A radiação térmica e a radiação de um corpo negro

Dois conceitos importantes para a Física Quântica são os de radiação térmica e de corpo negro. Estudaremos, a partir de agora, cada um deles.

Radiação térmica

Qualquer superfície de um corpo que esteja a uma temperatura superior ao zero absoluto emite radiações eletromagnéticas. Como essa energia está relacionada à temperatura, é chamada de radiação térmica.

A radiação térmica emitida pela superfície de um corpo que se encontra à temperatura ambiente é infravermelha, uma radiação não visível. Se elevarmos a tempetura de uma placa metálica a 600° C, por exemplo, a radiação emitida ainda será infravermelha, mas agora seremos capazes de “percebê-la”, caso aproximemos nossas mãos da placa. Aumentando ainda mais a temperatura até cerca de 700° C, passaremos a ter não só radiações infravermelhas intensas, mas também poderemos observar a emissão de uma luz avermelhada.

Caso a temperatura da placa metálica continue sendo aumentada e supondo que a temperatura de fusão não seja atendida, observaremos radiações infravermelhas cada vez com maior intensidade, além de a placa passar, gradualmente, do vermelho para o alaranjado, depois para o amarelo, e assim por diante, tendendo a atingir a cor branca.

À medida que a luz azul passa a ser emitida, sua mistura com as demais luzes nos dá a sensação do branco, tal como acontece com o filamento aceso de uma lâmpada incandescente. Caso um corpo que já atingiu a coloração branca siga tendo a temperatura aumentada, ele tenderá a adquirir uma coloração azulada. É por essa razão que as estrelas azuis são as mais quentes.

Lei de Stefan-Boltzmann

Em 1879, Stefan obteve, empiricamente, a equação que Boltzmann demonstrou matematicamente em 1884. A expressão é:

(Lei de Stefan-Boltzmann)

Onde:

Pot = potência total irradiada pela superfície externa de um corpo que se encontra a uma temperatura absoluta T;

e = emissividade ou poder de emissão do corpo, dependendo da natureza da superfície emissora e podendo assumir valores entre 0 e 1 (grandeza adimensional);

σ = constante de Boltzmann, cujo valor é  σ = 5,67x10^-8 W/m²K⁴;

A = área da superfície emissora.

É importante salientar que, de acordo com a Lei de Stefan-Boltzmann, a potência irradiada depende da temperatura absoluta da superfície do corpo na quarta potência, sendo, portanto, o fator determinante na equação.

A lei de Stefan-Boltzmann também pode ser expressa da seguinte forma:

Onde I é a intensidade total da radiação térmica emitida pelo corpo, ou seja, a quantidade total de energia emitida por unidade de tempo e por unidade de área da superfície externa do corpo.

De acordo com a teoria eletromagnética clássica, a radiação térmica é emitida por cargas elétricas do corpo, oscilando em várias frequências perto da superfície devido à agitação térmica. Assim, a radiação é emitida em uma faixa contínua de frequências, ou seja, em um espectro contínuo:

Segundo a Física Clássica, ao incidir radiação térmica em um corpo, as cargas elétricas próximas à superfície do corpo se agitam, de modo que parte da energia incidente no corpo é absorvida por ele. Em 1859, Gustav Kirchhoff percebeu que o poder de absorção de um corpo é igual ao seu poder de emissão. Matematicamente:

Portanto, um corpo bom absorvedor de radiação térmica (mau refletor) também é um bom emissor. Analogamente, um mau absorvedor (bom refletor) é também um mau emissor.