La radiazione di un Corpo Nero è anche attrattiva

(Credit: INFN).

La radiazione di un corpo nero non è solo repulsiva ma anche “attrattiva”. A dimostrarlo è un articolo che è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters e che si intitola “Attractive Optical Forces from Blackbody Radiation” (DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.023601). Vediamo innanzitutto cos’è un corpo nero. Il termine “corpo nero” fu introdotto da Gustav Kirchhoff nel 1862.  In fisica con corpo nero si denota un oggetto ideale che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente e quindi né riflette né trasmette alcuna energia. Per la legge di conservazione dell’energia, reirradia tutta l’energia assorbita e deve quindi il suo nome unicamente all’assenza di riflessione – in termini un po’ più tecnici questo significa che il coefficiente di emissività è uguale a quello di “assorbività”, ed è pari ad uno.

La luce emessa da un corpo nero è detta radiazione del corpo nero e la densità d’energia irradiata spettro di corpo nero.  La differenza tra lo spettro di un oggetto (stella, nebulosa, ammasso stellare), e quello di un corpo nero ideale, permette di individuare la composizione chimica di tale oggetto. Lo spettro di un corpo nero venne interpretato per la prima volta all’inizio del 1900 da Max Planck, che dovette suo malgrado concedere che la radiazione elettromagnetica può propagarsi solo in pacchetti discreti, i quanti, la cui energia è proporzionale alla frequenza dell’onda elettromagnetica. L’intensità della radiazione di un corpo nero alla temperatura T è data infatti dalla legge della radiazione di Planck.

Ora che sappiamo cos’è un corpo nero è semplice capire che la sua proprietà “definitoria” è la capacità repulsiva. O, almeno, così si pensava fino ad oggi. Il nuovo studio pubblicato su PRL dimostra, infatti, che la radiazione (repulsiva) di un corpo nero induce una nuova forza che, sorprendentemente, non solo attrae atomi e molecole ma che è addirittura più forte di quella del corpo nero stesso. Battezzata forza del corpo nero si suppone sia più potente della gravità. Se fossero dimostrati con cogenza i risultati del gruppo di ricerca di Innsbruck, una varietà di scenari astrofisici andrebbero sicuramente rivisitati.

(Credit: Leonardoscienze.it).

C’è da dire innanzitutto che le basi per questa scoperta sono note da tempo. La radiazione di un corpo nero sposta i livelli energetici degli atomi e delle molecole vicine. Si tratta di un effetto sul campo elettrico noto come Stark Shift: in pratica nell’atomo gli elettroni si spostano ad un livello di energia inferiore e lo spostamento è proporzionale alla temperatura del corpo nero. Più caldo è il corpo nero più basso è il livello di energia occupato. Le ripercussioni di questi cambiamenti energetici sono state abbastanza trascurate fino ad ora. Nel nuovo studio, gli scienziati hanno per la prima volta dimostrato che gli stark shift indotti da radiazione di corpo nero si combinano per generare una forza ottica attraente che riesce a dominare la radiazione del corpo nero che è repulsiva. Questa “alleanza” tra atomi e molecole che si trovano nello stato di più bassa energia è presto spiegata, in quanto proprio in virtù dei livelli di energia così bassi sono attratti verso le zone ad alta energia, ossia verso le pareti del corpo nero. I risultati dello studio sono ben enunciati nel Summary:

“blackbody radiation around hot objects induces a Stark shifts of the energy levels of nearby atoms and molecules. These shifts are roughly proportional to the fourth power of the temperature and induce a force decaying with the third power of the distance from the object. We explicitly calculate the resulting attractive blackbody optical dipole force for ground state hydrogen atoms. Surprisingly, this force can surpass the repulsive radiation pressure and actually pull the atoms against the radiation energy flow towards the surface with a force stronger than gravity. We exemplify the dominance of the “blackbody force” over gravity for hydrogen in a cloud of hot dust particles. This overlooked force appears relevant in various astrophysical scenarios, in particular, since analogous results hold for a wide class of other broadband radiation sources”.

Questa forza, più intensa negli oggetti più piccoli, viene meno con l’aumentare della distanza. Le conseguenze di queste ricerche sono evidenti in astrofisica: potranno infatti chiarire le complesse interazioni tra i gas interstellari e le nubi di polvere. Non sono escluse applicazioni nel settore della nanofisica, dell’ottica quantistica e delle camere a vuoto. (Fonte: http://phys.org/news/2013-07-blackbody-stronger-gravity.html. Pubblicato originariamente su cyberscienza.it il 25/07/2013).

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