Christopher Kent Mineman - Didattica in rete

Corpo Nero (premesse)

E' noto che un corpo caldo emette radiazione tramite gli atomi che lo compongono.
Ad un oggetto in movimento è associata un’energia – l’energia cinetica.
Nel caso dell’oscillazione di un elettrone all’interno di un atomo (oscillatore atomico) la rapidità del moto, e di conseguenza la sua energia cinetica E , è misurata dalla frequenza che è anche la stessa frequenza della radiazione emessa.
Dal momento che l’energia trasportata da un’onda elettromagnetica è legata all’energia dell’elettrone che l’ha emessa, si ricava che l’energia della radiazione è tanto maggiore quanto maggiore è la sua frequenza: i raggi infrarossi sono meno energetici di quelli ultravioletti perché la loro frequenza è minore (o, equivalentemente, la loro lunghezza d’onda è maggiore, dal momento che vale la relazione = c /ν, dove c è la velocità della luce).
Se la temperatura aumenta, le velocità di oscillazione crescono. Dal momento che l’intensità dell’irraggiamento cresce al crescere dell’energia degli elettroni, questo spiega la comune esperienza che ogni corpo riscaldato emette una radiazione (si pensi al filamento di una lampadina) la cui intensità aumenta all’aumentare della temperatura. Ma l’incremento di luminosità non è l’unico effetto associato alla crescita della temperatura. All’aumentare delle energie degli elettroni viene emessa radiazione che si estende fino a frequenze maggiori, e l’oggetto scaldato cambia colore. Quando cominciamo a scaldare il filamento di una stufa elettrica, esso effettivamente non emette radiazione visibile, ma emana calore tramite radiazione infrarossa. All’aumentare della temperatura la potenza irraggiata aumenta, e il filamento dapprima assume un colore rosso cupo per poi passare ad un arancione vivo, dal momento che l’arancione corrisponde a radiazione di lunghezza d’onda minore rispetto al rosso e all’infrarosso.
Benché il quadro appena descritto si applichi a tutti gli oggetti, ci si aspetta che corpi di sostanze diverse, anche se posti alla stessa temperatura, presentino qualche differenza nella radiazione emessa perché diversi sono gli atomi che li compongono e diverse sono le loro modalità di oscillazione (si pensi alla diversità di oscillazione di una molla di orologio e di una molla utilizzata come ammortizzatore di un’automobile). In effetti queste differenze ci sono. Tuttavia, fin dal 1792, T. Wedgwood, famoso per le sue porcellane e antenato di Darwin, aveva osservato che tutti i corpi diventano rossi roventi alla stessa temperatura. In realtà c’è una condizione particolare in cui tutti i corpi, indipendentemente dalla natura, emettono la stessa radiazione: questa condizione è detta equilibrio termodinamico

Quando una radiazione colpisce un corpo, questo in parte la assorbe, in parte la riflette e in parte la trasmette. Un vetro trasparente presenterà quindi un assorbimento ed una riflessione quasi nulli e grande trasmissione; uno specchio, invece, assorbimento e trasmissione nulli e massima riflessione, e così via.

I corpi sono definiti opachi, riflettenti e trasparenti, a seconda se prevale rispettivamente l'assorbimento, la riflessione o la trasmissione.
Il corpo nero è quello che assorbe tutta la radiazione, senza rifletterla o trasmetterla, ed è capace di emettere qualunque radiazione: è detto perciò anche "radiatore perfetto".
Il Corpo Nero è un oggetto teorico che assorbe il 100% delle radiazioni che lo colpiscono. Dunque non riflette alcuna radiazione e appare perfettamente nero. ATTENZIONE: un corpo puo' apparire nero ai nostri occhi perchè assorbe solo la luce visibile. Qui stiamo parlando di tutto lo spettro elettromagnetico. il corpo nero

In pratica in natura niente assorbe totalmente (la migliore approssimazione e' il carbonio in forma di grafite che riflette solo il 3%), ma concetto di un tale perfetto assorbitore di energia è molto utile nello studio del comportamento della radiazione elettromagnetica.

In pratica, un piccolo foro in una scatola con l'interno annerito, si avvicina molto al concetto di corpo nero perchè la radiazione che entra nel foro difficilmente riuscirà a sfuggirne di nuovo e verrà quindi assorbita. Quella che alla fine uscirà corrisponderà all'equilibrio di temperatura del corpo.