corpo nero

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Attività corpo nero
Collega quanto rielaborato nell’ “Attività onde elettromagnetiche” alla radiazione di corpo nero:
Ogni corpo la cui temperatura è fino a 0 K è in grado di emettere energia:radiazione. Fornisci una definizione
di radiazione
Una radiazione è il fenomeno che descrive il trasporto di energia attraverso lo spazio.
le radiazioni sono visibili ad occhio nudo? Fai esempi
La parte di radiazioni visibili ad occhio nudo è quella che chiamiamo la luce visibile.
La potenza di radiazione è
La quantità di energia emessa da un corpo in un’unità di tempo.
La potenza di radiazione dipende da
Dalla quantità di energia emessa, dal tempo impiegato per emetterla e dalla frequenza della radiazione.
La capacità di emettere energia è strettamente legata alla capacità di assorbirla? Fai esempi
Sappiamo che i corpi in grado di assorbire le radiazioni sono anche in grado di emetterle. Un esempio è il
corpo nero, che assorbe tutte le radiazioni che entrano, in grado di emetterne di più rispetto ad un corpo
brillante che ne riflette una parte.
Riferimento la prima richiesta dell'esercizio "Equilibrio radiazione-materia-esercizio" a pagina 7 del file “1b-
radiazione_curve_riscaldamento_raffreddamento_note_prof_14_marzo2020”
Dal grafico si nota come, a parità di condizioni, il corpo nero abbia una temperatura maggiore del corpo
bianco.
Il modello ideale di un corpo emettitore utilizzato nello studio dei fenomeni di irradiazione è chiamato corpo
nero. Un corpo nero emette radiazioni quando viene riscaldato a una temperatura sufficientemente elevata T.
Gli scienziati hanno studiato la radiazione del corpo nero e hanno scoperto che le lunghezze d'onda delle
radiazioni emesse dall'irradiazione dipendono solo dalla temperatura T. In questo modo lo spettro delle
frequenze ha carattere universale, ovvero l'energia emessa è totalmente isotropa (corrisponde a una sorgente
di radiazione che irraggia con la stessa intensità in tutte le direzioni) e dipende solo sulla temperatura del corpo
e non sulla sua forma o sul materiale di cui è fatto.
Descrivi il modello del corpo nero
Si tratta di un corpo cavo con una piccola apertura verso l’esterno. Quando la luce entra attraverso questa
apertura nella cavità, viene riflessa molte volte dalle pareti interne e viene assorbita completamente. È per
questa ragione che il sistema è detto “nero”, anche se il materiale di cui è fatto non è necessariamente nero.
Quindi, possiamo affermare che un corpo nero ideale assorbe tutta la luce che incide su di esso.
La radiazione del corpo nero ha caratteristiche che sono descritte, secondo i principi della fisica classica,dalle
leggi di Stefan-Boltzmann e Wien.
La legge di Stefan-Boltzmann descrive il valore della radianza spettrale, cioè della potenza irradiata per unità
di superficie (W / m2
) per ciascuna frequenza della radiazione emessa dal corpo nero:
𝑞 = 𝜎 ∙ 𝑇4
Dove 𝑞 è l’emittanza termica, 𝜎 è la costante di Stefan-Boltzmann (5,67 ∙ 10−8 𝑊 𝑚−2 𝐾−4) e 𝑇 la
temperatura assoluta.
Inserisci un grafico con le frequenze in ascissa e la radiosità ordinale in ordinata, viene visualizzata la
distribuzione spettrale di un corpo nero:
Descrivi cosa puoi osservare dal grafico precedente riguardo allo spostamento del picco della distribuzione
spettrale (legge di Wien ...)
Quanto maggiore è la temperatura del corpo nero, tanto minore è la lunghezza d'onda di massima emissione.

