Questões conceituais:
Explique por que uma cavidade pode absorver radiação de modo aproximado ao de um corpo negro.

Passo 1

O enunciado pede para explicar por que uma cavidade, isto é, um recipiente fechado com um pequeno orifício, consegue absorver radiação quase como um corpo negro ideal. O conteúdo envolve radiação térmica, múltiplas reflexões internas e a lei de Kirchhoff da radiação.

Passo 2

Um corpo negro é definido como um objeto que absorve totalmente toda radiação incidente, sem refletir nem transmitir nada. Em termos de coeficientes, a absorptividade \alpha de um corpo negro é \alpha=1. Pela lei de Kirchhoff, em equilíbrio térmico sua emissividade \varepsilon também vale \varepsilon=1.

Passo 3

Considere uma cavidade com paredes opacas e um pequeno orifício. Quando um fóton entra pelo orifício, ele sofre diversas reflexões nas paredes internas antes de eventualmente escapar de volta pelo orifício.

Passo 4

Se a refletividade das paredes é \rho<1, a probabilidade de um fóton ainda não ter sido absorvido após n reflexões é aproximadamente \rho^n. Como n tende a ser grande para trajetórias internas longas, \rho^n\to0. Logo, quase toda radiação que entra é absorvida pelas paredes.
Em equilíbrio térmico, a cavidade passa a emitir radiação com espectro e intensidade idênticos aos de um corpo negro à mesma temperatura, pois pela lei de Kirchhoff sua emissividade interna também se aproxima de 1.

Resposta

Uma cavidade com um pequeno orifício absorve radiação quase totalmente devido às múltiplas reflexões que reduzem a chance de fuga ao negligenciável, fazendo com que sua absorptividade e emissividade se aproximem de 1, ou seja, ela se comporte praticamente como um corpo negro.

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