Emisyon

Salım ya da emisyon (genel olarak ε ya da e ile ifade edilen), bir materyalin yüzeyinin nispi olarak radyasyon ile enerji yayma yeteneğidir. Ayrıca emisyon, aynı sıcaklıkta, belirli bir materyalin yaydığı enerjinin, bir kara cisim tarafından yayılan enerjiye oranı olarak da ifade edilmektedir. Bir gerçek nesne için ε < 1 koşulu olduğu zaman, gerçek bir kara cisim için ε = 1'dir. Emisyon boyutsuz bir niceliktir.

Genel olarak; ametaller (özellikle saydam olmayanlar) yüksek emisyon (ışıma eğilimi/gücü) göstermektedir. Bundan farklı olarak, metallerin emisyonu ise metallerin türlerine ve yüzeylerinin durumuna göre değişiklik göstermektedir. Yüzeyi pürüzlü olan, oksitlenmiş metallerden farklı olarak, yüzeyi pürüzsüz olan metaller, düşük emisyon göstermeye eğilimlidir. Örneğin, yüzeyi pürüzsüz olan gümüşün emisyonu 0.002'dir. Yüzey renginin, emisyonda büyük bir etkisi olduğu düşünülmektedir ama düşünce yanlıştır.

Emisyon, sıcaklık, emisyon açısı ve dalga boyu gibi faktörlere bağlıdır. Tipik bir fizik varsayımına göre; bir yüzeyin spektral emisyonu ve emiciliği dalga boyuna bağlı olmamakla birlikte, emisyon bir sabittir. Bu durum ‘gri cisim varsayımı’ olarak bilinmektedir.

Pürüzsüz yüzeye sahip gümüşün emisyonu gibi, bir materyalin emisyonu yaygın bir tartışma olmasına rağmen, bir materyalin emisyonu genel olarak o materyalin kalınlığına bağlıdır. Materyaller için alınan salınımlar sonsuz kalınlık örnekleri içindir (çalışmalardaki anlamı optik olarak kalın olan örnekler içindir). Materyallerin daha ince örneklerinin azaltılmış salınımları olacaktır.

Siyah olmayan yüzeyler ile çalışılırken, ideal bir kara cisim davranışından gelen sapmalar kimyasal birleşimler ile ve geometrik yapılar ile açıklanır. Ayrıca bu sapmalar termal dengede olan bir cismin emisyonunun emiciliğine eşit olduğunu söyleyen Kirchhoff'un termal radyasyon yasasına uyar. Yani, gelen bütün ışıkları absorbe etmeyen bir cisim, ideal bir kara cisimden daha az radyasyon yayacaktır.

Birçok el kitabında ve kızılötesi görüntüleme ve sıcaklık sensörü şirketlerinin sitelerinde bulunan emisyonlar toplam emisyondan bahsetmektedir. Ancak, sıcaklık ölçüm cihazı için düzeltme arayan bir kişi için, bağımlı dalga boyunun ya da spektral emisyonun daha önemli bir parametre olduğu ayrımının yapılması gerekmektedir.

Sonuç olarak; toplam emisyonun ve spektral emisyonun nerede uygulandığının anlaşılması ve ikisi arasındaki farkın anlaşılması büyük önem taşımaktadır.

Dünyanın atmosferinin emisyonu, bulut örtüsüne ya da termal kızılötesinde (dalga boyunun 8-14 mikrometre arasında oluğu bölge) enerjiyi yayan ya da absorbe eden gazların konsantrasyonlarına bağlı olarak farklılık göstermektedir. Bu gazlara sera etkisinde rol aldıkları için ‘sera gazları’ denmektedir. Sera gazları, su buharı, karbon dioksit, metan ve ozondan oluşmaktadır. Atmosferin ana bileşenleri olan N2, O2 ve Ar gazları termal kızılötesinde enerjiyi yaymaz ve absorbe etmez.

Monokrom akı yoğunluğu ${\displaystyle \nu }$ frekansında ve ${\displaystyle \Omega }$ tam açısında bir gri cisim tarafından aşağıdaki eşitliğe göre yayılır.

${\displaystyle F_{\nu }=B_{\nu }(T)Q_{\nu }\Omega }$

burada ${\displaystyle B_{\nu }(T)}$ bir kara cisim için T sıcaklığındaki Planck fonksiyonu olup,${\displaystyle Q_{\nu }}$ ise emisyonu ifade etmektedir.

