Il corpo nero
Il corpo nero è un assorbitore ed emettitore ideale.
Cosa significa corpo nero in fisica?
E' un corpo perfettamente assorbente. E' in grado di assorbire tutte le radiazioni elettromagnetiche in entrata ( assorbitore ideale o corpo emissivo ideale ) ed emettere radiazioni su tutte le lunghezze d'onda ( emettitore ideale ).
In genere, è rappresentato come un oggetto cavo che comunica con l'esterno tramite un foro. Quando le radiazioni entrano nella cavità, si riflettono sulle pareti interne restando intrappolate e, infine, sono assorbite dal corpo.
La frequenza delle radiazioni elettromagnetiche emesse dal corpo nero è determinata esclusivamente dalla temperatura del corpo e non anche dalle radiazioni riflesse o dal materiale con cui è costruito il corpo.
In questo modo, sottoponendo al corpo una temperatura diversa si possono studiare tutte le frequenze dello spettro delle radiazioni elettromagnetiche in uscita.
In conclusione, per ogni temperatura (K) esiste un particolare spettro di frequenza e una distribuzione dell'intensità di energia E(λ) emessa dal corpo nero, ossia una determinata curva della lunghezza d'onda.
Le caratteristiche del corpo nero
Un corpo nero ha caratteristiche che lo rendono particolarmente utile nello studio dei fenomeni fisici naturali.
- Il potere emissivo di energia del corpo nero è in funzione della lunghezza d'onda della radiazione emessa.
- La curva dello spettro delle radiazioni del corpo nero cambia in funzione della sua temperatura.
Il corpo nero nella fisica classica
Nel '800 gli scienziati si accorsero di queste due caratteristiche del corpo nero e formularono diverse leggi fisiche, tra cui la legge Stefan-Boltzmann e la legge di Wien.
Nota. La legge di Stefan-Boltzmann individua la relazione tra l'energia ( E ) emessa dal corpo nero e la sua temperatura ( T ). La legge di Wien, invece, quella tra la lunghezza d'onda ( λ ) di massima emissione energetica E( λ )max e la temperatura del corpo ( T ).
Tuttavia, gli scienziati del XIX secolo non riuscivano a spiegare con le leggi classiche della fisica l'andamento della curva dello spettro elettromagnetico del corpo nero.
Nota. Nella teoria fisica classica, invece, le radiazioni erano composte esclusivamente da onde elettromagnetiche e la misura del fenomeno si basava su grandezze continue.
Il corpo nero nella fisica quantistica
Il primo a fornire una spiegazione all'andamento dello spettro elettromagnetico del corpo nero fu Max Planck all'inizio del '900. La sua spiegazione, però, si basava su un concetto particolarmente innovativo, al punto da creare un nuova meccanica fisica.
Secondo Planck, la radiazione elettromagnetica era composta da corpuscoli o particelle elementari, detti quanti, che veicolavano una determinata energia in base alla frequenza della radiazione.
Questo rese possibile misurare l'energia come una grandezza discreta secondo quantità multiple del quanto e spiegare matematicamente la forma a U rovesciata della curva dell'energia.
La teoria dei quanti di Planck fu il punto di partenza su cui venne costruita la teoria della fisica quantistica.
