Corpo perfeitamente negro - um problema da física newtoniana

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Corpo perfeitamente negro - um problema da física newtoniana
Corpo perfeitamente negro - um problema da física newtoniana
Anonim

O corpo absolutamente negro é um objeto mental físico idealizado. Curiosamente, não precisa ser preto. Aqui é diferente.

corpo completamente preto
corpo completamente preto

Albedo

Todos nos lembramos (ou pelo menos deveríamos ter lembrado) do curso de física da escola que o conceito de "albedo" implica a capacidade da superfície de um corpo de refletir a luz. Assim, por exemplo, as coberturas de neve das calotas polares do nosso planeta são capazes de refletir até 90% da luz solar que incide sobre elas. Isso significa que eles são caracterizados por alto albedo. Não surpreendentemente, os funcionários das estações polares são muitas vezes forçados a trabalhar com óculos de sol. Afinal, olhar para a neve pura é quase o mesmo que olhar para o Sol a olho nu. A este respeito, a lua de Saturno Enceladus, que é quase inteiramente composta por água gelada, tem uma refletividade recorde em todo o sistema solar, tem uma cor branca e reflete quase toda a radiação que incide em sua superfície. Por outro lado, uma substância como a fuligem tem um albedo inferior a 1%. Ou seja, absorve cerca de 99% da radiação eletromagnética.

distribuição de energia no espectro de um corpo negro
distribuição de energia no espectro de um corpo negro

Descrição do corpo preto puro

Aqui chegamos ao mais importante. Certamente o leitor adivinhou que um corpo absolutamente negro é um objeto cuja superfície é capaz de absorver absolutamente toda a radiação que incide sobre ele. Ao mesmo tempo, isso não significa que tal objeto seja invisível e não possa, em princípio, emitir luz. Não, não confunda com um buraco negro. Pode ter cor e até ser muito visível, mas a radiação de um corpo negro sempre será determinada pela sua própria temperatura, não pela luz refletida. A propósito, isso leva em consideração não apenas o espectro visível ao olho humano, mas também ultravioleta, radiação infravermelha, ondas de rádio, raios-x, radiação gama e assim por diante. Como já mencionado, um corpo completamente negro não existe na natureza. No entanto, suas características em nosso sistema estelar são melhor correspondidas pelo Sol, que emite, mas quase não reflete a luz (vindo de outras estrelas).

Idealização de laboratório

Tentativas de trazer à tona objetos que não refletem a luz foram feitas desde o final do século XIX. Na verdade, esse problema se tornou um dos pré-requisitos para o surgimento da mecânica quântica. Antes de mais nada, é importante notar que qualquer fóton (ou qualquer outra partícula de radiação eletromagnética) absorvido por um átomo é imediatamente emitido e absorvido por um átomo vizinho, e reemitido. Este processo continuará até que o estado de saturação de equilíbrio no corpo seja alcançado. No entanto, quando um corpo negro é aquecido a tal estado de equilíbrio, a intensidade da luz emitida por ele torna-se igual à intensidade da luz absorvida.

Radiação de corpo negro
Radiação de corpo negro

Na comunidade científica de físicos, o problema surge quando se tenta calcular qual deve ser essa energia de radiação, que é armazenada em equilíbrio dentro de um corpo negro. E aí vem o momento incrível. A distribuição de energia no espectro de um corpo completamente negro em estado de equilíbrio significa literalmente a infinidade da energia de radiação dentro dele. Esse problema foi chamado de catástrofe ultravioleta.

Solução de Planck

O primeiro a encontrar uma solução aceitável para este problema foi o físico alemão Max Planck. Ele sugeriu que qualquer radiação é absorvida pelos átomos não continuamente, mas discretamente. Ou seja, em porções. Mais tarde, essas porções foram chamadas de fótons. Além disso, as ondas radiomagnéticas podem ser absorvidas pelos átomos apenas em certas frequências. Frequências inadequadas simplesmente passam, o que resolve a questão da energia infinita da equação necessária.

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