कृष्णिका विकिरण (Black Body Radiation)

हर वस्तु अवरक्त छोड़ती और सोखती है

अवरक्त (infrared, IR) एक विद्युतचुंबकीय तरंग है। हम इसे देख नहीं सकते, पर गर्मी के रूप में महसूस करते हैं। हर वस्तु अवरक्त छोड़ती है — गर्म इस्त्री, आपका शरीर, बर्फ़ का टुकड़ा भी। हर वस्तु अपने ऊपर पड़ने वाला अवरक्त सोखती भी है।

गर्म वस्तु ज़्यादा छोड़ती है

वस्तु जितनी गर्म, हर सेकंड उतना ज़्यादा विकिरण (ज़्यादा शक्ति)। साथ ही सबसे तेज़ विकिरण छोटी तरंगदैर्घ्य की ओर खिसकता है। इसलिए गुनगुनी वस्तु सिर्फ़ अवरक्त छोड़ती है, पर बहुत गर्म वस्तु दिखने वाली रोशनी भी: पहले हल्की लाल, फिर नारंगी, फिर पीली-सफ़ेद। सूरज की सतह (करीब 5,800 K) इतनी गर्म है कि उसका शिखर दृश्य प्रकाश में है।

कौन-सी सतह सबसे अच्छी?

गहरी, खुरदुरी (matt) सतहें सबसे अच्छी अवशोषक और सबसे अच्छी उत्सर्जक हैं। हल्की, चमकदार सतहें दोनों में सबसे कमज़ोर, पर अच्छी परावर्तक हैं। इसे लेस्ली घन (Leslie cube) से जाँचते हैं: गर्म पानी से भरा धातु का खोखला घन, जिसके चार फलक अलग-अलग रंगे हों (खुरदुरा काला, चमकदार काला, खुरदुरा सफ़ेद, चमकदार चाँदी)। हर फलक से बराबर दूरी पर अवरक्त संसूचक रखने पर खुरदुरा काला फलक सबसे ज़्यादा विकिरण दिखाता है।

खुद करो: धूप वाले दिन दो एक जैसे गिलास पानी धूप में रखिए — एक काले काग़ज़ में लिपटा, दूसरा एल्युमिनियम फ़ॉइल में। 30 मिनट बाद कौन ज़्यादा गर्म है? (काला, क्योंकि वह ज़्यादा सोखता है।)

पूर्ण कृष्णिका क्या है?

पूर्ण कृष्णिका (perfect black body) एक आदर्श वस्तु है जो अपने ऊपर पड़ने वाला सारा विकिरण सोख लेती है। न कुछ परावर्तित करती है, न कुछ आर-पार जाने देती है। अच्छे अवशोषक अच्छे उत्सर्जक भी होते हैं, इसलिए पूर्ण कृष्णिका हर तापमान पर सबसे अच्छी उत्सर्जक भी है।

इससे निकलने वाले विकिरण को कृष्णिका विकिरण कहते हैं। यह सिर्फ़ तापमान पर निर्भर है, वस्तु किस चीज़ की बनी है इस पर नहीं। इसलिए असली वस्तुओं की तुलना के लिए यह एक अच्छा 'आदर्श' है।

कोई असली वस्तु पूर्ण नहीं, पर छोटे छेद वाला खोखला डिब्बा क़रीब है: छेद से घुसा विकिरण अंदर बार-बार टकराकर थोड़ा-थोड़ा सोखा जाता है, लगभग कुछ बाहर नहीं आता। सूरज समेत तारे भी लगभग कृष्णिका जैसा व्यवहार करते हैं।

तापमान संतुलन और पृथ्वी

वस्तु गर्म होगी, ठंडी होगी या वैसी ही रहेगी — यह दो दरों पर निर्भर है:

• सोखना छोड़ने से तेज़ हो तो तापमान बढ़ता है।
• छोड़ना सोखने से तेज़ हो तो तापमान घटता है।
• दोनों बराबर हों तो तापमान स्थिर रहता है।

गर्म होती वस्तु ज़्यादा छोड़ने लगती है, इसलिए वह अपने आप उस तापमान पर टिक जाती है जहाँ आना = जाना।

पृथ्वी का तापमान

पृथ्वी सूरज का विकिरण (ज़्यादातर दृश्य प्रकाश, कुछ अवरक्त और पराबैंगनी) सोखती है। कुछ धूप बादल, बर्फ़ और हिम सीधे लौटा देते हैं। गर्म ज़मीन फिर अवरक्त छोड़ती है। कुछ अवरक्त अंतरिक्ष में चला जाता है, पर कार्बन डाइऑक्साइड, मीथेन और जलवाष्प जैसी गैसें उसका हिस्सा सोखकर सब दिशाओं में, नीचे की ओर भी, फिर छोड़ देती हैं। इससे पृथ्वी बिना वायुमंडल की तुलना में गर्म रहती है। पृथ्वी का तापमान आने और जाने वाले विकिरण के संतुलन पर टिका है, इसलिए बादल, बर्फ़ या इन गैसों में बदलाव तापमान बदल देता है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

• हर वस्तु हर तापमान पर अवरक्त विकिरण छोड़ती और सोखती है।
• ज़्यादा तापमान → हर सेकंड ज़्यादा विकिरण और छोटी शिखर तरंगदैर्घ्य।
• अच्छा अवशोषक = अच्छा उत्सर्जक (काली खुरदुरी)। कमज़ोर अवशोषक = कमज़ोर उत्सर्जक = अच्छा परावर्तक (हल्की चमकदार)।
• पूर्ण कृष्णिका: पड़ने वाला 100% विकिरण सोखती है; सबसे अच्छी उत्सर्जक।
• सोखने की दर > छोड़ने की दर → तापमान बढ़े; बराबर → स्थिर; कम → घटे।

हल किए गए उदाहरण

आम गलतियाँ

• यह सोचना कि सिर्फ़ गर्म वस्तुएँ अवरक्त छोड़ती हैं। हर वस्तु छोड़ती है; ठंडी वस्तु बस कम छोड़ती है।
• यह कहना कि कृष्णिका काली दिखनी ही चाहिए। बहुत गर्म कृष्णिका तेज़ चमकती है (तारे लगभग कृष्णिका हैं)।
• यह सोचना कि चमकदार सतह अच्छी उत्सर्जक है क्योंकि वह चमकती है। वह अच्छा परावर्तन करती है, पर कम उत्सर्जन।
• यह मानना कि स्थिर तापमान का मतलब कोई विकिरण नहीं। इसका मतलब है अवशोषण और उत्सर्जन बराबर हैं, शून्य नहीं।