I. Mutlak sıfır sıcaklığında siyah cisim ışıma yapmaz
II. Siyah cisim tanımı ideal bir kavramdır, pratikte tam siyah cisim yoktur
III. Oda sıcaklığındaki siyah cisimler gözle görülebilir ışık yaymaz
Yukarıdaki ifadelerden hangileri doğrudur?
A) Yalnız I
B) I ve II
C) II ve III
D) I, II ve III
Bu soruyu çözmek için, siyah cisim ışıması ve termodinamik kavramları hakkında bilgi sahibi olmamız gerekmektedir. Her bir ifadeyi ayrı ayrı inceleyelim:
- I. Mutlak sıfır sıcaklığında siyah cisim ışıma yapmaz
- Mutlak sıfır sıcaklık, $0$ Kelvin ($0$ K) olarak tanımlanır. Bu sıcaklık, bir sistemdeki atomların ve moleküllerin mümkün olan en düşük enerji seviyesinde olduğu teorik bir noktadır.
- Siyah cisimlerin yaydığı toplam ışıma gücü, Stefan-Boltzmann Yasası ile verilir: $P = \sigma A T^4$. Burada $P$ yayılan toplam güç, $\sigma$ Stefan-Boltzmann sabiti, $A$ cismin yüzey alanı ve $T$ cismin mutlak sıcaklığıdır (Kelvin cinsinden).
- Eğer sıcaklık $T = 0$ K ise, formülde yerine koyduğumuzda $P = \sigma A (0)^4 = 0$ olur. Bu da mutlak sıfır sıcaklığında bir siyah cismin hiçbir termal ışıma yapmayacağı anlamına gelir.
- Dolayısıyla, birinci ifade doğrudur.
- II. Siyah cisim tanımı ideal bir kavramdır, pratikte tam siyah cisim yoktur
- Siyah cisim, üzerine düşen tüm elektromanyetik radyasyonu (ışığı) emen ve hiçbirini yansıtmayan veya geçirmeyen ideal bir nesnedir. Ayrıca, belirli bir sıcaklıkta mümkün olan en fazla termal radyasyonu yayan bir cisimdir.
- Gerçek dünyada, hiçbir madde veya nesne üzerine düşen radyasyonun %100'ünü emmez. Her zaman çok küçük de olsa bir miktar yansıma veya geçirgenlik söz konusudur. Bu nedenle, siyah cisim fiziksel bir modelleme ve ideal bir kavramdır. Laboratuvar ortamında, küçük bir delik içeren bir boşluk (kavite) siyah cisme oldukça iyi bir yaklaşım olarak kabul edilir, çünkü içeri giren ışık çoklu yansımalar sonucunda neredeyse tamamen emilir.
- Dolayısıyla, ikinci ifade doğrudur.
- III. Oda sıcaklığındaki siyah cisimler gözle görülebilir ışık yaymaz
- Oda sıcaklığı yaklaşık olarak $20-25$ santigrat derece ($^\circ$C) civarındadır, bu da Kelvin cinsinden yaklaşık $293-298$ K'e denk gelir.
- Bir siyah cismin yaydığı ışımanın en yoğun olduğu dalga boyu (pik dalga boyu), Wien Kaydırma Yasası ile belirlenir: $\lambda_{max} = \frac{b}{T}$. Burada $\lambda_{max}$ pik dalga boyu, $b$ Wien sabiti ($2.898 \times 10^{-3} \text{ m} \cdot \text{K}$) ve $T$ mutlak sıcaklıktır.
- Oda sıcaklığı için (örneğin $T = 293$ K alırsak) pik dalga boyunu hesaplayalım: $\lambda_{max} = \frac{2.898 \times 10^{-3} \text{ m} \cdot \text{K}}{293 \text{ K}} \approx 9.89 \times 10^{-6} \text{ m} = 9890 \text{ nm}$.
- Gözle görülebilir ışık spektrumu yaklaşık olarak $400$ nm (mor) ile $700$ nm (kırmızı) arasındadır. Hesapladığımız $9890$ nm değeri, kızılötesi (infrared) bölgeye denk gelmektedir.
- Bu, oda sıcaklığındaki bir siyah cismin yaydığı ışımanın büyük çoğunluğunun kızılötesi bölgede olduğu ve gözle görülebilir ışık miktarının ihmal edilebilir düzeyde olduğu anlamına gelir. Bu yüzden oda sıcaklığındaki cisimleri "parlamaz" veya "ışık yaymaz" olarak algılarız.
- Dolayısıyla, üçüncü ifade doğrudur.
Yukarıdaki analizlere göre, verilen üç ifade de doğrudur.
Cevap D seçeneğidir.
