Cos negre

Un cos negre és un cos físic ideal que absorbix tota la energia electromagnètica incident, sense importar la freqüència o l'àngul d'incidència. El nom de "cos negre" se li dona degut a que absorbix tots els colors de la llum que incidix en la seua superfície. Esta absorció dona com resultat una agitació tèrmica que provoca l'emissió de Radiació tèrmica. Eixa energia electromagnètica emesa per un cos negre rep el nom de radiació de cos negre.^[1] La denominació de cos negre va ser introduïda per Gustav Kirchhoff en 1860

Tot cos emet energia en forma d'ones electromagnètiques, inclús en el buit. No obstant, l'energia radiant emesa per un cos a temperatura ambiente és escassa i correspon a llongituts d'ona més llargues que les de la llum visible, (és dir, de menor freqüència). En elevar la temperatura no solament aumenta l'energia emesa sino que ho fa a llongituts d'ona més curtes; a açò es deu el canvi de color d'un cos quan es calfa. Els cossos no emeten en igual intensitat a totes les freqüències o llongituts d'ona, sino que ho fan seguint la llei de Planck. A igualtat de temperatura, l'energia emesa depén també de la naturalea de la superfície; aixina, una superfície mat o negra té un poder emissor major que una superfície lluenta. Aixina, l'energia emesa per un filament de carbó incandescent és major que la d'un filament de platí a la mateixa temperatura. La llei de Kirchhoff establix que un cos que és bon emissor d'energia és també bon absorbent de dita energia. Aixina, els cossos de color negre són bons absorbents.

Models clàssic i quàntic de cos negre

Els principis físics de la mecànica clàssica i la mecànica quàntica conduïxen a prediccions mútuament excloents sobre els cossos negres o sistemes físics que se'ls aproximen. Les evidències de que el model clàssic feya prediccions de l'emissió a chicotetes llongituts d'ona en oberta contradicció en lo observat varen dur a Planck a desenrollar un model heurístic que va anar el germen de la mecànica quàntica. La contradicció entre les prediccions clàssiques i els resultats empírics a baixes llongituts d'ona, es coneix com catàstrofe ultravioleta.

Llei de Planck (model quàntic)

a on $I (ν, T) d ν$ es la cantidad d'energía por unidad de área, unidad de tiempo y unidad de ángulo sólido; $h$ es una constante que se conoce como constante de Planck; $c$ es la velocidad de la luz; y $k$ es la constante de Boltzmann. Se llama poder emisivo d'un cuerpo $E (ν, T)$ a la cantitat d'energia radiant emesa per l'unitat de superfície i temps:

La llongitut d'ona en la que es produïx el màxim d'emissió ve donada per la llei de desplaçament de Wien; per lo tant, a mida que la temperatura aumenta, la lluentor d'un cos va sumant llongituts d'ona, cada volta més chicotetes, i passa del roig al blanc segons va sumant les radiacions des del groc fins al violeta. La potència emesa per unitat d'àrea ve donada per la llei de Stefan-Boltzmann.

Llei de Rayleigh-Jeans (model clàssic)

Abans de Planck, la Llei de Rayleigh-Jeans modelizaba el comportament del cos negre utilisant el model clàssic. D'esta forma, el model que definix la radiació del cos negre a una llongitut d'ona concreta:

a on c és la velocitat de la llum, k és la constant de Boltzmann i T és la temperatura absoluta. Esta llei prediu una producció d'energia infinita a llongituts d'ona molt chicotetes. Esta situació que no es corrobora experimentalment és coneguda com la catàstrofe ultravioleta.

Aproximacions físiques a un cos negre

El cos negre és un objecte teòric o ideal, pero es pot aproximar de vàries formes entre elles una cavitat aïllada i atres sistemes un poc més complexos.

Cavitat aïllada

És possible estudiar objectes en elaboratori en comportament molt propenc al del cos negre. Per a això s'estudia la radiació provinent d'un forat chicotet en una cambra aïllada. La cambra absorbix molt poca energia de l'exterior, ya que esta solament pot incidir pel reduït forat. No obstant, la cavitat irradia energia com un cos negre. La llum emesa depén de la temperatura de l'interior de la cavitat, produint el espectre d'emissió d'un cos negre. El sistema funciona de la següent manera:

La llum que entra per l'orifici incidix sobre la paret més alluntada, a on part d'ella és absorbida i una atra reflectida en un àngul aleatori i torna a incidir sobre una atra part de la paret. En ella, part de la llum torna a ser absorbida i una atra part reflectida, i en cada reflexió una part de la llum és absorbida per les parets de la cavitat. Despuix de moltes reflexions, tota l'energia incident ha segut absorbida.

Aleacions i nanotubos

Segons el Llibre Guinness dels Récorts, la substància que menys reflectix la llum (en atres paraules, la substància més negra) és una aleació de fòsfor i níquel, en fòrmula química NiP. Esta substància va ser produïda, en principi, per investigadors indis i nortamericans en 1980, pero perfeccionada (fabricada més obscura) per Anritsu (Japó) en 1990. Esta substància reflectix tan sol el 0,16 % de la llum visible; és dir, 25 voltes menys que la pintura negra convencional. En l'any 2008 va ser publicat en la revista científica Nanoletters un artícul en resultats experimentals sobre un material creat en nanotubos de carbono que és el més absorbent creat per l'home, en una reflectancia de 0,045 %, casi tres voltes menys que la marca conseguida per Anritsu.^[2]

