تبعث الأجسام التي تعلو درجة حرارتها عن درجة حرارة الصفر المطلق (-273.15 سيليزية) الطاقة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي. يُعرف الجسم الأسود بأنه جسم افتراضي يمتص الإشعاعات التي تسقط عليه دون أن يعكس أيًا منها. لذلك هو جسم افتراضي مثالي الامتصاص ومثالي الانعكاس لجميع الإشعاعات وبجميع الأطوال الموجية. يعتمد التوزيع الطيفي للطاقة الحرارية المشعة بواسطة الجسم الأسود (نمط شدة إشعاع الجسم الأسود على نطاق من الأطوال الموجية والترددات) على درجة حرارته فقط.
ينحني إشعاع الجسم الأسود عند درجات حرارة مختلفة
يمكن وصف خصائص إشعاع الجسم الأسود بصيغة بضعة قوانين:
● قانون بلانك؛ وهو معادلة لتحديد الكثافة الطيفية لطاقة الإشعاع عند طول موجي معين (Eλ) ودرجة حرارة مطلقة محددة (T).
● قانون إزاحة وين – Wein’s displacement؛ والذي ينص على أن تردد الحد الأقصى للانبعاث يزداد خطيًا بزيادة درجة الحرارة المطلقة (T) والعكس صحيح، فعندما تزداد درجة حرارة الجسم يقل الطول الموجي للحد الأقصى للانبعاث.
● قانون ستيفان – بولتزمان؛ والذي يربط الطاقة الكلية المنبعثة (E) بدرجة الحرارة المطلقة (T).
لاحظ في الصورة أعلاه:
● لمنحني إشعاع الجسم الأسود شكل معقد (وُصف عبر قانون بلانك).
● يتوافق المنحني الطيفي بدرجة حرارة محددة مع طول موجي محدد، والعكس صحيح.
● يقل الطول الموجي الأقصى بزيادة درجة حرارة الجسم الأسود (قانون وين).
● تزداد الشدة (أو الفيض) عند كل الأطوال الموجية بزيادة درجة حرارة الجسم الأسود.
● تزداد الطاقة الكلية المشعة (المساحة تحت المنحني) بصورة سريعة بزيادة درجة الحرارة (قانون ستيفان – بولتزمان).
● تنبعث الطاقة نظريًا عند جميع الأطوال الموجية وعند أي درجة حرارة فوق الصفر المطلق (منحنيات إشعاع الجسم الأسود لا تصل إلى الصفر أبدًا)، بالرغم من أن الشدة قد تصبح قليلة جدًا عند الأطوال الموجية الطويلة أو القصيرة جدًا.
في علم الفلك، تعتبر النجوم غالبًا أجسامًا سوداء بالرغم من كونها مقاربة غير جيدة دائمًا، يمكن استخلاص درجة حرارة النجم من الطول الموجي الأطول في منحني الانبعاث.
في العام 1965، اكُتشِف إشعاع الخلفية الميكروي (CMBR) من قبل العالمين بينزياس – Penzias وويلسون – Wilson اللذين حازا على جائزة نوبل فيما بعد تقديرًا لعملهما.
قيسَ الإشعاع الطيفي بواسطة القمر الصناعي COBE ووُجِد أنه يطابق بشكل لافت للنظر منحني الجسم الأسود بدرجة حرارة 2.725 كلفن، واعتُمد كدليل على أن الكون كان يتوسع ويبرد منذ لمدة 13.7 مليون سنة.
قاست إحدى البعثات الحديثة وهي WMAP التفاصيل الطيفية بدقة عالية، ملاحظةً تقلبات حرارية طفيفة في بداية نشوء الكون قادت في النهاية إلى معرفة هذه البنية ذات النطاق الواسع التي نشاهدها اليوم.
اقرأ أيضًا:
فيزيائيون يقتربون من الحصول على برهان رياضي لأغرب نظريات هوكينغ
ترجمة: رياض شهاب
تدقيق: تسنيم المنجد