Optik derinliği ${\displaystyle \tau _{\nu }}$ değişmeyen bir ortam için ışınım transferi, ışınımın ${\displaystyle e^{-\tau _{\nu }}}$faktörüne göre azalacağı anlamına gelmektedir. Optik derinlik, çoğu kez yayılan frekansın,${\displaystyle \tau =1}$iken ve bütün veriler β kuvvetine doğru yükselirkenki frekansa oranına yaklaştırılır. Soğuk toz bulutları için yıldızlar arası ortamı içinde β yaklaşık olarak 2'dir. Sonuç olarak Q,

${\displaystyle Q_{\nu }=1-e^{-\tau _{\nu }}=1-e^{-\tau _{0}(\nu /\nu _{0})^{\beta }}}$

olarak ifade ediliyor ve burada,

${\displaystyle \nu _{0}}$,${\displaystyle \tau _{0}=1}$ noktasındaki frekans olarak belirtilmektedir.

Belli bir dalga boyunda, iki paralel duvar verilmiş olsun ve yüzeylerinin emisyonları ${\displaystyle \varepsilon _{1}}$ ve ${\displaystyle \varepsilon _{2}}$ olsun. Bir duvarın içerisinde bulunan dalga boyunun radyasyonunun belli bir fraksiyonu bu duvardan ayrılıp diğer duvara geçecektir. Kirchoff' un termal radyasyon yasasına göre; belirli bir dalga boyu için, her ne olursa olsun bir yüzey üzerine her iki taraftan da gelen ışınım bir kısmı, diğer yüzeyinden içerisinden emisyon olarak geçmez, aksine yansır. Bu yansıyan ışınım ihmal edildiği zaman, birinci duvar tarafından yayılan ışınımın oranı ${\displaystyle \varepsilon _{1}}$olup, ikinci duvara giren ışınımın oranı ise ${\displaystyle \varepsilon _{2}}$ olacaktır.

Eğer yansımayı hesaba katarsak, ikinci duvara giriş yapamayan ışınım, ikinci duvar tarafından ilk duvara yansıtılacaktır ve başlangıçta emisyon miktarı ${\displaystyle \varepsilon _{1}(1-\varepsilon _{2})}$ olacaktır. Bu miktarın ${\displaystyle 1-\varepsilon _{1}}$ kadarı tekrar ikinci duvara yansıtılacaktır Böylece ilk duvardan kaynaklanan emisyon artacaktır. Bu yansımalar geri sıçrama yapmaktadır ve miktarını azaltarak ilerlemektedir. Denge durumunu çözümleyebilmek için, ikinci duvarı toplamda giriş yapan ışınım miktarının oranı belirlenir.

${\displaystyle {\varepsilon }_{1,2}={\frac {1}{{\frac {1}{\varepsilon _{1}}}+{\frac {1}{\varepsilon _{2}}}-1}}={\frac {\varepsilon _{1}\varepsilon _{2}}{\varepsilon _{1}+\varepsilon _{2}-\varepsilon _{1}\varepsilon _{2}}}}$

Bu formül simetriktir. Ayrıca, sadece ikinci duvarın içerisinde bulunan ışınım ile ilk duvarın içerisine giren ışınımın oranı aynıdır. Bu durum, iki duvarın yüzeylerinden yer değiştiren yansımalar ve emilen ışınımlar ne olursa olsun doğrudur. Çünkü, bu formül sadece ışınımın yapıldığı duvar ile ilgilidir. Bu formülde yer alan nicelikler, genliklerden ziyade yoğunluklardır. En uygun seçim, iletilen ve yansıtılan ışınımlardan ayrı olarak, duvarlar birçok dalga boyuna sahip olduğu zaman, bu dalga boyları rastgele birleşecektir. Duvarlar sadece çok az dalga boyuna sahip olduğu zaman, optik kaplamaların üretiminde kullanılan ince filmlerin dışında, yansımalar girişim ile sonuçlanarak tutarlı bir şekilde birleşme eğilimde olacaktır. Ancak böyle bir durumda, yukarıda verilen formül geçersiz hale gelecektir ve faz kaymasını, yansımayı oluşturan ters faz ve boşluktan geçmiş olarak düşünüp hesaba katarak, formüldeki yoğunluk yerine genlik eklenmek zorundadır.^[1]