Kara cisim ışıması, kuantum fiziğinin doğuşuna zemin hazırlayan temel konulardan biridir. Bu ünitede, ideal bir kara cismin sıcaklığına bağlı olarak yayımladığı elektromanyetik ışınım ele alınır. Klasik fiziğin açıklamakta yetersiz kaldığı bu ışınım dağılımı, Planck’ın kuantum enerji fikri ile anlam kazanmıştır. Ayrıca Wien ve Stefan–Boltzmann yasaları aracılığıyla sıcaklık, dalga boyu ve yayılan enerji arasındaki ilişkiler matematiksel olarak incelenir. AYT Fizik sınavında genellikle bilgi düzeyi yüksek, yorum ve hesaplama gerektiren sorularla karşımıza çıkar.
Kara cisim ışıması, modern fiziğin doğuşuna öncülük eden en önemli deneysel gözlemlerden biridir. Işıma yapan ideal bir cismin (kara cisim), sıcaklığına bağlı olarak yaydığı elektromanyetik ışınım incelenir. Klasik fizik bu ışımayı açıklamada yetersiz kalınca, kuantum kuramı devreye girmiştir. Max Planck, kara cisim ışımasını açıklamak için enerji kuantumlarını ortaya atarak kuantum fiziğini başlatmıştır.
Bu konu; Planck sabiti, kuantum enerji paketleri, ışınım spektrumu, klasik ve kuantum yaklaşımı gibi kavramları içerir ve modern fiziğin temelleri arasında yer alır. AYT’de genellikle bilgi düzeyinde yorum soruları olarak karşımıza çıkar.
🔹 Kara Cisim Nedir?
Kara cisim, üzerine düşen tüm elektromanyetik ışımayı yutan ve hiçbirini yansıtmayan ideal bir modeldir. Gerçekte mükemmel kara cisim yoktur; ancak çok yaklaşan örnekler laboratuvar ortamında oluşturulabilir.
🔹 Kara Cisim Işıması Nedir?
Isıtılan bir kara cismin yaydığı ışınım, sıcaklığa bağlı olarak değişen sürekli bir spektrum oluşturur. Bu ışınım:
-
Düşük sıcaklıklarda kızılötesi dalga boylarında yoğunlaşır.
-
Sıcaklık arttıkça görülebilir ışık aralığına kayar.
-
Spektrumun maksimum şiddeti dalga boyuna göre yer değiştirir.
🔹 Wien Kayma Yasası
Maksimum ışıma yapan dalga boyu, sıcaklıkla ters orantılıdır:
-
λmax: maksimum şiddette ışımanın dalga boyu (m)
-
T: Mutlak sıcaklık (Kelvin)
-
: Wien sabiti
🔹 Stefan–Boltzmann Yasası
Toplam yayılma şiddeti (ışınım gücü), sıcaklığın dördüncü kuvvetiyle orantılıdır:
-
P: yayılan enerji (W)
-
A: yüzey alanı
-
T: sıcaklık (K)
-
🔹 Planck ve Kuantum Kuramı
Klasik fizik kara cisim ışınımını açıklamakta başarısız oldu. Özellikle kısa dalga boylarında ortaya çıkan ultraviyole felaketi klasik teoriyi geçersiz kıldı.
Max Planck‘ın çözümü:
-
Enerji, sürekli değil, paketler (kuantalar) hâlinde yayılır.
-
Enerji formülü:
Burada h: Planck sabiti, f: frekans
Bu yaklaşım, kuantum fiziğinin başlangıcını oluşturdu.
Soru: Bir kara cismin sıcaklığı 6000 K’dir. Wien yasasına göre bu cismin en yüksek şiddette ışınım yaptığı dalga boyu yaklaşık kaç nanometredir?
Çözüm:
Yanıt: 483 nm
Kara Cisim Işıması – 10 Soruluk Test
1. Kara cisim ışıması hangi fiziksel olayla açıklanamaz?
A) Zaman genişlemesi
B) Işıma spektrumu
C) Planck sabiti
D) Kuantum enerji düzeyleri
E) Wien yasası
2. Bir kara cismin sıcaklığı arttıkça, yayılan ışınımın maksimum şiddetle olduğu dalga boyu ne olur?
A) Artar
B) Azalır
C) Sabit kalır
D) Önce artar sonra azalır
E) Değişmez
3. Aşağıdakilerden hangisi kara cisim ışımasını açıklamada klasik fiziğin yetersiz kaldığı sorunu tanımlar?
A) Termodinamik çelişkiler
B) Ultraviyole felaketi
C) Isı iletim katsayısı
D) Elektron sıçraması
E) Gauss yasası
4. Planck’ın kuantum kuramında enerji neye bağlıdır?
A) Hız
B) Dalga boyu
C) Frekans
D) Alan
E) Yoğunluk
5. Aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur?
A) Tüm cisimler kara cisimdir.
B) Kara cisim, tüm ışığı yansıtandır.
C) Kara cisimler elektromanyetik ışımayı hiç yapmaz.
D) Kara cisim tüm ışınımı soğurur.
E) Kara cisimler sadece kızılötesi ışık yayar.
6. Stefan–Boltzmann yasasına göre, ışınım gücü hangi fiziksel büyüklüğe dördüncü dereceden bağlıdır?
A) Kütle
B) Zaman
C) Sıcaklık
D) Dalga boyu
E) Alan
7. Bir cismin sıcaklığı 3000 K iken maksimum ışınım dalga boyu 966 nm’dir. Sıcaklık 6000 K yapılırsa bu dalga boyu ne olur?
A) 1932 nm
B) 1449 nm
C) 966 nm
D) 483 nm
E) 322 nm
8. Kara cisim ışıması konusu hangi bilim insanı tarafından kuantum fiziği ile açıklanmıştır?
A) Newton
B) Galileo
C) Planck
D) Einstein
E) Faraday
9. Bir cismin yaydığı toplam enerji, sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle doğru orantılıysa bu ilişki hangi yasayla açıklanır?
A) Wien yasası
B) Planck yasası
C) Stefan–Boltzmann yasası
D) Ohm yasası
E) Newton yasası
10. Kara cisim ışımasının gözlemlendiği bölgeler aşağıdakilerden hangisiyle doğru sıralanmıştır?
A) Morötesi → Görünür ışık → Kızılötesi
B) Kızılötesi → Görünür ışık → Morötesi
C) X-ışını → Kızılötesi → Mikrodalga
D) Morötesi → Mikrodalga → Radyo dalgası
E) Görünür ışık → Kızılötesi → Mikrodalga
✅ Cevap Anahtarı
-
A
-
B
-
B
-
C
-
D
-
C
-
D
-
C
-
C
-
B