הערה: השאלה המקורית היתה: "אם המודל המתאר יצירת אור ע"י חימום גוף שחור קשור לשינוי רמות האנרגיה של אלקטרונים, מדוע הספקטרום רציף ולא מוגבל לרמות בדידות? יעקוב ".

שאלה זו אינה מוגדרת דייה, מכיוון שגוף שחור הינו גז של פוטונים ואין קשר לרמות האנרגיה של אלקטרונים.
נוסח השאלה שונה על מנת להסביר את התופעה בצורתה הנכונה.
                                                         -----------------

כידוע גוף שחור הוא גוף תיאורטי הבולע באופן מושלם קרינה אלקטרומגנטית בכל אורכי הגל. בליעה זו גורמת לשינוי בטמפרטורה של הגוף השחור זאת עקב המרת הקרינה האלקטרומגנטית לאנרגיה תרמית בגוף.

אנרגיה תרמית היא האנרגיה של גוף שמיוחסת לטמפרטורה שלו. אנרגיה פנימית זו, מבטאת את כמות החום האצורה במערכת. האנרגיה התרמית מתארת אנרגיות חלקיות של החלקיקים המיקרוסקופיים, שנעים באקראיות, במהירות ממוצעת הקשורה בטמפרטורה. במילים פשוטות אפשר לומר שהאנרגיה התרמית הינה סכום האנרגיות הקינטיות של כלל החלקיקים במערכת.

הגוף השחור פולט קרינה אלקטרומגנטית בהתפלגות מסוימת של אורכי גל, התלויה אך ורק בטמפרטורה שלו,. קרינה זו מכונה קרינת גוף שחור. לכן גוף שחור הוא מקור אידאלי לקרינה תרמית משום שהקרינה הנפלטת אינה תלויה כלל בקרינה הפוגעת, פרט להשפעה של זו על טמפרטורת הגוף.

עד לפני פיתוח התורה הקוונטית, פיסיקאים לא הבינו מה גורם לפליטת הקרינה באורכי הגל השונים.

בתחילת פותחה נוסחה באופן אמפירי (על ידי ניסויים) שמתארת את ספקטרום הפליטה של הגוף השחור, בכל אורכי הגל, עבור טמפרטורה נתונה. אולם, כאשר מבצעים אינטגרציה (סכימה) על משוואה זו מאפס ועד אינסוף, מתקבל כי הפליטה הכוללת בכל אורכי הגל היא אינסופית, דבר שאינו תואם את חוק שימור האנרגיה. אי התאמה זו בין החישובים לניסוי ידוע בשם "הקטסטרופה של האולטרה סגול", משום שהנוסחה כן מתאימה לאורכי הגל ארוכים יותר, אך מתבדרת בתחום של האולטרה סגול.

על פי הפיסיקה הקלאסית, גוף שחור בשיווי משקל תרמי יפלוט קרינה בעוצמה אינסופית. הקטסטרופה העל-סגולית נגרמת כתוצאה מכך שבפיסיקה קלאסית (סטטיסטית) לנדנדים ההרמונים (דרגות החופש) של המערכת בשיווי משקל יש אנרגיה ממוצעת הפרופורציונאלית לטמפרטורה T.

על פי חוקי האלקטרומגנטיות הקלאסית, מספר התנודות בחלל הגוף (caviy) פרופורציונאליות לריבוע התדירות. ועל כן העוצמה בתדירות נתונה וסך עוצמת הקרינה הינה ללא גבול ככל שהתדירות גדלה יותר. זהו כמובן לא פיסיקלי-- משום שסך עוצמת הקרינה הנצפית אינה יכולה להיות אינסופית!

על מנת לפתח נוסחה מתאימה שתתאר את קרינת הגוף השחור, הניח פלאנק כי האנרגיה נפלטת מגוף שחור במנות בדידות של אנרגיה (קוונטים של אנרגיה): כלומר, מנות האנרגיה הן כפולות של מנה בסיסית, התלויה בתדירות בלבד. הנחה זו היא אחת ההנחות הבסיסיות שהביאו לפיתוח תורת הקוונטים.
פלנק הניח שאנרגיה אלקטרומגנטית אינה מתוארת על ידי תיאור קלאסי, אלא יכולה רק להתנודד או להפלט בצורה דיסקרטית (בדידה) של כמויות אנרגיה פרופורציונאליות לתדירות.
בעזרת הנחתו של פלאנק, מספר אופני התנודה באנרגיה נתונה בתדירויות גבוהות בחלל הגוף קטן משמעותית ועל כן האנרגיה הממוצעת של תדירויות אלו קטנה גם היא.
עוצמת הקרינה דועכת לבסוף לאפס בתדירויות "אינסופיות" וסך העוצמה הינה סופית כמצופה מהתוצאות הניסיוניות.
חבילת האנרגיה של התנודה האלקטרומגנטית שהניח פלאנק נקראה ברבות הימים פוטון...


