O Corpo Negro

Radiação de Corpo Negro

Aspectos Históricos

Até a metade do século XIX, um grande volume de diferentes dados experimentais sobre a radiação de corpos aquecidos foi acumulado; havia chegado a hora de compreender essas informações teoricamente, e foi Kirchhoff quem deu dois importantes passos nessa direção. O primeiro passo de Kirchhoff juntamente com Bunsen foi estabelecer o fato de que um espectro (uma série de comprimentos de onda ou frequências) muito específico de uma luz emitida e absorvida por uma substância corresponde àquela substância em particular. Esta descoberta serviu como a base da análise espectral das substâncias. O segundo passo consistiu em determinar as condições sob as quais o espectro de radiação dos corpos aquecidos depende somente da temperatura desse corpo e não de sua composição química. Kirchhoff considerou, teoricamente, a radiação emitida de um corpo rígido dotado de uma pequena cavidade, cujas paredes estão a uma determinada temperatura. Em tal cavidade, as paredes emitem a mesma quantidade de energia que absorvem e que sob essas condições a distribuição de energia do espectro de radiação não depende do material de que são constituídas as paredes da cavidade. Esta radiação foi chamada de radiação “absolutamente (ou idealmente) negra.”

Gustav Kirchhoff.

Somente 35 anos depois, em 1895, W. Wien e O. Lummer sugeriram um modelo de corpo negro ideal para verificar a teoria de Kirchhoff experimentalmente. Este modelo foi manufaturado a partir de uma esfera oca com paredes internas refletoras e um pequeno orifício em sua parede cuja diâmetro sendo muito menor que o diâmetro da esfera. Os autores propuseram estudasr o espectro de radiação que transitava dentro da esfera.

Modelo clássico de corpo negro.

Qualquer raio de luz sofre múltiplas reflexões dentro da cavidade e, na verdade, não emerge do orifício. Ao mesmo tempo, se as paredes se encontram a uma elevada temperatura, o orifício apresentará um brilho (caso o processo ocorra dentro da faixa óptica) devido a radiação eletromagnética expelida do interior da cavidade. Foi este modelo em particular que foi utilizado nas investigações das leis da radiação térmica e principalmente na verificação da dependência espectral da radiação do corpo negro da frequência e temperatura (a fórmula de Planck), estabelecida quantitativamente. O sucesso desse experimento (e um pouco mais tarde de sua teoria) baseado numa abordagem quântica foi tão significante que até hoje, esta famosa cavidade refletora tem sido considerada como um exemplo único de corpo negro em livros texto de Física Geral.

Corpo Negro

Define-se como corpo negro o meio ou a substância que absorve toda a radiação incidente sobre ele, independentemente do comprimento de onda, direção de incidência ou estado de polarização. Nenhuma parte da radiação incidente é refletida ou transmitida.

Para entender o conceito, imagine um corpo isolado do seu meio externo, com paredes isolantes. Como não há trocas com o meio externo, dizemos que o corpo se encontra em equilíbrio termodinâmico, isto é, encontra-se em:

1. Equilíbrio térmico: Não ocorrem gradientes de temperatura. A temperatura do corpo é constante e homogênea;
2. Equilíbrio mecânico: Não existem forças líquidas ou tensões atuando sobre o corpo, ou seja, a pressão exercida sobre todas as partes do corpo é constante;
3. Equilíbrio radiativo: O campo de radiação dentro do corpo é constante, isto é, o fluxo de radiação que entra no corpo é igual ao que sai;
4. Equilíbrio químico: As taxas de todas as reações químicas são balanceadas por suas reações inversas, de forma que a composição química é a mesma em todo o corpo;

 

Vamos supor agora, que esse corpo possua uma pequena abertura em sua parede. Toda a radiação que incide nessa abertura é absorvida, pois a probabilidade de ser refletida dentro do corpo, voltar e sair pelo mesmo orifício é demasiado pequena. Por esse motivo, dizemos que a abertura é perfeitamente absorvedora ou “negra”, já que toda a radiação incidente por ele é absorvida.

Por causa de agitações térmicas, as partículas carregadas que compõe as paredes da cavidade, oscilam e produzem radiação térmica.

Essa radiação térmica que sai pela abertura alcançou o equilíbrio térmico com o material que constitui o corpo e é chamada de radiação de corpo negro ou radiação de cavidade e tem as seguintes características:

• é isotrópica;
• não polarizada;
• independe da forma e da constituição do corpo em questão;
• depende apenas da temperatura do corpo e do comprimento de onda da radiação.

Um corpo negro pode ser idealizado por uma cavidade ressonante dotada de um pequeno orifício, como mostra a figura abaixo:

Corpo negro.

Por causa de agitações térmicas, as partículas carregadas que compõe as paredes da cavidade, oscilam e produzem radiação térmica. A radiação térmica emitida através do orifício tem característica espectral de corpo negro (espectro é a distribuição de intensidade por frequência ou comprimento de onda).

Radiação Térmica

É a radiação emitida por um corpo em função de sua temperatura. Todos os corpos a nossa volta estão constantemente emitindo e absorvendo radiação térmica; para temperaturas comuns, essa emissão se ´dá numa faixa de frequência de infravermelho de 10¹² – 10¹⁴ Hz, que não é visível. Por isso foi possível o desenvolvimento de visores noturnos que detectam exatamente essa radiação no infravermelho.

Detetor de infravermelho.

Quando conseguimos ver a radiação térmica emitida por um corpo, como por exemplo, uma carvão em brasa ou o filamento de uma lâmpada, isto significa que a temperatura desses corpos deve ser bastante elevada.

Carvão em brasa.

Se um corpo está mais quente que sua vizinhança, a emissão de radiação térmica desse corpo vai predominar sobre a absorção da mesma, e se ele estiver mais frio, a absorção vai predominar. Quando um corpo está em equilíbrio térmico com a sua vizinhança, a emissão é igual à absorção (lei de kirchhoff).

A forma específica do espectro de radiação térmica depende do corpo que a está emitindo, mas existe uma classe de corpos que emite um espectro de caráter universal, ou seja independente do material e da forma do corpo, dependente apenas da temperatura. Esses corpos são chamados de corpos negros.