تابش جسم سیاه Black-body radiation

هر جسمی که دما دارد، تابش الکترومغناطیسی می‌فرستد. جسم سیاه جسمی آرمانی است که همهٔ نوری را که به آن می‌رسد جذب می‌کند و در برابر، طیفی از تابش گرمایی می‌دهد که تنها به دمایش بستگی دارد، نه به جنس یا شکلش. ستاره‌ها جسم سیاه کامل نیستند، اما این الگو برای توصیف‌شان بسیار خوب جواب می‌دهد.

تابش جسم سیاه از چه قوانینی پیروی می‌کند؟

سه قانون اصلی آن را توصیف می‌کنند. قانون وین می‌گوید طول‌موجی که بیشترین تابش را دارد با دما رابطهٔ وارونه دارد:

پس جسم داغ‌تر به رنگ آبی‌تر و جسم سردتر به رنگ سرخ‌تر نزدیک می‌شود. قانون استفان–بولتزمان می‌گوید توان تابیده از هر متر مربع سطح با توان چهارم دما متناسب است. قانون پلانک نیز کل شکل طیف را می‌دهد.

ریشهٔ کوانتومی این تابش

فیزیک کلاسیک پیش‌بینی می‌کرد که انرژی تابش در طول‌موج‌های کوتاه بی‌نهایت شود؛ مسئله‌ای که به «فاجعهٔ فرابنفش» معروف شد. ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ با فرض اینکه انرژی در بسته‌های گسسته مبادله می‌شود، منحنی درست را به دست آورد و راه پیدایش نظریهٔ کوانتومی را باز کرد.

کاربرد در نجوم

اخترشناسان با همین قوانین دمای ستاره‌ها را از رنگشان می‌سنجند. سطح خورشید حدود ۵۸۰۰ کلوین دارد و بیشینهٔ تابشش در ناحیهٔ مرئی است. ریزموج زمینهٔ کیهانی نیز نزدیک‌ترین طیف جسم سیاه شناخته‌شده در طبیعت است و دمایش حدود ۲٫۷۲۵ کلوین است. رده‌بندی طیفی و نمودار هرتسپرونگ–راسل نیز بر همین پایه استوارند.

پرسش‌های رایج

### جسم سیاه چرا سیاه نامیده می‌شود؟
جسم سیاه نام خود را از این دارد که هیچ نوری را بازتاب نمی‌دهد و همهٔ تابش رسیده را جذب می‌کند. با این حال خودش بسته به دمایش می‌تواند بسیار درخشان باشد.

### آیا خورشید یک جسم سیاه است؟
خورشید دقیقاً جسم سیاه نیست، اما طیف تابشش به طیف جسم سیاهی با دمای حدود ۵۸۰۰ کلوین بسیار نزدیک است و همین برای دماسنجی‌اش کافی است.

### تابش جسم سیاه چه ربطی به نظریهٔ کوانتومی دارد؟
تابش جسم سیاه یکی از نخستین پدیده‌هایی بود که فیزیک کلاسیک نتوانست توضیح دهد. حل آن به دست پلانک، با فرض کوانتومی‌بودن انرژی، سرآغاز فیزیک کوانتومی شد.