Kara cisim ışıması1900, Berlin

Kızgın demir neden önce kırmızı parlar?

Ocaktaki demir ısındıkça önce sönük kırmızı, sonra turuncu, sarı ve en sonunda beyaz parlar. 1900 yılında Berlin'deki fizikçiler bu ışığın tayfını çok duyarlı biçimde ölçmüştü, ama hiçbir kuram ölçülen eğrinin tamamını açıklayamıyordu. Max Planck'ın o yıl bulduğu formül, enerjinin ancak belirli büyüklükteki paketler hâlinde alınıp verilebileceğini varsayıyordu. Kuantum fiziği bu varsayımla başladı.

Isıtılan her cisim ışık yayar. Sen de şu anda ışıyorsun, ama gözünün göremediği kızılötesinde. Sıcaklık arttıkça ışıma hem çok güçlenir hem de kırmızıdan maviye doğru kayar.

İdeal bir soğurucu, yani kara cisim, yalnızca sıcaklığa bağlı evrensel bir tayf yayar. Bu tayfın toplam gücü T⁴ ile büyür, tepesi λmax = b/T'ye kayar. Klasik fizik uzun dalgalarda doğru sonuç verir, ama kısa dalgalarda sonsuz enerji öngörür.

Deneyin hikâyesi

1859–1860 · HEIDELBERG

Evrensel bir fonksiyon

Gustav Kirchhoff, iyi soğuran cisimlerin iyi de yaydığını gösterdi. Gelen bütün ışığı soğuran bir "kusursuz kara cisim" tanımladı ve böyle bir cismin yaydığı ışığın yalnızca dalga boyuna ve sıcaklığa bağlı olması gerektiğini kanıtladı. Cismin neyden yapıldığı önemsizdi. Bu evrensel fonksiyonun biçimini bulmak, sonraki kırk yılın en zor sorularından biri oldu.

Kaynak: Kirchhoff, Monatsber. Akad. Wiss. Berlin 1859, 783 (15 Aralık 1859); Ann. Phys. 109 (1860) 275; Schirrmacher, HSPS 33 (2003) 299

1879–1884 · VİYANA, GRAZ

Dördüncü kuvvet

Josef Stefan, John Tyndall'ın kızdırılmış platin tel ölçümlerine baktı: 525 °C'den 1200 °C'ye çıkınca ışıma yaklaşık 11,7 kat artıyordu. Mutlak sıcaklıkların oranının dördüncü kuvveti de buna çok yakındı. Öğrencisi Ludwig Boltzmann beş yıl sonra aynı yasayı termodinamik ve ışınım basıncından türetti.

Kaynak: Stefan, Sitzungsber. Akad. Wiss. Wien 79 (1879) 391; Boltzmann, Ann. Phys. 22 (1884) 291

1893–1896 · BERLİN

Wien'in iki yasası

Wilhelm Wien, termodinamikten tayfın sıcaklıkla nasıl "kaydığını" çıkardı: tepe dalga boyu ile sıcaklığın çarpımı sabittir. 1896'da tayfın tamamı için bir formül önerdi. Formül kısa dalgalarda ölçümlere çok iyi uyuyordu. Wien 1911 Nobel Fizik Ödülü'nü ısı ışımasıyla ilgili bu çalışmalarıyla aldı.

Kaynak: Wien, Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss. 1893, 55; Ann. Phys. 58 (1896) 662; nobelprize.org

1895–1900 · REICHSANSTALT

Duvardaki küçük delik

Berlin'deki Fizik-Teknik Devlet Enstitüsü (PTR) aydınlatma sanayisi için ölçü standartları geliştiriyordu. Wien ve Otto Lummer, ısıtılmış kapalı bir kovuğun duvarındaki küçük deliğin neredeyse kusursuz bir kara cisim olduğunu önerdi. Lummer ve Ferdinand Kurlbaum elektrikle ısıtılan bir platin silindir yaptı. Lummer ve Ernst Pringsheim 1899–1900'de, 12–18 µm'ye kadar uzanan ölçümlerinde Wien yasasından sistemli sapmalar buldu.

Kaynak: Wien ve Lummer, Ann. Phys. 56 (1895) 451; Lummer ve Kurlbaum, Verh. Phys. Ges. Berlin 17 (1898) 106; Lummer ve Pringsheim, Verh. DPG 1 (1899) 23, 215; 2 (1900) 163

7 EKİM 1900 · BERLİN

Bir pazar ziyareti

Heinrich Rubens ve Kurlbaum, kristallerden yansıtarak süzdükleri 51 µm'lik uzun dalgalarda ölçüm yapıyordu. Rubens bir pazar günü Planck'ı evinde ziyaret etti ve en uzun dalgalarda ışımanın sıcaklıkla doğru orantılı arttığını anlattı. Planck aynı akşam iki ucu birleştiren bir formül buldu ve onu bir kartpostalla Rubens'e gönderdi.