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Una equivalente descrizione si può fare in relazione alla lunghezza d’onsda, inserisci un grafico con le
lunghezze d’onda in ascissa e la radiosità ordinale in ordinata, viene visualizzata la distribuzione spettrale di
un corpo nero:
Descrivi cosa puoi osservare dal grafico precedente riguardo allo spostamento del picco della distribuzione
spettrale (legge di Wien ...)
Si può osservare che a temperature più alte il picco della lunghezza d’onda si trova nella zona visibile,
mentre a temperature più basse si trova nella zona a infrarossa.
Un altro tentativo è stato fatto dai fisici Rayleigh e Jeans: hanno considerato la radiazione all'interno di una
cavità come costituita da un certo numero di onde stazionarie e sulla base della legge di equipartizione
dell'energia, hanno ottenuto un risultato che riproduceva bene la curva del corpo nero a le lunghezze d'onda
grandi, ma non sono riuscite a lunghezze d'onda corte e non hanno mostrato emissioni massime
Analizza il seguente video
https://www.youtube.com/watch?v=7hxYGaegxAM
guardalo almeno tre volte e raccogli:
comprensione generale Prendendo in esame un qualsiasi corpo essoprodurra
una luce che dipende dalla sua temperatua e non dal
suo materiale. La luce che produce dipende dalle

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radiazioni da esso emessa, più la temperatura è alta
e più le radiazioni emesse avranno lunghezze d'onda
con picco massimo vicino ai raggi ultravioletti. Un
corpo a bassa temperatura produce radiazioni con il
picco delle lunghezze d'onda oltre l'infrarosso e per
questo risulteranno invisibili a noi. In generale il
colore di un corpo che noi vediamo è conseguenza
dell'incapacità del corpo di assorbire queste
lunghezze d'onda, quindi le riflette e noi le vediamo.
parole chiave Current flowing
Blackbody
Glow
Energy
frasi chiave If something is hot or something is quite warm it will
release obviously heat energy which is infrared
energy but it will also start to emit some light
The otter they are, the more they glow
All objects emit radiation
Atoms emit radiation
Energy is quantised
Energy being quantized with all the physics
understanding or theories related to
energy at the time still left a big
hole, that was later resolved by Albert
Einstein.
In base a quanto descritto nel video e a quanto studiato, utilizza la simulazione
https://phet.colorado.edu/it/simulation/blackbody-spectrum per studiare in che modo lo spettro della
radiazione elettromagnetica emessa dagli oggetti è influenzato dalla temperatura dell'oggetto emettitore di
radiazione e rispondere alle seguenti domande.
Nella simulazione puoi modificare il valore della temperatura in corrispondenza del quale intendi osservare lo
spettro della radiazione emessa.
a) La temperatura delle stelle nell'universo varia a seconda del tipo di stella e dell'età della stella. Osservando
la forma dello spettro della luce emessa da una stella, possiamo dire qualcosa sulla sua temperatura superficiale
media.
Se osservi lo spettro di una stella la cui potenza di
picco si verifica
temperatura superficiale approssimativa della stella
(in °C)
al confine tra luce rossa e infrarossa 3426,85
al confine tra la luce blu e quella ultravioletta 7376,85
b) il filamento metallico (generalmente tungsteno) che compone le lampadine a incandescenza raggiunge
temperature intorno ai 2500°C.
i) Qual è la lunghezza d'onda alla quale viene emessa la massima potenza per una lampadina che funziona a
2500 C?
1,035 µ𝑚
ii) Spiega perché le normali lampadine a incandescenza sprecano molta energia. Argomenta con linguaggio
specifico il tuo ragionamento.
Le lampadine ad incandescenza sfruttano il passaggio di corrente attraverso il filo di tungsteno per produrre
luce, buona parte di questa (95%) energia però viene dispersa sottoforma di calore invece che trasformarla
in ciò che sarebbe richiesto fondamentalmente, ossia la luce; ciò è dipeso anche dalla resistenza che il filo
di tungsteno applica al passaggio di corrente.

