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.