Kaynak: Hettner, Naturwiss. 10 (1922) 1033; Kangro (ed.), Planck's Original Papers in Quantum Physics (1972); Kuhn, Black-Body Theory and the Quantum Discontinuity (1978)

19 EKİM 1900 · ALMAN FİZİK DERNEĞİ

Bir formül, iki konuşma

Derneğin toplantısında önce Kurlbaum, Rubens ile birlikte yaptıkları uzun dalga ölçümlerini anlattı. Hemen ardından Planck "Wien tayf denkleminin bir iyileştirmesi" başlıklı kısa bir konuşma yaptı. Planck'ın Nobel konuşmasında anlattığına göre, Rubens aynı gece formülü kendi ölçümleriyle karşılaştırdı ve ertesi sabah her noktada uyum bulduğunu söylemeye geldi. Ancak formülün henüz fiziksel bir türetimi yoktu.

Kaynak: Planck, Verh. DPG 2 (1900) 202; Planck, Nobel konuşması (2 Haziran 1920); Rubens ve Kurlbaum, Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss. 1900, 929 (25 Ekim 1900)

14 ARALIK 1900

Enerji öğeleri

Planck formülünü türetmek için Boltzmann'ın olasılık yöntemini kullandı. Bunun için osilatörlerin enerjisini ε = hν büyüklüğündeki eşit öğelere böldü. Aynı makalede h = 6,55 × 10⁻²⁷ erg·s ve k = 1,346 × 10⁻¹⁶ erg/K buldu. Bunlardan Avogadro sayısını ve elektronun yükünü de hesapladı. Planck 1918 Nobel Fizik Ödülü'nü 1919'da aldı.

Kaynak: Planck, Verh. DPG 2 (1900) 237; Ann. Phys. 4 (1901) 553; Kragh, Physics World, Aralık 2000

1931 · GERİYE BAKIŞ

"Bir çaresizlik eylemi"

Planck otuz yıl sonra Amerikalı fizikçi R. W. Wood'a yazdığı mektupta o günleri şöyle anlattı: "Kısacası, bütün olayı bir çaresizlik eylemi olarak nitelendirebilirim. … Ne pahasına olursa olsun kuramsal bir açıklama bulunmalıydı." Planck, enerjinin paketlere bölünmesini uzun süre yalnızca bir hesap kolaylığı olarak gördü.

Kaynak: Planck'tan Wood'a mektup, 7 Ekim 1931 (AIP, Sources for History of Quantum Physics); İngilizcesi Hermann, The Genesis of Quantum Theory (1971) s. 23–24

1900–1905 · İNGİLTERE

Klasik fiziğin cevabı

Lord Rayleigh Haziran 1900'de, enerjinin kovuktaki her titreşim moduna eşit paylaştırılması ilkesinden ışımanın T/λ⁴ ile orantılı olması gerektiğini çıkardı. Kısa dalgalarda sonsuza gitmesin diye formüle elle bir üstel çarpan ekledi. 1905'te katsayıyı hesapladı; James Jeans hesaptaki 8 kat hatayı düzeltti. Einstein de aynı yıl doğru katsayıyı bağımsız olarak türetti.

Kaynak: Rayleigh, Phil. Mag. 49 (1900) 539; Nature 72 (1905) 54; Jeans, Phil. Mag. 10 (1905) 91; Pais, Subtle is the Lord (1982)

1911 · LEİDEN

Felakete bir ad

"Morötesi felaketi" (Ultraviolettkatastrophe) adını Paul Ehrenfest 1911'de koydu, yani Planck'ın formülünden on bir yıl sonra. Ders kitaplarında sık anlatılanın aksine, Planck 1900'de bu felaketi çözmeye çalışmıyordu. Onu harekete geçiren, Berlin'deki ölçümlerin Wien yasasından sapmasıydı.

Kaynak: Ehrenfest, Ann. Phys. 36 (1911) 91; Kragh, Physics World, Aralık 2000; Klein, Physics Today 19(11) (1966) 23

1905 ve 1916–17 · BERN, BERLİN

Işığın kendisi de paketli

Albert Einstein 1905'te ışığın kendisinin de enerji kuantalarından oluştuğunu öne sürdü. Bu kuantalar daha sonra foton olarak adlandırılacaktı. 1916–17'de Planck yasasını atomların ışığı soğurması, kendiliğinden salması ve uyarılmış salımı ile yeniden türetti. Uyarılmış salım, yarım yüzyıl sonra lazerin temeli oldu.

