hızlı oluşuyorsa, erimelerine yardım için üstlerine koyu nesneler (kandil isi gibi) serpilir. Bir vakum şişesi de, bu olaydan nasıl yararlanıldığına iyi bir örnektir. Böyle bir aygıt, metal bir koruma kutusu içine yerleştirilmiş çift çeperli cam bir şişeden oluşur. İki cam çeper arasında, kabın dışına sıcaklığı taşıyamayacak biçimde bir vakum yaratılır. Işınım yoluyla ısı taşınmasını önlemek için, cam şişenin yüzeyleri gümüşle kaplanmıştır. Gümüşün düşük soğurma gücü, şişenin dışına hızlı ısı kaçışını önler.
Deneysel Kanıtlama
Aşağıdaki deney şunu kanıtlamıştır: Yansıtma gücü yüksek, ama soğurma gücü düşük cisimler, çok fazla soğurma yayamayacaklarından, önemli miktarda ışınım enerjisi yayınlayamazlar; oysa yansıtma gücü düşük, ama soğurma gücü yüksek cisimler, önemli miktarlarda enerji yayınlarlar. Yüksekçe iki küçük bakır kütlesinden biri e krom, öteki siyah bakırla kaplanmış olsun. Kütleler 700°C’tan daha çok olmayan bir düzeyde ısıtılmış bir fırına yerleştirilir. Her iki kütle fırın sıcaklığına gelince, krom k kaplı kütlenin yok denebilecek ya da ancak fark edilebilecek zayıf bir ışık yayınladığı, siyah bakır kaplı kütlenin ise donuk bir kırmızı ışık yayınladığı görülür. Uzay araçlarında, uzay gemisi içindeki ışınım ısısını denetlemek için, çoğunlukla siyah ve beyaz kaplanmış yüzeyler kullanılır.
Karacisim
Bazı cisimlerin soğurma güçleri yüzde 100′e varır. aA = E denklemine göre de, yayınım güçleri çok yüksektir. Soğuk olduklarında, insan gözüyle görülemeyen dalga boyunda bir ışınım enerjisi salar ve kara görünürler. Güneş de böyle bir karacisimdir: Dışardan aydınlatılabilseydi, herhangi bir şey yansıtmazdı. Kirchhoff boşluğu (oylumu) denen ve hemen kusursuz bir karacisim sayılan şey görülmektedir. Bu, çeperi delinmiş bir kaptır. Delikten giren ışık, içindeki bir noktayı ısıtır ve ancak delikten geçen küçük bir bölümünü dışarı yansıtır. Böylece, hemen hemen tüm ışınım enerjisi soğurulmuş olur. Kirchhoff boşluğu adını, ışınım enerjisinin kuramsal yasalarını ilk kez açıklayan Alman fizikçisi Gustav Kirchhoff’tan almıştır. Açıklaması şöyledir: iç yüzeyinin rengi ne olursa olsun, iyi bir karacisim, aynı sıcaklıkta, aynı ışınımları yayar.
Karacisim Işınımı
Bir karacismin yaydığı ışınımın incelenmesi, birçok önemli bilimsel bulgulara ve uygulamalara yol açmıştır. Bu açıdan, karacisim ışınımı çalışmalarının sonuçları, renge bakılmaksızın genelleştirilebilir. Bir karacisme benzer biçimde davranan herhangi bir cisim, siyahtır. Bir cismin koyuluğu, karacisimdeki gibi ışıma ve soğurma özelliklerine bağlıdır.
Yapılan deney sonuçlarının dikkatle incelenmesi, karacisim ışınımının birkaç önemli temel özelliğini ve bunlar üstündeki bazı uygulamaları ortaya koymuştur. İlk özellik şudur: Işınımların salındığı sıcaklık yükseldikçe mor ucun tayfı daha başat olur. Bu özellik renge dayanarak ısı ölçümüne olanak sağlar. Fırınların ve erimiş maden sıcaklıklarının uzaktan ölçümünü saptayan optik pirometre aygıtı, bu özelliğe dayanan bir uygulama örneğidir. En yaygın optik pirometre tipi, küçük bir teleskop görünümündedir, içinde denetlenebilen bir akımla ısıtılmış bir elektrik lambası vardır. Denetim ışınım yüzeyinin parlaklığına eşlendirilen lambaya ayarlanmıştır. Sıcaklıklara göre işaretlenmiş bir ölçekten, lamba rengine göre dereceler okunur.
