O que vem a ser radiação de corpo negro?

Question

Por que os físicos ficam tão eufóricos com isso?

Answer 1

Um dos fenômenos mais intrigantes estudados no final do século XIX era o da distribuição espectral da radiação do corpo negro. Um corpo negro é um sistema ideal que absorve toda a radiação que nele incide. Na prática ele pode ser materializado por uma cavidade com uma abertura muita pequena, como por exemplo, os fornos de uma industria siderúrgica. As características da radiação desta cavidade dependem somente da temperatura das paredes do radiador.
Nas temperaturas ordinárias (abaixo de 600oC), a radiação térmica emitida por um corpo negro não é visível, pois a energia está concentrada na região do infravermelho do espectro eletromagnético. Quando o corpo negro é aquecido a quantidade de energia irradiada aumenta com a quarta potência da temperatura e a concentração de energia se desloca para os comprimentos de ondas menores.
Com a realização de experimentos com o corpo negro constatou-se que a radiância da cavidade (u) varia com a quarta potência da temperatura do radiador e que a radiação é tanto maior quanto mais quente for o corpo. Esta relação ficou conhecida como lei de Stefan-Boltzmann, isto é, a energia total que emerge do orifício da cavidade. De acordo com o cálculo integral a equação (1) fornece a área sobre a curva un. Uma das preocupações da época era de encontrar uma modelo teórico que explicasse os resultados experimentais obtidos para o corpo negro e conseqüentemente encontrar a função un em termos do comprimento de onda e da temperatura. Stefan foi um dois primeiros pesquisadores a propor uma solução para este caso, assumindo que a função un deveria variar com o cubo da freqüência.
Com isto, Stefan postulava que a densidade de energia fosse função da freqüência (n ) da radiação emitida.


(4)

onde a integral é a constante de proporcionalidade que aparece na lei de Stefan-Boltzmann.
A explicação teórica dos resultados experimentais e a compreensão dos efeitos envolvidos com a radiação de cavidades, foram os problemas insolúveis mais importantes durante os anos que precederam o século XX. Vários físicos propuseram diversas teorias baseadas na Física Clássica, as quais, no entanto, tiveram apenas sucesso limitado.
Uma das questões teóricas da época, mais importantes, girava em torno da determinação explicita da função F que aparece na lei de Stefan (eq.2). Várias propostas foram feitas sem sucesso. A seguir discutiremos duas das mais importantes propostas, as quais referenciamos como a lei Wien e a lei de Rayleigh-Jeans, e no final da seção, apresentaremos a proposta mais realista para a descrição do comportamento de radiação em corpo negro dada por Planck.


Lei de Wien

Avançando um passo na direção da proposta de Stefan, W. Wien encontrou a lei do deslocamento (1893) que tem o seu nome.
Deve-se notar, que a lei de Wien inclui a lei de Stefan já que ela depende da freqüência ao cubo. A razão da denominação lei do deslocamento é que verificou-se experimentalmente que a intensidade da radiação emitida por um corpo incandescente, mantido a determinada temperatura, se representa graficamente, em função do comprimento de onda.
Para ondas curtas, assim como para ondas muito longas, a intensidade é infinitamente pequena, por isso, ter um valor máximo para determinado comprimento de onda. Se fizermos variar a temperatura do corpo radiante, o gráfico da intensidade também varia; em particular, a posição do máximo é desviada. Verificou-se desta maneira, pelas medições realizadas, que o produto da temperatura pelo comprimento de onda é constante, para o correspondente máximo de intensidade; ou

l máximoT = constante (6)

Esta relação explica-se imediatamente pela lei de Wien. Referimo-nos até agora à distribuição da energia em função da freqüência n , representando un a energia da radiação no intervalo de freqüência dn . A conversão de un em ul é fácil: deverá ser evidentemente un dn = ul dl ; e como ln = c, a relação entre dn e dl ser |dn |/n = |dl |/l .
Observou-se, também, que a lei de Wien está em concordância com os resultados experimentais apenas no caso de comprimento de ondas pequenos (ou freqüências altas). Isto leva-nos a concluir que a teoria proposta por Wien falha para grandes comprimentos de onda.


Lei de Rayleigh-Jeans

Paralelamente dois outros pesquisadores (Rayleigh e Jeans), desenvolveram uma nova teoria na tentativa de explicar os fenômenos experimentais relativos ao corpo negro. De acordo com as teorias da época, a termodinâmica, por si só, nada tinha a dizer sobre a função F proposta por Stefan e para determiná-la os cientistas concordavam que era preciso recorrer a representações especiais por meio de modelos. No entanto, era evidente por considerações do domínio da termodinâmica que a forma da lei dada pela função F, deve ser independente do mecanismo especial usado no modelo. Como exemplo mais simples de um corpo radiante é o oscilador harmônico linear de freqüência própria n . Para este oscilador podemos determinar a energia radiada por segundo; sendo esta radiação equivalente a aquela emitida por um dipolo oscilante, onde é a energia média dos osciladores. Neste usa-se a integral para calcular o valor médio das energias dos osciladores, pois supões que eles emitem energia no espectro contínuo.
É importante ressaltar que a lei de Rayleigh-Jeans descreve o comportamento dos radiadores exatamente na região oposta do espectro de emissão descrita pela lei de Wien. Isto é, a lei de Wien concorda com o experimento na região de baixo comprimento de onda e a de Rayleigh-Jeans na região grande comprimento de onda. Podemos dizer que elas quase se completam.

Lei de Planck

Para resolver este problema e completar a teoria, Planck postulou que a energia emitida por cada oscilador harmônico se desse em pacotes (quantum). Com isto ele que dizer que a energia de cada pacote era igual a um número inteiro de um dado valor mínimo de energia, isto é e = neo, sendo um número inteiro, n=1,2,3....


Com esta hipótese, Planck conseguiu um modelo teórico que reproduzisse de forma mais realista os resultados experimentais, no caso da radiação do corpo negro.

Answer 2

a radiação do corpo negro é:
a emissão de ondas eletromagneticas por um corpo neutro, constituido por particulas carregadas , e em equilibrio termico.
A explicação da radiação do corpo negro pelo fisico Max Planck no inicio do seculo XX, exigiu a hipotese da quantização da energia que mudou o rumo da fisica, levando finalmente a formulação da mecanica quantica.

Answer 3

O estudo sobre radiação de corpos negros, que levou a origem da teoria quântica, tinha algo de absoluto, segundo Kirchhoff(professor de Planck) a característica de um corpo negro perfeito é sua capacidade de reemitir toda radiação que incide sobre ele; é um emissor e absorvedor perfeito.
Corpos Negros são corpos que reemitem toda a radiação eletromagnética que incide sobre eles. Na prática, estuda-se a radiação formada em uma cavidade, que pode ter a forma de um cubo, no interior de um corpo negro. Assim evitava-se a influência externa, e a geometria da cavidade pode ser escolhida para facilitar os cálculos teóricos. A radiação estudada é então emitida por um pequeno furo, produzido no material