Kara cisim ışımasını anlamadan önce bir çok kavramlar bilinmelidir: elektromanyetik spektrum, görünür bölge, termal ışıma.
Elektromanyetik spektrum nedir?
Elektromanyetik spektrum bütün elektromanyetik dalgaları barındıran bir ölçektir. Burada en küçük dalgaboyundan en büyük dalgaboyuna veya en küçük frekanstan en büyük frekansa kadar tüm elektromanyetik dalgalar var: Radyo dalgaları, mikrodalga, kızılötesi, görünür bölge, moröte, X-ışınları, gama ışınları. Elektromanyetik spektrumu anlamak için bir denklem var:
Burada - enerji, - Planck sabiti, - frekans, - ışık hızı, - dalgaboyu.
Frekansı yüksek olan dalganın enerjisi yüksek, dalga boyu yüksek olan dalganın ise enerjisi az olur. Elektromanyetik spektrumda en yüksek dalga boyu veya en az frekansı olan dalga (dolayısıyla en az enerjiye sahip olan dalga) radyo dalgalarıdır. En az dalga boyu veya en yüksek frekansı olan dalga (dolayısıyla en yüksek enerjiye sahip olan dalga) gama ışınlarıdır.
Görünür bölge nedir?
Elektromanyetik spektrumun bu kategorisini oluşturun elektromanyetik dalgalar insan gözünün gördüğü aralıktır. Bu bölgenin dalga boyu en büyük dalga boyuna sahip renk olan kırmızı (700 nanometre) ve en küçük dalga boyuna sahip renk olan mor-mavi (380 nanometre) arasındadır. Dolayısıyla görünür bölgede en az frekansı olan renk kırmızıdır ve en az enerjisi olan renk de kırmızıdır, en fazla frekansı olan renk ise mordur ve dolayısıyla en fazla enerjisi olan renk de mordur.
Termal ışıma nedir?
Sıcaklığı 0 Kelvin (-273.15 C°) üzerinde olan bütün cisimler elektromanyetik dalgalar yayar. Maddenin sıcaklığına bağlı olarak farklı frekanslarda (yani farklı dalga boylarında veya farklı enerjide) ışıma yapmasına termal ışıma denir. Biz ışığın cisimlerden yansıması nedeniyle görürüz. Işık herhangi bir cisme çarpar ve yansır. Sonrasında gözümüze giren fotonlar aracılığıyla biz görürüz. Fakat hiç ışık kaynağı olmayan kapkaranlık bir odada herhangi bir cismi görebiliriz. Ancak bunun olması için o cismin belirli bir sıcaklıkta ve görünür bölgede ışınım yapması gerekir.
Cisimler sıcaklığından ötürü moröte bölge, görünür bölge ve kızılötesi bölgede ışınım yapar. E = hf denkleminden biliyoruz ki, sıcaklığı az olan cismin enerjisi de az olur ve dolayısıyla frekansı da az olur. Düşük frekansta ışınım yaparsa kızılötesi bölgede ışınım yapmış olur ve bu nedenle biz günlük hayatımızda sıkça ışınım yapan cisimler görmüyoruz. Ancak cismin sıcaklığı belirli bir düzeyde ise cisim görünür bölgede ışınım yapabilir. Daha fazla sıcaklığı olan cisimlerin ise enerjisi fazla olduğu için frekansı da fazla olur ve görünür bölgenin frekans düzeyinden yüksek frekansı olur. Böylelikle cisim moröte bölgede ışınım yapar ve dolayısıyla biz bu ışınımı göremeyiz.
Örnek
Tüm bunları anladıktan sonra sıcak bir demirin önce neden kırmızı göründüğünü anlamak zor değil. Demirin sıcaklığı arttıkça enerjisi artar ve böylelikle ışınım yaptığı dalganın frekansı da artar. En küçük frekansı olan renk kırmızı olduğu için demirin sıcaklığı yani enerjisi arttıkça demir ilk önce kırmızı renkte ışınım yapar. Sıcaklığı arttıkça demir mora kadar olan bütün frekanslarda ışınım yapar, sonra ise beyaz renkte ışınım yapar. Çünkü beyaz renk tüm renklerin karışımıdır. Sıcaklığı daha da arttığında yalnız mor-mavi renkte ışınım yapar. Çünkü (beyaz) + (mor-mavi) = mor-mavi olur.
Kara cisim ışıması nedir?
Bunu anlamak için kara cismin ne olduğuna bakalım. Kara cisim üzerine düşen tüm ışığı soğuran ve hiçbirini yansıtmayan teorik bir cisimdir. Kara cisim ışıması ise bu kara cismin sadece sıcaklığından ötürü yaptığı ışımadır. Kara cismin sıcaklığından ötürü neden ışıma yaptığı ve bu ışıma hakkında yukarıda konuştuk. Kara cisim ışımasının özünde dediği şey bu. Fakat kara cisim ışıması tüm bunları kapsadığı için bunları iyi anlamak gerek.