Buharlaştırılmış ve aşırı yüksek sıcaklığa tutulmuş herhangi bir cismin davranışı da karacisim gibidir. Bu özellik, nükleer savaş başlıklarının, insan gözüyle görülemeyen ı-şınımları duymalarını sağlayan «göz» denen aygıtlarla donatımında kullanılmıştır. Daha da çarpıcı bir kullanımı gökbilimdedir. Uzak yıldızlar da karacisim özellikleri gösterirler; böylece, yıldızın yalnızca sıcaklığı değil, içinde oluşan olaylar da, yıldızlardan çıkan ışınımların incelenmesiyle belirlenebilir. Güneş ışınımı dünya atmosferinin dış yanına yaklaştığında, 5800′K°deki bir karacisminkine benzer niteliktedir ve şu etkin değerleri kapsar: Mor-ötesinde yaklaşık 0,2 pim dalga boyundan, kızılötesinde yaklaşık 0,3 um dalga boyuna kadar genişleyen bir tayf; görülebilen bölgede en büyük değeri 0,5 µ’a yaklaşan enerji. Güneş gibi bir kaynağın karacisim ışınımı, bir karacismin aynı şiddete ışınım yayınlayacağı düzeydeki sıcaklıktır.
Karacismin ışı tayfının incelenmesi de, insan gözü için bir renk baskın durumda olsa bile, herhangi bir sıcaklıktaki karacismin tayfının görünür ve görünmez birçok değişik dalga boylarını kapsadığını ortaya koymuştur. Sözgelimi, 500C’ta koyu kırmızı olarak yanan bir karacisim, değişik dalga-boylarında birçok elektromagnetik dalga yayınlar.
Karacisim Işınımı İle Sıcaklık Arasındaki Bağ
Karacisim ışınımının sonuncu özelliği, yayınlanan ışınımın toplam değerinin sıcaklığa oranla daha çabuk yükselmesidir. Sıcaklığı bir kat artırma, ışınım şiddetini onaltı kat çoğaltır. Bu olayın bir örneği —ters çevrilmiş olarak— güçlü bir lambanın söndürülmesinde her zaman görülebilir. Kuşkusuz lamba filamanının parlaklığı, tümüyle kararıncaya kadar (önce çok hızlı, sonra daha yavaş ve daha yavaş) azalacaktır. Bu olaya dayanan gelişme yasası, sıcaklığın azalmasıyla orantılı değildir.
Söz konusu gelişme yasasını, 1879’da Avusturyalı fizikçi Josef Stefan ortaya koymuştur: Sıcak bir cismin (karacisimin) toplam ışınımı, mutlak sıcaklığının dördüncü kuvveti oranındadır.
Dördüncü kuvvet yasasının en eksiksiz doğrulaması 1897′de de yapıldı. Önce, bir kolometre düzenlemek için bir karacisim buharla 100 °C’a ısıtıldı. Işınım kaynağı, 200°C tan 600°C’a kadar hazırlanmış tuz banyosunda ısıtılmış bir bakır küreden oluşan bir karacisimdi. Bir de, bir gaz ortamı içinde 600°C’tan 1250°C’a kadar ısıtılan demir bir silindir alınmıştı. Yüksek düzeyli bir civa termometresi ile ve bir sıcaklık piliyle alınan sıcaklık dereceleri, bir gaz termometresiyle doğrudan karşılaştırılan gaz ölçeğini doğruladı. Gaz ölçeği 1150°C’a çıkmıştı. Bu incelemenin temel deneysel güçlüklerinden biri, ölçülecek ışınım şiddeti değişikliğinin, geniş bir alanda olmasıydı; 1250°C’tan 100°C’a kadar bir alanda, yaklaşık
450 kata çıkıyordu. Deneyciler aşırı derecede duyarlı bir bolometre ve normal koşullarda 336 mm sapma verebilecek nitelikte bir galvanometre kullandılar. Işınım demeti de, 100°C’taki karacisimden 633 mm uzaklıkta, 16 mm kareydi. Daha yüksek şiddetler için, kolomelrenin kaynaktan uzaklığını değiştirerek duyarlığı ve kolometre devresindeki akımı belli bir oranda azaltmak yararlıdır. Bu durumda, bağıl şiddetlerdeki sonuçlar, dördüncü kuvvet yasasına uygun olarak, gözlenen derecelerin yüzde bir ortalamasına karşılık gelir. Yasa, gaz termometresi ve sıcaklık pilinde 1500°C’ta, kolometrelerde ise 250°C’ta doğrulanmıştır.
Termodinamik kurallardan yola çıkarak yasayı 1884 yılında ortaya koyan Avusturyalı fizikçi Ludvvig Boltzmann’ın adından, dördüncü kuvvet yasasına Stefan Boltzmann yasası da denmektedir.