Cossos reals i aproximació de cos gris

Els objectes reals mai es comporten com a cossos negres ideals. En el seu lloc, la radiació emesa a una freqüència donada és una fracció de l'emissió ideal. La emisividad d'un material especifica quin és la fracció de radiació de cos negre que és capaç d'emetre el cos real. La emisividad depén de la llongitut d'ona de la radiació, la temperatura de la superfície, acabat de la superfície (polida, oxidada, neta, bruta, nova, intemperizada, etc.) i àngul d'emissió. En alguns casos resulta convenient supondre que existix un valor d'emisividad constant per a totes les llongituts d'ona, sempre menor que 1 (que és la emisividad d'un cos negre). Esta aproximació es denomina aproximació de cos gris.^[3]^[4] La Llei de Kirchhoff indica que en equilibri termodinàmic, la emisividad és igual a la absortividad, de manera que este objecte, que no és capaç d'absorbir tota la radiació incident, també emet menys energia que un cos negre ideal.

Aplicacions astronòmiques

En astronomia, l'emissió de les estrelas s'aproxima a la d'un cos negre.^[5] La temperatura associada es coneix com Temperatura Efectiva, una propietat fonamental per a caracterisar l'emissió estelar. La radiació còsmica de fondo de microones provinent del Big Bang es comporta casi com un cos negre. Les chicotetes variacions detectades en esta emissió són cridades anisotropias i són molt importants per a conéixer les diferències de massa que existia en l'orige de l'univers. La radiació d'Hawking és la radiació de cos negre emesa per forats negres. L'emissió de gas, pols còsmica i discs protoplanetaris també s'associa en cossos negres, principalment en la regió infrarroja i milimétrica de l'espectre electromagnètic. Són importants ferramentes per a buscar sistemes planetaris.

Vore també

Referències

↑ Planck 1914
↑ enllaç trencat
↑ La emisividad d'una superfície depén, en principi, de la freqüència, l'àngul de visió i la temperatura. No obstant, per definició, la radiació d'un cos gris és simplement proporcional a la d'un cos negre a la mateixa temperatura, per lo que la seua emisividad no depén de la freqüència (o, equivalentemente, de la llongitut d'ona). Vore Massoud Kaviany (2002). «Figure 4.3(b): Behaviors of a gray (no wavelength dependence), diffuse (no directional dependence) and opaque (no transmission) surface», Principles of heat transfer, Wiley-IEEE, p. 381. ISBN 978-0-471-43463-4. and Ronald G. Driggers (2003). Encyclopedia of optical engineering, Volume 3, CRC Press, p. 2303. ISBN 978-0-8247-4252-2.
↑ Alguns autors descriuen les fonts de radiació infrarroja en una emisividad superior a aproximadament 0,99 com un cos negre. Vore «What is a Blackbody and Infrared Radiation?» (en anglés). Education/Reference tab. Electro Optical Industries, Inc. (2008).
↑ (2004) An introduction to the sun and stars, Cambridge University Press, pp. 21–22, 53. ISBN 978-0-521-54622-5. «A source in which photons llaure much more likely to interact with the material within the source than to escape is a condition for the formation of a black-body spectrum (Una font en la que els fotons tenen moltes més provabilitats d'interactuar en el material dins de la font que d'escapar és una condició per a la formació d'un espectre de cos negre)»

Bibliografia

a translation of Frühgeschichte der Quantentheorie (1899–1913), Physik Verlag, Mosbach/Baden.
Translated by Guthrie, F. as

Enllaços externs

Keesey, Lori J.. «Blacker than black». NASA. Archivat des d'el original, el 14 de juny de 2020. Consultat el 15 de juny de 2022. «Engineers now developing a blacker-than pitch material that will help scientists gather hard-to-obtain scientific measurements... nanotech-based material now being developed by a team of 10 technologists at the NASA Goddard Space Flight Center» (anglés)
«Corps Noir» - Lloc del Observatoire de Paris (francés)
Gabrielle Bonnet, xmli corps noir, lloc CultureSciences-physique de l'ENS Lió (francés)

Este artícul conté una traducció derivada de «Cuerpo negro» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.

[1] Planck 1914

[2] ç trencat

[emissivity-3] La emisividad d'una superfície depén, en principi, de la freqüència, l'àngul de visió i la temperatura. No obstant, per definició, la radiació d'un cos gris és simplement proporcional a la d'un cos negre a la mateixa temperatura, per lo que la seua emisividad no depén de la freqüència (o, equivalentemente, de la llongitut d'ona). Vore Massoud Kaviany (2002). «Figure 4.3(b): Behaviors of a gray (no wavelength dependence), diffuse (no directional dependence) and opaque (no transmission) surface», Principles of heat transfer, Wiley-IEEE, p. 381. ISBN 978-0-471-43463-4. and Ronald G. Driggers (2003). Encyclopedia of optical engineering, Volume 3, CRC Press, p. 2303. ISBN 978-0-8247-4252-2.

[gray_body-4] Alguns autors descriuen les fonts de radiació infrarroja en una emisividad superior a aproximadament 0,99 com un cos negre. Vore «What is a Blackbody and Infrared Radiation?» (en anglés). Education/Reference tab. Electro Optical Industries, Inc. (2008).

[Green-5] (2004) An introduction to the sun and stars, Cambridge University Press, pp. 21–22, 53. ISBN 978-0-521-54622-5. «A source in which photons llaure much more likely to interact with the material within the source than to escape is a condition for the formation of a black-body spectrum (Una font en la que els fotons tenen moltes més provabilitats d'interactuar en el material dins de la font que d'escapar és una condició per a la formació d'un espectre de cos negre)»

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]