Radiația corpului negru

Un corp negru este un absorbant și emițător ideal de radiație electromagnetică. Spectrul său este continuu și forma depinde numai de temperatură: prin încălzire spectrul devine mai intens, iar maximul se deplasează spre lungimi de undă mai scurte.

Corpul negru este un model, nu un obiect vopsit în negru

Corpul negru ideal absoarbe toată radiația electromagnetică incidentă. O gaură mică într-o cavitate opacă este o aproximație practică: radiația care intră suferă multe reflexii și are șanse mici să iasă. „Negru” descrie absorbția ideală, nu culoarea vizibilă a corpului fierbinte.

cavitateorificiu micreflexii multiple
Corpul negru este un model, nu un obiect vopsit în negru

Temperatura remodelează întregul spectru

Spectrul acoperă un domeniu larg de lungimi de undă. Legea deplasării lui Wien λmaxT=b, b≈2,898×10⁻³ m·K, arată că odată cu creșterea temperaturii maximul se mută la lungimi de undă mai scurte. Corpul nu emite numai la λmax.

λmax T = b   ·   b ≈ 2,898 × 10⁻³ m·K

mai fierbintemai receλputere spectrală
Temperatura remodelează întregul spectru

Explorați temperatura

Temperatura schimbă simultan poziția maximului și puterea totală emisă. De aceea, când comparăm stele, corpuri încinse sau obiecte la temperatura camerei, trebuie interpretate împreună forma spectrală și fluxul total de energie.

Emisia termică totală crește ca T⁴

M = σT⁴

Pentru un corp negru ideal M=σT⁴, cu σ=5,670×10⁻⁸ W m⁻² K⁻⁴. Dublarea temperaturii absolute mărește puterea pe unitatea de suprafață de 16 ori. Pentru suprafețe reale se folosește emisivitatea ε<1.

De ce fizica clasică a eșuat — și de ce a funcționat ideea lui Planck

Modelele clasice nu puteau reproduce spectrul măsurat la lungimi de undă mici. Planck a obținut forma corectă considerând schimbul de energie cuantificat în porții E=hf. Din distribuția completă rezultă legile Wien și Stefan–Boltzmann.

Poziția lui λmax depinde și de forma densității spectrale reprezentate. Aici folosim puterea pe interval de lungime de undă; dacă reprezentăm puterea pe interval de frecvență, poziția numerică a maximului este diferită. Nu este o contradicție, ci efectul transformării dintre variabilele λ și f. Pentru schimbul termic radiativ net trebuie inclusă și radiația primită din mediul înconjurător.

Exemple rezolvate

1. Maximul unei suprafețe similare Soarelui

Soluție. La T=5800 K, λmax≈500 nm.

2. Obiect la temperatura camerei

Soluție. La T=300 K, λmax≈9,66 μm, în infraroșu.

3. Temperatură absolută dublă

Soluție. Puterea totală crește de 16 ori, iar λmax se înjumătățește.