QUANTIZZAZIONE DEL CAMPO ELETTROMAGNETICO E EFFETTO FOTOELETTRICO

RADIAZIONE DI CORPO NERO

La memoria del marzo 1905 sul quanto di radiazione è legata ai primi sviluppi della teoria atomica, nota oggi come meccanica quantistica, la quale prese avvio dallo studio della radiazione termica emessa dai corpi.
Che cos'è la radiazione termica? Prendiamo un ferro da stiro ben caldo e poniamo una mano sotto di esso, ad una certa distanza. Il calore proveniente dal ferro è chiaramente percepito dalla mano. Eppure, non può essere l'aria a trasportare questo calore, perché l'aria ha una piccolissima conducibilità termica e la convezione è in questo caso assente, perché l'aria calda sale e l'aria più calda, vicina al ferro, è al di sopra della mano.
In effetti, il ferro - come tutti i corpi caldi e tanto più quanto più sono caldi - irraggia energia elettromagnetica a scapito della propria energia interna perciò si raffredda, mentre la mano assorbe la radiazione e si riscalda.

Un recipiente chiuso, mantenuto ad una prefissata temperatura, contiene energia sotto forma di onde elettromagnetiche di tutte le frequenze.
La radiazione trasportata da queste onde è assorbita ed emessa continuamente dalle pareti del recipiente, ma in condizioni di equilibrio termico tanta energia viene emessa quanta ne viene assorbita. Ad ogni temperatura, l'energia della radiazione è distribuita in un certo modo caratteristico tra tutte le onde, secondo una funzione della temperatura e della frequenza.
Sperimentalmente tale legge può essere ricavata praticando un forellino nel recipiente ed analizzando la poca radiazione che ne esce con metodi spettroscopici. In sostanza e molto sinteticamente, si separano le componenti con un reticolo di diffrazione e si misura l'intensità di ciascuna.

La legge di distribuzione che si ottiene è nota come legge del corpo nero, perché il forellino, a temperature non troppo alte, appare come una macchia nera sul corpo del recipiente. Come si vede dai grafici, l'energia è piccola per le basse frequenze, cresce con la frequenza fino ad un massimo e poi decresce sempre più fino ad annullarsi alle alte frequenze. La frequenza del massimo cresce con la temperatura.
Risultò, siamo alla fine del XIX° secolo, che i dati sperimentali contrastavano senza rimedio, con le previsioni fornite dalla fisica classica. Infatti, secondo quest'ultima un corpo dovrebbe assorbire o emettere quantità arbitrariamente piccole di radiazione di bassa come di elevata frequenza, ma come conseguenza di ciò, si può dimostrare che la curva di distribuzione non dovrebbe avere un massimo, bensì dovrebbe crescere continuamente al crescere della frequenza. Perciò, entro il recipiente dovrebbero esserci in prevalenza radiazioni di frequenza elevatissima (catastrofe ultravioletta), il che è manifestamente assurdo: nessuno ha mai visto un corpo nero emettere fiotti di raggi X.