Corpo nero, effetto fotoelettrico ed effetto Compton

1. Radiazione termica

Ogni corpo a una temperatura maggiore dello zero assoluto emette onde elettromagnetiche, prodotte dal moto di agitazione termica delle cariche che lo compongono. Questa emissione si chiama radiazione termica. Contiene tutte le lunghezze d’onda, ma con intensità diverse, e la sua potenza cresce con la temperatura. A temperatura ambiente un corpo emette quasi solo nell’infrarosso, che l’occhio non vede. Un filo di ferro scaldato oltre $800{}^{\circ }\mathrm{C}$ diventa rosso, e a temperature più alte diventa giallo e poi bianco, perché una parte crescente della radiazione cade nel visibile. Per le onde elettromagnetiche si rimanda all’argomento sulle equazioni di Maxwell e onde elettromagnetiche.

2. Corpo nero

Un corpo che assorbe tutta la radiazione che lo colpisce, a qualunque lunghezza d’onda, si chiama corpo nero. Un buon modello di corpo nero è una cavità con pareti opache e un piccolo foro. La radiazione che entra dal foro viene riflessa molte volte dalle pareti e a ogni urto ne viene assorbita una parte, quindi la probabilità che esca di nuovo dal foro è trascurabile. Il foro equivale perciò a una superficie che assorbe tutto.

Quando le pareti sono a temperatura $T$, dal foro esce la radiazione termica della cavità. Sperimentalmente la distribuzione di questa radiazione tra le lunghezze d’onda dipende solo dalla temperatura, e non dal materiale o dalla forma della cavità. Per questo il corpo nero è il caso più semplice da studiare. Il Sole, le stelle e il filamento di una lampadina emettono una radiazione vicina a quella di un corpo nero.

3. Intensità spettrale

La potenza emessa da un corpo nero si distribuisce tra le lunghezze d’onda. L’intensità spettrale $I(\lambda )$ è la potenza emessa per unità di superficie e per unità di intervallo di lunghezza d’onda attorno a $\lambda$. Il suo grafico in funzione di $\lambda$ si chiama curva del corpo nero. L’area sotto la curva è la potenza totale emessa per unità di superficie.

Le curve misurate hanno tutte la stessa forma. L’intensità è quasi nulla per lunghezze d’onda molto piccole, cresce fino a un massimo e poi diminuisce lentamente. Quando la temperatura aumenta, la curva si alza in ogni punto e il suo massimo si sposta verso lunghezze d’onda minori. Per esempio a $5000\mathrm{K}$ il massimo è a $580\mathrm{nm}$, nel visibile, mentre a $4000\mathrm{K}$ è a $725\mathrm{nm}$, al confine con l’infrarosso, e l’area sotto la curva è circa $2,4$ volte più piccola.