Perchè le braci scaldate emettono luce rossa?

Fu questa semplice ed apparentemente banale domanda a spalancare la porta del mondo dei quanti all’inizio del secolo scorso.

La radiazione di corpo nero era diventata agli inizi del 1900 un argomento “scottante” per i fisici di tutto il mondo.

Tutti i corpi emettono energia e l’assorbono dal mondo circostante. Per corpi intendiamo oggetti costituiti da molti miliardi di atomi, oggetti quindi appartenenti di diritto al nostro macrocosmo.
I corpi caldi tendono, in tutte le loro parti, a raggiungere un equilibrio tra l’energia emessa e quella assorbita. Se, ad esempio, prendiamo dal frigo un uovo e lo tuffiamo in un pentolino di acqua bollente, l’uovo tenderà a scaldarsi e l’acqua del pentolino progressivamente a raffreddarsi fino a raggiungere quello che viene chiamato equilibrio termico, ovvero la temperatura dell’uovo e dell’acqua sarà diventata uguale.
La stessa cosa avviene quando siamo sdraiati in spiaggia a prendere il sole, il nostro corpo emette ed assorbe radiazioni elettromagnetiche. Assorbiamo l’energia prodotta dal Sole ed emettiamo una certa quantità di calore necessaria a mantenere la giusta temperatura interna, grazie a complessi meccanismi di regolazione del nostro organismo.
Un uomo adulto, in buona salute, alla temperatura interna di 37 gradi centigradi emette nell’ambiente circostante circa 100 watt di energia.
La radiazione emessa da un uomo, da un tostapane o da un altro corpo, ha un colore che è “l’impronta” di particolari transizioni atomiche, in altre parole è figlia della chimica.
I fuochi d’artificio, ad esempio, quando esplodono sono certamente caldi ed emettono luci che dipendono dai composti chimici dai quali sono costituiti (cloruro di bario, cloruro di stronzio, etc.) che colorano in modo diverso la volta celeste.
La radiazione elettromagnetica si comporta sempre allo stesso modo, quando tutti gli effetti cromatici dei vari atomi si mischiano e si cancellano, danno vita a quello che i fisici chiamano radiazione termica. L’oggetto ideale che la produce è detto “corpo nero”.
Si tratta di un corpo che produce solo radiazione termica quando viene riscaldato senza che prevalga alcun colore. Questo che sembra un concetto astratto può essere applicato in natura ad oggetti molto vicini ad essere dei “corpi neri”.

Ogni corpo la cui temperatura sia al di sopra dei 0 K (l’equivalente di -273,15 °C, espressa secondo l’unità di misura della temperatura assoluta, il kelvin), emette energia sotto forma di irraggiamento, una delle varie forme di propagazione del calore. Da ciò si può comprendere come la capacità di emettere energia è strettamente legata alla capacità di assorbirla: se un’alta capacità di emissione non fosse “bilanciata” da un’alta capacità di assorbimento, tutta l’energia di un corpo andrebbe perduta ed esso raggiungerebbe una temperatura prossima allo zero assoluto. Quindi, di norma, un buon emettitore è anche un buon assorbitore, e viceversa.
In particolare, l’irraggiamento consiste in un’emissione di una serie di onde elettromagnetiche di diversa lunghezza d’onda (e quindi anche di diversa frequenza). Sperimentalmente, però, si osserva che la potenza di irraggiamento (quantità di energia irradiata per unità di tempo) di un corpo non dipende solo dalla sua temperatura, ma anche dalle sue caratteristiche fisiche (superficie, forma, composizione…). Tale modello prende il nome di corpo nero, in virtù del fatto che le superfici che tendono ad assorbire una grande quantità di radiazioni senza rifletterle appaiono ai nostri occhi di colore nero.

Il 14 Dicembre del 1900, con la presentazione dei risultati degli studi di Max Planck (1858-1947) sulla distribuzione spettrale del corpo nero, nasce la fisica moderna. Planck, studiando l’incongruenza della legge di Rayleigh-Jeans rispetto ai risultati sperimentali, modifica tale formula in modo da farla “aderire” alla curva descritta dai risultati empirici. In particolare, questa formula, detta appunto Legge della radiazione di Planck, risulta corretta anche per le alte frequenze, in quanto a una frequenza infinita corrisponde un’energia emessa nulla.

Se ad esempio, consideriamo la radiazione complessiva emessa dal Sole, questi è di fatto un caldissimo corpo nero.
Lo stesso si puo’ dire per le braci roventi o le resistenze di un tostapane.
I fisici hanno inventato vari modi per misurare la radiazione emessa da un corpo nero a varie temperature, sia per la sua intensità che per la sua composizione cromatica.
Hanno scoperto che questa contiene sempre una misura di varie lunghezze d’onda ma che al variare della temperatura alcuni valori prevalgono di volta in volta.
Il frutto di molte precise misurazioni è il cosiddetto spettro di corpo nero. Lo studio della radiazione termica fu un importante campo di ricerca, all’epoca del tutto inedito, che unì due materie diverse: la termodinamica e quella della radiazione elettromagnetica.
Nessuno al momento poteva sospettare che si trattasse di indizi importanti di quello che di li a poco sarebbe diventato il mistero del secolo: le proprietà quantistiche della luce e degli atomi.

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