Premessa

E' noto che un corpo caldo emette radiazione grazie all'energia dissipata dagli atomi che oscillando possono cedere al mondo esterno l'energia cinetica caotica in precedenza assimilata.
Ad un oggetto in movimento è associata un’energia cinetica vibrazionale caotica che determina un aumento della pulsazione all’aumentare della sua velocità determinata dall'energia termica trasferita all'atomo in esame.
Nel caso dell’oscillazione di un elettrone all’interno di un atomo (oscillatore atomico) la rapidità del moto, e di conseguenza la sua energia cinetica E , è misurata dalla frequenza  ƒ che è anche la stessa frequenza della radiazione emessa.
Dal momento che l’energia trasportata da un’onda elettromagnetica è legata all’energia dell’elettrone che l’ha emessa, si ricava che l’energia della radiazione è tanto maggiore quanto maggiore è la sua frequenza: i raggi infrarossi sono meno energetici di quelli ultravioletti perché la loro frequenza è minore (o, equivalentemente, la loro lunghezza d’onda λ è maggiore, dal momento che vale la relazione λ = c / ƒ, dove c è la velocità della luce).
Se si agita una scatola piena di palline, queste acquisiscono una velocità che non è uguale per tutte, alcune essendo più veloci, e dunque più energetiche, di altre. È possibile tuttavia definire un’energia media rappresentativa del moto delle palline nel loro insieme: all’aumentare dell’agitazione della scatola l’energia media aumenta. Analogamente, se, fornendo calore, un oggetto viene portato alla temperatura T , gli elettroni all’interno degli atomi acquisiscono diverse frequenze e quindi diverse energie cinetiche E la cui media è data da Emedia.
Se la temperatura aumenta, le velocità di oscillazione crescono, e così pure Emedia. Dal momento che l’intensità dell’irraggiamento cresce al crescere dell’energia degli elettroni, questo spiega la comune esperienza che ogni corpo riscaldato emette una radiazione (si pensi al filamento di una lampadina) la cui intensità aumenta all’aumentare della temperatura. Ma l’incremento di luminosità non è l’unico effetto associato alla crescita della temperatura. All’aumentare delle energie degli elettroni viene emessa radiazione che si estende fino a frequenze maggiori, e l’oggetto scaldato cambia colore. Quando cominciamo a scaldare il filamento di una stufa elettrica, esso effettivamente non emette radiazione visibile, ma emana calore tramite radiazione infrarossa. All’aumentare della temperatura la potenza irraggiata aumenta, e il filamento dapprima assume un colore rosso cupo per poi passare ad un arancione vivo, dal momento che l’arancione corrisponde a radiazione di lunghezza d’onda minore rispetto al rosso e all’infrarosso.

Corpo nero

Gli oggetti opachi sono in grado di assorbire energia dal mondo che li circonda. In generale assorbono energia associata alle radiazioni presenti nello spazio circostanti.

Gli oggetti in generale non assorbono tutta l'energia che li investe, come tutti possono osservare visto che associamo ad ogni corpo un colore, quello associato all'insieme delle radiazioni riflesse. Questa é associata all'energia non assorbita dal corpo.

Per studiare i meccanismi che sovr'intendono alla produzione delle radiazioni emesse dai corpi introdurremo il concetto di corpo nero.

Chiameremo corpo nero quel corpo in grado di assorbire al 100% la luce incidente anche al di là del visibile(nessuna riflessione). Tale corpo ideale non riflette alcuna radiazione e appare perfettamente nero. ( nel mondo reale il corpo nero non esiste).

ATTENZIONE: un corpo puo' apparire nero ai nostri occhi
perchè assorbe solo la luce visibile. Qui stiamo parlando di tutto
lo spettro elettromagnetico.

La migliore approssimazione di un corpo nero è rappresentata da una sfera cava, qualora tutte le radiazioni potessero passare solo da una piccola fenditura,

La radiazione che entra nel foro difficilmente riuscirà a sfuggirne di nuovo e verrà quindi assorbita. 2

Un corpo nero è un sistema ideale che assorbe tutta la radiazione che incide su di esso; esso può essere approssimato da una cavità con una piccolissima apertura, com'è illustrato nella figura

Se traferiamo energia ad un corpo nero questo assorbendo tutte le radiazioni si scalderà trasformano l'energia assimilata in energia cinetica caotica che si traferirà agli atomi che costituiscono la parete del corpo nero che incrementano la propria energia cinetica caotica, ossia la propria temperatura.

Gli stessi atomi reagiscono liberandosi di questa energia in eccesso cedendo al mondo esterno energia. Quando l'energia assorbita sarà uguale all'energia emessa dagli atomi giungeremo all'equilibrio termico.

In tali condizioni L'energia si libera nel mondo esterno sotto forma di onde elettromagnetiche e classicamente siamo portati a pensare che l'energia associata agli stessi apparentemente non debba essere quantizzata, ad ogni frequenza si può teoricamente associare un qualsiasi valore di E.

Inoltre ci si aspetta che corpi di sostanze diverse, anche se posti alla stessa temperatura, presentino qualche differenza nella radiazione emessa perché diversi sono gli atomi che li compongono e diverse sono le loro modalità di oscillazione.

Perché come ha osservato T. Wedgwood, famoso per le sue porcellane e antenato di Darwin, che tutti i corpi diventano rossi roventi alla stessa temperatura?

In realtà c’è una condizione particolare in cui tutti i corpi, indipendentemente dalla natura, emettono la stessa radiazione: questa condizione è detta equilibrio termodinamico.

Anche se teoricamente a qualsiasi temperatura si potrebbe osservare radiazioni visibili, in realtà la maggior parte dell'energia emessa ha una frequenza che dipende solo dalla teperatura raggiunta. A temperature ordinarie (sotto 600°C), la radiazione termica emessa da un corpo nero non è visibile, perché l'energia è concentrata nella regione infrarossa dello spettro elettromagnetico. Se si riscalda il corpo, la quantità di energia irraggiata aumenta e la concentrazione di energia si sposta a lunghezze d'onda minori.