) O que é um corpo negro? Qual o experimento a ele relacionado, e que resultados foram obtidos? Que problema isso trazia para a Física da época, e como Planck o solucionou?
Boa sorte!
Boa sorte!
Passo 1
O enunciado pede para entender o conceito de corpo negro, descrever o experimento histórico associado e seus resultados, explicar o problema que isso criava na Física clássica e mostrar como Planck resolveu esse impasse. O conteúdo principal envolve radiação térmica de um emissor ideal e o nascimento da mecânica quântica.
Passo 2
Um corpo negro é um emissor e absorvedor perfeito de radiação eletromagnética: ele absorve toda a radiação incidente e, em equilíbrio térmico à temperatura
, emite uma distribuição de energia que depende só de
. Como modelo prático usa-se uma cavidade com pequena abertura, cujas paredes emitem internamente radiação que atinge um equilíbrio termodinâmico.
Passo 3
No fim do século XIX, Lummer, Pringsheim e Rubens mediram a intensidade espectral da radiação emitida por essa cavidade em função do comprimento de onda
ou da frequência
para várias temperaturas
. Eles encontraram curvas com um pico que se desloca para comprimentos de onda menores conforme
aumenta (lei de Wien:
) e viram que a energia total emitida segue a lei de Stefan–Boltzmann (
).
Passo 4
A Física clássica, usando o teorema da equipartição, previa para a densidade espectral em frequência
o que cresce indefinidamente com
. Na prática isso não ocorre: para altas frequências a intensidade cai, evitando infinidade de energia (a chamada catástrofe ultravioleta). Esse conflito entre teoria e experimento era um grave problema para a Física da época.
Passo 5
Max Planck propôs que os osciladores das paredes da cavidade só podem trocar energia em “pacotes” quânticos de valor
, com
constante universal. Partindo dessa hipótese ele deduziu a lei de radiação de corpo negro
que concorda com todos os dados experimentais e elimina a divergência clássica. A constante
tornou-se a base da mecânica quântica.
Resposta
Um corpo negro é um emissor e absorvedor perfeito de radiação térmica. Experimentos de Lummer–Pringsheim mostraram uma curva espectral com pico dependente de
, em desacordo com a previsão clássica que divergia na região ultravioleta. Planck resolveu o problema ao quantizar a troca de energia dos osciladores, dando origem à lei de radiação de corpo negro e inaugurando a mecânica quântica.