ספקטרום קרינה של גוף שחור הינו למעשה גרף המתאר את תלות עוצמת הקרינה בתדירות. התפלגות הקרינה של גוף שחור מתארת למעשה את עוצמת הקרינה (או למעשה צפיפות ההספק) האופיינית לכל תדירות (או אורכי גל) מסוימים.

מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע   

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

19 תגובות

  • רתוש

    הקשר שבין מנגנון הפליטה לבין תכונות הקרינה של גוף שחור

    אם הקרינה נפלטת ממעבר של אטומים בין רמות אנרגיה, אז היא אמורה להיות מקוונטטת.
    אם הקרינה אם הקרינה נפלטת כתוצאה מתנודות של מולקולות מקוטבות ויונים אז גם במקרה זה היא אמורה להיות מקוונטטת, שהרי לפי שרדינגר בכל מקרה שבו חלקיק קשור יש לו רמות אנגיה בדידות. לכן, הוא אמור לפלוט ספקטרום בדיד.
    מדוע אם כן קרינת גוף שחור היא בעלת ספקטרום רציף?
    נראה לי כי הקרינה הרציפה נובעת מכך שאטומי המוצק מאוד קרובים זה לזה. לפי תורת הקוונטים במצב זה קיימת חפיפה בין האלקטרונים החיצוניים שלהם, ומצב זה יוצר רמות אנרגיה המשותפות לכל האטומים גם יחד. ככל הידוע לי כל רמת אנרגיה במצב זה נקראת "פס אנרגיה" וזאת מכיוון שהיא מורכבת מהמוני תת רמות צפופות מאוד.
    כאשר חומר לוהט רבים מהאלקטרונים שלו נמצאים ברמות האנרגיה החיצוניות (התפלגות בולצמן). לכן, המעברים בין תת הרמות של כל פס אנרגיה יכולים לגרום לפליטה (או קליטה) של מבול עצום של אורכי גל. לכן הקרינה של גוף שחור הינה בקירוב גדול מאוד רציפה. זוהי גם הסיבה שהקרינה אינה תלויה בסוג החומר (מבנה רמות האנרגיה של האטום הבודד).
    מכאן גם נובע כי הקרינה של גוף שחור אינה באמת רציפה ב - 100%. כלומר, אין באמת גוף שחור במלוא מובנה של המילה.
    האם ההסבר שלי נכון או שדיברתי שטויות?
    אודה לכם אם מומחים לעניין יתייחסו לעניין בהקדם.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןביאנה

    תשובה

    <p>
    רתוש שלום,</p>
    <p>
    <span style="font-size: 12px; line-height: 1.5em;">שאלתך נענתה <a href="http://davidson.weizmann.ac.il/webforms/askexpert#comment-27765" target="_blank">כאן</a>.</span></p>
    <p>
    בברכה,</p>
    <p>
    ביאנה</p>

  • אריאל

    זה לא כל כך ברור

    לא כל כך הבנתי את המאמר. אפשר בבקשה הסבר יותר ברור על המאמר. תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    נסה אולי את היישומון

    היי אריאל, אולי תנסה להביט גם בישומון שיש לנו (ובהסבר שיש בו). ישומון גוף שחור

  • דוד

    רמות אנרגיה בגוף שחור - מנורת להט לדוגמא

    אני מתלבט עם עצמי האם ישנה אפשרות שגוף שחור הוא למעשה מאגר אינסופי של רמות אנרגיה אשר האלקטרונים שבתוכו מעוררים ויוצרים ספקטרום שנראה לנו רציף אך אולי בפועל גם בו יש חורים שטרם גילינו בגלל שמדובר במימדים זעירים?

  • עינת

    חור שחור וגוף שחור

    יש קשר בין חור שחור לגוף שחור?

  • דניאל

    אין קשר בין חור שחור לגוף שחור

    איך קישרת בכלל?

  • לעינת

    black

    היכנסי לקישורים המובנים מאוד
    והנושא כבר לא יהיה "שחור" יתבהר מיידית.
    גלית.

  • הצעת ייעול

    לעינת

    תדפיסי את המאמר הזה על גוף שחור שכתוב מאוד ברור ומאמר על חור שחור,
    ותקראי זה מול זה. זו דרך קלה להבנה. גלית.

  • לעינת

    אלה נושאים שונים

    חפשי כל נושא בנפרד כי אין קשר , מצד שמאל למעלה ב-"חפש בכל האתר" הקלידי את הנושאים
    גלית.

  • מוטי

    הסבר

    מסתבר שיש קשר בין חור שחור לגוף שחור
    כל דבר שפולט קרינה בהתאם לטמפ שלו נקרא גוף שחור (למשל השמש, נורת להט או גוף האדם כשמסתכלים במצלמה טרמית) גם לחור שחור יש טמפרטורה והוא פולט קרינה בהתאם
    אבל זו רק דוגמא אחת ספציפית לגוף שחור שבמקרה לשניהם יש את המילה שחור בשם.

