فاجعه فرابنفش یا ultraviolet catastrophe چیست
فاجعه فرابنفش به انگلیسی ultraviolet catastrophe مسئلهای تا اوایل قرن دوم بود که دانشمندان قصد داشتند با قوانین فیزیک کلاسیک, رابطه دما و موج تابش گرمایی را توضیح دهند تا اینکه این توضیح با موج فرابنفش شکست میخورد.
همه اجسام, در دمای بالاتر از ۰ مطلق تابش الکترومغناطیس یا تابش گرمایی دارند؛ طبق تئوری ماکسول, دانشمندان گمان میکردند یک جسم پس از تعادل گرمایی خود, هرچه دمای آن افزایش یابد, تابش گرماییای با طول موج های کمتر, و انرژی بالاتر باید تولید کند تا اینکه به انرژی بینهایت برسد.
این پیش بینی در رابطه با تابش گرمایی با طول موج بلند, مثل امواج مرئی (طول موج بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانو متر) صحیح بود, تا اینکه با افزایش بیشتر دما, دیگر امواجی با فرکانس و انرژی بالاتر و طول موج کمتر (امواج فرابنفش) تولید نشد, و فاجعه فرابنفش رقم خورد.
از آنجا که این پیش بینی تئوری ماکسول با واقعیت همخوانی نداشت, و یکی از مصادیق فرکانس بالا پس از نور مرئی, امواج فرا بنفش هستند, نام این مشکل را ultraviolet catastrophe نامیدند.
جسم سیاه
جسم سیاه به انگلیسی black body یک جسم ایدهآل فزیکی است که تمام امواج الکترومغناطیس فرودی را فارغ از ویژگی های موج جذب میکند.
اگر دمای یک جسم سیاه (black body) از محیط کمتر باشد, این به این معنا است که جسم سیاه درحال جذب انرژی است, اما پس از رسیدن به تعادل (eqlibrium), جسم شروع به تولید امواج الکترومغناطیسی میکند تا دمای خود را در حال تعادل نگه دارد.
- Absorption: $T_1 < T_2$
- Emission: $T_1 > T_2$
- Equilibrium: $T_1 = T_2$
جسم سیاه, نه تنها بهترین جذب کننده تشعشعات است, بلکه یک emitter ایده آل است.
راه حل
در نهایت, پلانک به انگلیسی Max Planck با مطالعه جسم سیاه پیشنهاد داد که تابش گرمایی و انرژی, کوانتیده به انگلیسی quantized هستند و نه پیوسته, و مشخص شد امواج الکترومغناطیس تولید شده, ناشی از انتقال الکترون از تراز های انرژی بالاتر به تراز های انرژی پایین تر هستند, و نمیتوانند هر مقداری را به خود اختصاص دهند.
انیشتین, با مطالعات پلانک, معادله زیر را ارائه داد که به معادل Planck-Einstein معروف است.
ایده کوئانتیزه بودن انرژی, به قدری عجیب بود که خود پلانک نیز حتی در آن زمان آن را باور نکرد.