Kaynak: Einstein, Ann. Phys. 17 (1905) 132; Mitt. Phys. Ges. Zürich 18 (1916) 47; Phys. Z. 18 (1917) 121

1965–2009 · EVREN

En kusursuz kara cisim

Evrenin her yönünden gelen mikrodalga ışıma 1965'te keşfedildi. 1990'da COBE uydusunun FIRAS aygıtı bu ışımanın tayfını ölçtü: ölçülen tayf neredeyse kusursuz bir Planck eğrisiydi. Bugünkü değer T = 2,72548 ± 0,00057 K'dir. John Mather bu çalışmayla 2006 Nobel Fizik Ödülü'nü paylaştı.

Kaynak: Mather ve ark., ApJ 354 (1990) L37; Fixsen, ApJ 707 (2009) 916; nobelprize.org

Zaman çizelgesi

  1. 1847J. W. Draper: katı cisimler yaklaşık 525 °C'de (798 K) karanlıkta sönük kırmızı parlamaya başlar.
  2. 1859Kirchhoff ışıma yasasını Berlin Akademisi'nde sunar (15 Aralık); 1860'ta "kusursuz kara cisim" kavramı.
  3. 1879Stefan, toplam ışımanın T⁴ ile arttığını Tyndall'ın verilerinden çıkarır.
  4. 1884Boltzmann aynı yasayı termodinamikten türetir.
  5. 1893Wien'in kayma yasası (9 Şubat).
  6. 1895Wien ve Lummer: kovuktaki küçük delik bir kara cisimdir.
  7. 1896Wien'in dağılım yasası.
  8. 1899Lummer ve Pringsheim, PTR'de Wien yasasından sapmalar görür.
  9. 1900Rayleigh: eşbölüşümden T/λ⁴ (Haziran). Rubens'in Planck'ı ziyareti (7 Ekim). Planck formülü (19 Ekim). Planck'ın türetimi ve h (14 Aralık).
  10. 1905Rayleigh, Jeans ve Einstein: Rayleigh–Jeans yasasının katsayısı. Einstein'ın ışık kuantumu makalesi.
  11. 1911Ehrenfest "morötesi felaketi" adını kullanır. Wien Nobel Ödülü'nü alır.
  12. 1916–17Einstein: soğurma, kendiliğinden ve uyarılmış salım ile Planck yasası.
  13. 1919Planck 1918 Nobel Fizik Ödülü'nü alır.
  14. 1990COBE/FIRAS: kozmik mikrodalga arka ışıma kusursuz bir kara cisim tayfıdır.
  15. 2015IAU, Güneş'in nominal etkin sıcaklığını 5772 K olarak belirler.

Kaynaklar

Birincil: Kirchhoff, Ann. Phys. 109 (1860) 275 · Stefan, Sitzungsber. Wien 79 (1879) 391 · Boltzmann, Ann. Phys. 22 (1884) 291 · Wien, Ann. Phys. 58 (1896) 662 · Lummer ve Pringsheim, Verh. DPG 1 (1899) 23, 215; 2 (1900) 163 · Rayleigh, Phil. Mag. 49 (1900) 539 · Planck, Verh. DPG 2 (1900) 202 ve 237; Ann. Phys. 4 (1901) 553 · Rubens ve Kurlbaum, Sitzungsber. Preuss. Akad. 1900, 929; Ann. Phys. 4 (1901) 649 · Jeans, Phil. Mag. 10 (1905) 91 · Einstein, Ann. Phys. 17 (1905) 132; Phys. Z. 18 (1917) 121 · Ehrenfest, Ann. Phys. 36 (1911) 91 · Draper, Phil. Mag. 30 (1847) 345.

Tarih: H. Kragh, "Max Planck: the reluctant revolutionary", Physics World, Aralık 2000 · M. J. Klein, "Thermodynamics and quanta in Planck's work", Physics Today 19(11) (1966) 23 · T. S. Kuhn, Black-Body Theory and the Quantum Discontinuity, 1894–1912 (1978) · A. Hermann, The Genesis of Quantum Theory (1971) · H. Kangro (ed.), Planck's Original Papers in Quantum Physics (1972).

Güncel değerler: CODATA 2018 sabitleri · IAU 2015 Karar B3 (Güneş: 5772 K, 3,828 × 10²⁶ W, 695.700 km) · Fixsen, ApJ 707 (2009) 916 (KMAI: 2,72548 K) · Adelman 2004, IAU Symp. 224 (Sirius A: 9940 K) · Tkachenko ve ark., MNRAS 458 (2016) 1964 (Spica A: 25.300 K) · Levesque ve Massey, ApJL 891 (2020) L37 (Betelgeuse: 3600 K) · CIE 015:2018 (1931 2° standart gözlemci, D65, A aydınlatıcısı) · Kopp ve Lean, GRL 38 (2011) L01706 (Güneş sabiti 1360,8 W/m²).