Radiação do corpo negro
História de uma dificuldade da Física com a Radiação do corpo negro
FÍSICA MODERNA
Um outro problema que “encucava” os cientistas era a radiação térmica. Essas radiações são emitidas por moléculas que se chocam, em gases ou sólidos aquecidos. Essas colisões fazem com que as cargas existentes nas moléculas vibrem, emitindo ondas eletromagnéticas. Consideremos, por exemplo, um forno. A chama transfere calor a todos os corpos em seu interior, inclusive suas próprias paredes. Mas, à medida que os corpos (dentro do forno) se aquecem, eles começam também a emitir radiação, devido à vibração de suas moléculas (osciladores). Enquanto a radiação absorvida for maior que a emitida, a temperatura do forno está aumentando, mas quando elas se igualam, ou seja, a absorção passa a ser igual à emissão, estaremos numa situação de equilíbrio térmico, e a temperatura do forno tende a permanecer constante. Estudando esses fenômenos, os cientistas, principalmente Kirchhoff, chegaram a algumas conclusões:
A primeira diz respeito à relação exclusiva entre a temperatura do corpo e a correspondente frequência da radiação emitida, o que levou a identificar a cor (frequência) de um corpo aquecido apenas pela sua temperatura. Isto significa que todos os corpos, não importando seu volume, sua massa, o tipo de material de que é constituído ou sua forma, a uma dada temperatura, deveriam se apresentar de uma determinada cor.
A segunda foi a introdução do conceito de corpo negro, um corpo com características ideais em relação à absorção e à emissão de radiação. O corpo negro teria um poder absortivo máximo para qualquer frequência, ou seja, o corpo absorveria toda energia nele incidente e não refletiria nem calor nem luz. Ele, por sua vez, emitiria toda a radiação nele gerada. O corpo negro é um perfeito absorvedor e emissor.
Apesar de ser um corpo ideal, era possível concebê-lo na prática, com boa aproximação: bastava construir uma cavidade com um pequeno orifício.
A facilidade prática levou os cientistas a fazerem vários estudos utilizando o corpo negro, o que os conduziu a conclusões contraditórias. Em 1884, dois físicos austríacos obtiveram o primeiro resultado experimental utilizando um corpo negro: a potência total (P) irradiada por um corpo negro para todas as frequências é diretamente proporcional à quarta potência de sua temperatura. Observaram, também, que para cada temperatura do corpo negro existe uma frequência de emissão mais acentuada, chamada pico de frequência. Esse pico apresenta uma frequência mais elevada para temperaturas mais altas. O físico alemão Wilhelm Wien obteve uma expressão matemática que descreve o deslocamento do pico da curva e mostra que, para cada temperatura absoluta, há uma frequência na qual a intensidade da radiação é máxima.
A teoria de Wien era simples. A radiação do corpo negro seria proveniente da oscilação das moléculas nele contidas, e as diferentes frequências das radiações se originariam das diferentes frequências desses osciladores. Usando esse modelo teórico, Wien chegou a uma expressão matemática que concordava com os dados experimentais para altas frequências, mas apresentava grande discordância para baixas frequências. Na tentativa de resolver o problema, Rayleigh e James Jeans levantaram a hipótese de que a radiação emitida pelo corpo negro deveria originar-se de ondas eletromagnéticas oscilantes dentro da cavidade, como ondas estacionárias. A expressão matemática obtida por eles concordava com os dados experimentais para baixas frequências, mas a discrepância era grande nas altas frequências, principalmente para o ultravioleta.
Nesse momento a ciência encontra-se diante de um dilema: enquanto uma teoria funciona bem para baixas frequências a outra funciona para altas frequências. Como resolver esse dilema?
A história continua no próximo post...
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