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c) Indaga ora su come cambia il grafico dello spettro osservato rispetto alla temperatura. Nota che nella
simulazione puoi solo cambiare la temperatura, considera nei tuoi ragionamenti anche come cambierebbe lo
spettro (potenza vs. colore) se cambiassi altre caratteristiche sull'oggetto.
affermazione V/F motivazione
Se l'unica modifica apportata è la
diminuzione della temperatura di un
oggetto, in alcuni casila quantità di energia
emessa a 1000 nm aumenterà.
F La quantità di energia emessa a 1000 nm
diminuisce sempre
Se l'unica modifica apportata è la riduzione
della temperatura di un oggetto, la quantità
totale di energia emessa diminuisce in tutti i
casi.
V La quantità di energia diminuisce con il diminuire
della temperatura
Se si aumentasse la superficie di un
filamento a bulbo, ma lasciando invariata la
sua temperatura, una frazione maggiore
della sua potenza totale sarebbe emessa
come radiazione IR.
V Maggiore è la superficie di esposizione e maggiore
sarà l’emissione delle radiazioni infrarosse
d) Utilizzare la simulazione dello spettro per studiare come cambia la potenza di radiazione nelle lunghezze
d'onda visibili per temperature comprese tra i 2000°C e i 2500°C.
Valore lunghezza d’onda rapporto tra la potenza emesse a 2000°C e quella
emessa a 2500°C
0,5 µm 0,04/0,41 (MW/m2/µm)
0,7 µm 0,29/1,44 (MW/m2/µm)
0,6 µm 0,14/0,92 (MW/m2/m)
0,4 µm 6*10^-3/0,10 (MW/m2/m)
ii) Nella domanda 1b, hai considerato la lunghezza d'onda per la potenza di picco di una lampadina che
funziona a 2500°C.
domanda risposta
Qual è la lunghezza d'onda di picco approssimativa
per una lampadina che funziona a 2000°C?
1,260 µm
motivazione Converto i gradi celsius in kelvin e sostituisco il
valore trovato alla temperatura nella simulazione.
e) Il filamento di una lampadina ad incandescenza ha un'area di 6,45 x 10-4
m2
e un'emissività di 0,8; quanta
energia elettrica usa la lampadina se la temperatura del filamento raggiunge i 2600°C?
Verso il concetto di quanto di energia e l’interpretazione delle evidenze sperimentali ottenute da Lenard
come “effetto fotoelettrico”
Analizza con attenzione quanto descritto nel file “20_anni_effetto_fotoelettrico_AIF” nei paragrafi da “La
scoperta di Hertz” a “Prime elaborazioni e difficoltà teoriche” compreso.
Lenard, ripete l’esperimento di Hertz:
le domande poste da Lenard le ipotesi interpretative
Stando alle equazioni di Maxwell, quando la luce incide su una superficie metallica, in quanto onda,
viene riflessa; la teoria delle onde richiede che:

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relazione tra l’ampiezza E0 del vettore campo
elettrico oscillante E e la densità di energia associata
al campo elettrico
Conseguente relazione tra l’ampiezza E0 del vettore
campo elettrico oscillante E e l’intensità media
associata all’onda elettromagnetica
Secondo la teoria di Maxwell:
Poiché la forza applicata all'elettrone ha modulo eE,
se aumenta l’intensità della radiazione, cosa
dovrebbe accadere all'energia cinetica degli elettroni
emessi?
Il fenomeno dovrebbe verificarsi per qualsiasi
frequenza della luce?
Il fenomeno dovrebbe verificarsi per qualsiasi
lunghezza d’onda della luce?
Il fenomeno dovrebbe dipendere dall'intensità della
luce?
Il fenomeno dovrebbe dipendere dal tipo di metallo?
Il fenomeno si verifica dopo un certo tempo
misurabile? (tra il momento in cui la luce inizia a
colpire la superficie e l’emissione di radiazione dalla
lastra)