Un corpo nero è un termine usato in fisica per indicare un oggetto che assorbe tutta l'energia che riceve, indipendentemente dalla sua frequenza. I corpi neri non hanno potere riflettente, quindi nessuna radiazione viene riflessa e l'oggetto appare nero alla vista. I corpi neri possono anche emettere radiazione (chiamata radiazione di corpo nero), il che avviene perfettamente (senza dissipazione interna). Quando i corpi neri sono in equilibrio, esiste una relazione tra la loro temperatura e le loro proprietà di emissione, studiata per la prima volta dallo scienziato Gustav Kirchhoff.
Il motivo per cui gli assorbitori perfetti sono emettitori perfetti è che i processi sono l'inverso l'uno dell'altro. Nel caso dell'energia elettromagnetica, il processo di assorbimento ed emissione comporta l'assorbimento e l'emissione di fotoni.
Corpo nero: definizione
Quando un corpo nero è in equilibrio, la quantità di energia che arriva in una regione dell'oggetto è uguale all'energia che esce dalla stessa regione. La radiazione emessa da un corpo nero è nota come radiazione di corpo nero, che ha uno spettro continuo noto come spettro di corpo nero, il cui modello è molto noto (si veda l'immagine sottostante per gli esempi).
Catastrofe ultravioletta
La meccanica classica non riesce a spiegare questo spettro perché, secondo i modelli, le particelle potrebbero vibrare a energie più elevate senza alcun limite con intensità crescente. Ciò produrrebbe uno spettro con valori crescenti di intensità a frequenze più elevate (vibrazioni più grandi). Questo fenomeno è noto come catastrofe ultravioletta. Tuttavia, è noto che le intensità nello spettro del corpo nero diminuiscono con l'avvicinarsi della lunghezza d'onda a zero, come si può vedere nell'immagine sottostante. Nell'immagine, le curve in rosso, verde e blu corrispondono a temperature diverse. I picchi dell'intensità di emissione corrispondono a diverse frequenze che dipendono dalla temperatura.
Fig. 1 - Emissione di corpo nero. Si può osservare come la teoria classica fallisca a predire l'effettiva emissione.
Solo alla fine del XIX secolo lo scienziato tedesco Max Planck ebbe un'idea per risolvere il disaccordo tra teoria ed esperimenti. Nel modello di Planck, l'energia non era condivisa tra le particelle su valori continui arbitrari: era condivisa solo in quantità fisse che erano multipli di un certo numero "\(h\)".Nella luce, per frequenze molto elevate, l'energia cinetica è calcolata come \(h \cdot f\) (dove \(f\) è la frequenza). A queste frequenze non è possibile tradurre l'energia cinetica in energia termica, perché ciò significherebbe avere temperature infinite. Ciò significa che i costituenti del corpo nero precipitano gradualmente verso la regione in cui non hanno temperatura, che si può vedere nella parte sinistra dell'immagine qui sopra.La parte destra dell'immagine era perfettamente comprensibile senza la fisica quantistica perché, per frequenze molto basse, anche l'energia termica equivalente è molto bassa. La comprensione del regime delle alte frequenze ha portato alla previsione dell'esistenza dei fotoni, che trasportavano i "quanti" (pacchetti discreti di energia misurati dalla costante \(h\)).
Corpo nero: spettro
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