    דרך אגב - נורת פלורוסנט למשל איננה גוף שחור כי היא לא פולטת אור בגלל טמפ גבוהה כמו נורת להט אלא פולטת אור בגלל מעברי אנרגיה של אלקטרונים באטום הניאון

  • יניב

    מה זה גוף שחור?

    בקישורים שהובאו יש הסבר על גוף אפל אך למיטב
    ידיעתי זה לא גוף שחור, אז מה זה גוף שחור?
    גם אותי זה מעניין.

  • חיים ברק

    גוף שחור הינו גוף המסוגל לבלוע קרינה אלקטרומגנטית בכל תדירות שהי

    גוף שחור הוא גוף המסוגל לבלוע קרינה אלקטרומגנטית בכלתדירות שהיא באופן מושלם.
    הקרינה שפוגעת בגוף שחור פשוט נבלעת בתוכו. היא לא מוחזרת מהגוף או עוברת דרכו.
    בליעת כל הקרינה גורמת לשינוי בטמפרטורה של הגוף השחור.
    הגוף השחור פולט קרינה אלקטרומגנטית בהתפלגות מסוימת של אורכי גל, שתלויה רק בטמפרטורה שלו.
    גוף שחור בטמפרטורה הנמוכה מ 430 מעלות צלזיוס פולט מעט מאוד קרינה באור הנראה ולכן הוא נראה שחור.
    מושג הגוף שחור הינו מושג אידאלי ולא קיים באמת במציאות, אך ישנם מקרים שקרובים להתנהגות של גוף שחור.

  • לגבי התגובה

    גוף שחור

    לא הבנתי את המשפט האחרון בתגובה שלך:
    "מושג הגוף שחור הינו מושג אידאלי ולא קיים באמת במציאות" אולי הכוונה מושג אידאי
    שלא קיים במציאות? כלומר זה מושג מופשט?
    ולמה "הוא לא קיים באמת במציאות" ?
    חשבתי שגוף שחור הוא כל מה שהוא פשוט שחור,
    ואפשר דוגמא ש"קרובה להתנהגות גוף שחור"
    הבנתי את אופן הפעולה של גוף שחור אבל לא מצליחה להבין אותו כדוג' מוחשית, שמי היקום השחורים נכללים במושג זה? תודה !!!!! גלית.
    (גלית)

  • חיים ברק

    תשובה זהה לזו שכתבתי ליניב

    גוף שחור הוא גוף המסוגל לבלוע קרינה אלקטרומגנטית בכל תדירות שהיא באופן מושלם.

    גוף זה הינו אידאלי משום שבטבע אין גוף שמסוגל לבלוע קרינה אלקטרומגנטית באופן מושלם.
    אולם, ישנם גופים בטבע שמתנהגים בקירוב כמו גוף שחור.
    כפי שהסברתי ליניס בפורום התשובה, גוף שחור בטמפרטורה הנמוכה מ 430 מעלות צלזיוס פולט מעט מאוד קרינה באור הנראה ולכן הוא נראה שחור.

    גלית, פיסיקה היא בהחלט נושא לא פשוט ותשובות בפיסיקה בדר"כ אינן ניתנות על רגל אחת...
    אם יש לך שאלה בפיסיקה, את מוזמנת לפרסם ולהשאיר מייל במדור "שאל את המומחה" וצוות צמ"ד ישתדל
    לענות לך ולשלוח לך עדכון במייל ברגע שתינתן תשובה במדור.

  • הקשר

    גוף שחור והטבע.

    הכנסת הפעם את המושג גוף שחור עם הקשר
    לטבע ! וזה הפרט שהיה חסר לי על מנת להבין, ורק עכשיו הבנתי את הקשר לטבע !! שלא היה
    בתשובה ליניב. זהו, מצויין !! ובאופן כללי באמת חסר לי ידע, אבל מה שמעולה באתר אלה הקישורים עם הפניות לנושאים קשורים ממש בקלות. השאלות הקטנות בפורום מאוד עוזרות ,מאוד!! כי כאן היה חסר לי הקשר לטבע בפועל. וגם מהתשובות שלכם לשאלות של מגיבים אחרים לומדים המון. ת ו ד ה !!!! אתם מדהימים. גלית.

  • המשך

    גוף שחור

    ההסברים מצויינים , אבל חסר לי הרבה ידע
    שוב תודה ! (גלית)

  • גלית

    גוף שחור

    הסברים מצויינים ומובנים , אבל מה בכלל
    נכלל בקטגוריית גוף שחור ? והאם בשלושת מצבי הצבירה?

  • עמי בכר

    כל הכבוד

    כתוב באופן בהיר ונהדר. כל הכבוד.