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IL PROBLEMA DEL CORPO NERO

CORPO NERO In fisica un corpo nero è un oggetto ideale che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente senza rifletterla e perciò è detto nero secondo l’interpretazione classica del colore dei corpi. Assorbendo tutta l'energia incidente, per la legge di conservazione dell'energia il corpo nero re-irradia tutta l'energia assorbita (coefficiente di emissione uguale a quello di assorbimento e pari a uno). Si tratta di una idealizzazione fisica, dal momento che in natura non esistono corpi che soddisfano perfettamente tale caratteristica.

TRENT’ANNI CHE SCONVOLSERO LA FISICA Alla fine dell’Ottocento i fisici si resero conto di non essere in grado di spiegare le proprietà di emissione e di assorbimento di un corpo nero. Nei decenni successivi ( i trent’anni che sconvolsero la fisica ) i tentativi di spiegazione portarono alla costruzione della fisica quantistica

CORPO NERO IN LABORATORIO Negli esperimenti in laboratorio un corpo nero è costituito da un oggetto cavo mantenuto a temperatura costante (una sorta di forno) le cui pareti emettono e assorbono radiazioni su tutte le possibili lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico. .

RADIAZIONE DI CORPO NERO La radiazione emessa da un corpo nero viene detta radiazione del corpo nero e la densità di energia irradiata spettro di corpo nero. Lo spettro di un corpo nero (intensità o densità della radiazione emessa) può essere rappresentato o in funzione della lunghezza d'onda o della frequenza delle radiazioni emesse. Esso dipende unicamente dalla temperatura T del corpo nero e non dalla materia che lo compone o dalle dimensioni del foro.

DISTRIBUZIONE SPETTRALE DELL’IRRADIAMENTO DEL CORPO NERO In ascissa la lunghezza d’onda λ In ordinata la potenza che fuoriesce dal foro, sotto forma di onde elettromagnetiche di lunghezza d’onda compresa in un piccolo intervallo ∆ λ centrato attorno a λ, divisa per l’area A del foro e per ∆ λ. Ho una curva per ogni temperatura T. Ciascuna curva descrive come la potenza irradiata dal corpo nero si distribuisce tra le diverse lunghezze d’onda.

LEGGE DI WIEN La curva dei valori massimi rappresenta la legge di Wien

DISACCORDO TRA PREVISIONE CLASSICA E DATI SPERIMENTALI I fisici si accorsero di un problema: applicando le equazioni di Maxwell per determinare per via teorica le radiazioni emesse e assorbite dalle pareti del corpo nero si ottenevano degli spettri nei quali al diminuire della lunghezza d'onda i valori dell’irradiamento tendevano all'infinito. Ciò era in palese contraddizione con i dati sperimentali nei quali a piccole lunghezze d’onda l’irradiamento tende a zero.

PREVISIONE CLASSICA E DATI SPERIMENTALI

I QUANTI DI PLANCK Nel 1900 Planck formulò un modello che forniva risultati in perfetto accordo con i dati sperimentali. Planck fece la seguente ipotesi: gli scambi energetici tra gli atomi della cavità e le radiazioni elettromagnetiche avvengono attraverso il passaggio di «pacchetti di energia» detti quanti. L’energia E scambiata con gli atomi delle pareti è direttamente proporzionale alla frequenza f dell’onda elettroamgnetica emessa o assorbita, in base alla formula E=nhf con n numero intero positivo e h = 6, 62607 x 10 -34 Js L’energia E è perciò quantizzata ovvero può assumere soltanto un insieme discreto di valori