O Corpo Negro
Autor: Francisco Jaborandi | Publicado: 2012-02-22T12:42:00-08:00



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:







Equilíbrio
 térmico: Não ocorrem gradientes de temperatura. A temperatura do
 corpo é constante e homogênea;


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;


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;


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;



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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.