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Corpo nero

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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.

Corpo nero Emissione di corpo nero StudySmarterEmissione 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

La lunghezza d'onda \(\lambda\) a cui il corpo nero emette più intensamente dipende dalla temperatura.. Le temperature più elevate emettono radiazioni intense a lunghezze d'onda inferiori e il colore si sposta verso lo spettro del blu. Lo spettro della radiazione ha le seguenti caratteristiche:

  • Lo spettro è continuo.

  • Il picco dello spettro si sposta verso lunghezze d'onda inferiori all'aumentare della temperatura.

  • Lo spettro è nullo a lunghezza d'onda nulla questo è il risultato della quantizzazione dell'energia.

  • I valori dello spettro a lunghezze d'onda maggiori decrescono tendendo a zero.

Gli oggetti astronomici possono essere modellati come corpi neri. Per questo motivo la radiazione di corpo nero è molto utile in fisica, astrofisica e astronomia.

Corpo nero: colore

La temperatura, la lunghezza d'onda di emissione e il colore percepito sono quantità correlate per un corpo nero. Un grafico a colori può mostrare la dipendenza temperatura-colore di un corpo nero. In astronomia, possiamo approssimare le temperature degli oggetti astronomici caratterizzando le loro proprietà di emissione, come mostrato nell'immagine seguente.

Corpo nero Colore di corpo nero StudySmarterFig. 1 - Colore del corpo nero a varie temperature.

I colori osservati per qualsiasi oggetto sono il prodotto della luce (fotoni) emessa dall'oggetto o riflessa dall'oggetto. I fotoni hanno una lunghezza d'onda diversa a seconda della loro energia: i fotoni a bassa energia sono percepiti come rossi, mentre quelli ad alta energia sono percepiti come blu-viola.

La differenza di colore percepita è dovuta a cellule note come coni. I coni sono fotorecettori molto speciali in grado di convertire la luce incidente in un segnale elettrico che viene inviato al cervello.

I coni si dividono in tre tipi di cellule sensibili a una gamma di lunghezze d'onda diverse: lunghezze d'onda corte come il blu e il viola, lunghezze d'onda medie come il verde e il giallo e lunghezze d'onda maggiori come l'arancione e il rosso.

Stelle e radiazione di corpo nero

Le stelle possono essere modellate come corpi neri, il che significa che la loro temperatura superficiale e la lunghezza d'onda di emissione sono correlate. Grazie a questa relazione, possiamo distinguere quali stelle hanno una temperatura più alta di altre in base alla radiazione che emettono e al colore osservato. Si veda la tabella seguente per alcuni esempi (dove \(K\) sta per Kelvin e \(nm\) per nanometri):

ColoreStellaTemperatura (K)Picco di emissione (nm)
Blu-biancoRigel11,000145
Blu-biancoVega9602310
GialloSun5778550
ArancioneAldebaran3910740

Le stelle non presentano lo stesso colore per tutta la loro vita e la variazione di colore può dirci molto sulla temperatura e sui processi che avvengono al loro interno.

Un esempio è il caso specifico di una stella gialla, come il nostro Sole, che diventerà una gigante rossa.

Una stella esiste grazie a un processo di fusione nucleare che avviene al suo interno. Questo processo fonde principalmente idrogeno ed elio, creando elementi più pesanti. Durante la fusione, il nucleo di una stella è in equilibrio, la gravità cerca di comprimerlo e la fusione cerca di espanderlo.

Corpo nero bilanciamento delle forze su una stella StudySmarterIl bilanciamento delle forze su una stella la mantiene stabile durante la maggior parte della sua vita.

Quando l'idrogeno si esaurisce, il nucleo della stella inizia a comprimersi a causa della gravità, poiché l'equilibrio delle forze si rompe e la compressione riscalda il nucleo. Di conseguenza, gli strati esterni della stella si riscaldano e il processo di fusione avviene in strati sempre più esterni.

Corpo nero Rottura del bilanciamento delle forze in una stella StudySmarterQuando l'equilibrio di forze in una stella si rompe, come nel caso delle giganti rosse, gli strati superiori aumentano le loro dimensioni e la superficie abbassa la sua temperatura diventando rossa.

Il processo espande la superficie esterna della stella, che si raffredda. Durante questo processo, la stella diventa una gigante rossa. Di conseguenza, il colore della stella passa dal giallo al rosso e la sua emissione si sposta verso lunghezze d'onda maggiori (temperature superficiali più basse).

Corpo nero - Key takeaways

  • Un corpo nero è un perfetto emettitore e assorbitore di radiazioni. In un corpo nero, l'emissione di radiazione dipende dalla sua temperatura.
  • A causa della relazione temperatura-emissione-frequenza, il picco di emissione ci dà la temperatura del corpo.
  • Le stelle possono essere modellate come corpi neri. Per questo motivo, il colore della stella può indicarci la sua temperatura. Le stelle rosse sono più fredde e quelle blu più calde.

References

  1. Fig. 1: ReBlack-body-in-mireds-scalable.svg (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ReBlack-body-in-mireds-scalable.svg) by Rboyer is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en)

Domande frequenti riguardo Corpo nero

Come tutte le stelle, il sole può essere modellato come un corpo nero. Osservando il suo spettro di emissione possiamo vedere che può essere modellato come un corpo nero con temperatura di picco di circa 5800K.

La catastrofe ultravioletta è una predizione della fisica classica (provata falsa dalla teoria di Planck del corpo nero) secondo cui un corpo nero avrebbe emesso radiazione infinita nella parte blu dello spettro.

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