Il concetto di "corpo nero"

Il concetto di corpo nero in fisica, in astronomia ed anche in altre discipline scientifiche è fondamentale, basti pensare che grazie ad esso è possibile capire perchè le stelle, la lava, il fuoco, la luce di una lampadina e tanti altri oggetti in natura hanno un determinato colore.

Partiamo dalla definizione più intuitiva possibile di corpo nero: un corpo nero è un oggetto la cui luce, o più precisamente, la cui radiazione emessa, proviene completamente dal corpo stesso, in quanto tutta la radiazione incidente è totalmente assorbita e quindi non riflessa. In realtà è difficile trovare in natura corpi che rispondano completamente a questa definzione, ma già se per un corpo la percentuale di radiazione riflessa è molto più piccola di quella prodotta, con buona approssimazione potremo considerarlo un corpo nero a tutti gli effetti.

Sono dei corpi neri: le stelle, la lava che fuoriesce dalla bocca di un vulcano, il filamento di tungsteno di una lampadina, un pezzo di ferro incandescente. Che differenza c'è fra questi oggetti ed un altro oggetto quale un pallone da calcio od una pietra? Semplicemente che i primi sono in grado di produrre luce autonomamente e quindi sono visibili anche al buio senza essere illuminati, mentre i secondi si rendono visibili soltanto se illuminati da una fonte di luce naturale (come il sole) o artificiale (come una lampada). Ovvero i primi producono radiazione e non la riflettono, o la riflettono in minima parte, viceversa per i secondi.

Se riflettiamo attentamente è facile rendersi conto che anche il nostro corpo è un corpo nero! Sembrerebbe impossibile in quanto il nostro corpo al buio non produce luce, si, questo è vero, ma successivamente, nella nostra definizione, abbiamo utilizzato in modo più accorto il termine di radiazione piuttosto che di luce. La luce è soltanto una piccola parte di tutta la radiazione prodotta da un corpo nero. Consideriamo la nostra stella, il Sole. Ebbene, questo corpo nero oltre a produrre radiazione nello spettro del visibile, che è quello che i nostri occhi riescono a percepire, emette anche tanti altri tipi di radiazione come i raggi X, gli infrarossi, gli ultravioletti, etc... Questo significa che un corpo non visibile può essere comunque un corpo nero perchè potrebbe emettere autonomamente e senza rifletterla un certo "tipo di luce" per noi invisibile. Questo è esattamente quello che si verifica con il nostro corpo, difatti se i nostri occhi fossero sensibili anche all'infrarosso, potremmo vedere noi stessi e gli altri emettere una luce; questo è appunto l'utilità dei binocoli notturni, che riescono a "vedere" anche nel buio i corpi degli esseri viventi che emettono nell'infrarosso. Questo d'altronde è anche il motivo per cui lo spazio viene osservato oltre che dai telescopi "ottici" a lenti, anche dai radiotelescopi i quali sono in grado di "vedere" le onde radio piuttosto che la luce visibile.

 

In questa immagine è chiara la differente percezione della realtà nello spettro del visibile e dell'infrarosso. Il braccio dell'uomo coperto dalla busta è per i nostri occhi assolutamente invisibile, ma al di sotto della busta esso, così come tutto il resto del corpo, emette radiazione nell'infrarosso ed è quindi visibile a strumenti sensibili a questo tipo di lunghezza d'onda la quale riesce agilmente a penetrare la sottile barriera costituita dalla busta di plastica.

L'infrarosso è un tipo di radiazione che procura la ben nota sensazione di tepore che avvertiamo nelle vicinanze di un corpo caldo. Il calore prodotto dalla fiamma di un camino è proprio trasmesso nello spettro dell'infrarosso, così come il calore prodotto dal nostro corpo, come nel caso dell'uomo nell'immagine precedente.

Ma perchè gli oggetti hanno un determinato colore che può essere giallo, nero, marrone, bianco, etc..?

Il colore degli oggetti che vediamo normalmente e che non sono corpi neri in quanto non emettono radiazione propria ma riflettono quella solare o artificiale, dipende dalla natura della loro superficie. A seconda dei cosidetti pigmenti che ritroviamo sulle superfici degli oggetti, e dei tessuti degli esseri viventi, viene rflesso solo un certo tipo di radiazione di tutta quella incidente. Un oggetto di colore marrone come una pietra o l'iride di un occhio ha questo tipo di colore perchè di tutto lo spettro della luce visibile con cui è illuminato riflette soltanto la porzione di radiazione che produce il marrone e assorbe tutto il resto, stesso discorso per tutti gli altri oggetti e tutti gli altri colori. Ovviamente colori particolari si ottengono quando ad essere riflessa è più di una singola radiazione. Discorso diverso per i colori del nero e del bianco in quanto nel primo caso tutta la radiazione incidente viene assorbita e nulla viene riflesso (di qui la definizione di corpo nero), viceversa per il bianco che riflette tutta la radiazione incidente. Questo significa anche che se illuminiamo un oggetto colorato, per esempio, di blu, con una luce rossa, questo, nel buoi, continuerà ad essere nero perchè illuminato con una radiazione che i suoi pegmenti non possono riflettere.

Il tipo di radiazione emessa da un corpo nero e la sua temperatura sono strettamente lgati tra loro. Ci sono delle  precise relazioni matematiche che legano queste due quantità, ed è possibile graficare il tipo di radiazione emessa da un corpo nero al variare della sua temperatura. Una delle leggi matematiche di cui parliamo è questa:

essa lega l'intensità della radiazione I con la relativa  frequenza ν (l'inverso della lunghezza d'onda λ), al variare della temperatura T (le altre quantità sono costanti).

E' ora possibile graficare lo spettro della nostra stella, il Sole, che ha una temperatura superficiale di circa 5800 °C:

Possiamo notare che il massimo dell'emissione di energia si ha in corrispondenza della frequenza del giallo-verde che è proprio il colore della nostra stella! Se un oggetto d'altra parte emette nello spettro del non visibile, cioè la curva che vediamo è tutta spostata in una delle bande nere, cioè nell'ultravioletto o nell'infrarosso (come il nostro corpo), risulterà ai nostri occhi invisibile o appena visibile.

Per concludere, segnalo questo link dove possiamo divertirci a vedere come varia lo spettro di emissione di un corpo nero, e quindi il suo colore, al variare della sua temperatura.