la radiacin de cuerpo negro - IES Canarias Cabrera Pinto

LA RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO
¿Sabías que todos los objetos emiten ondas electromagnéticas?
Un carro, una casa, un libro, la Tierra, tu mismo, continuamente están emitiendo ondas
electromagnéticas:
¿Cómo se puede explicar este fenómeno?
Para entender por qué emiten radiación los objetos ponga mucha atención a las
siguientes consideraciones:
¾ Los objetos están hechos de átomos.
¾ Un átomo puede emitir radiación (como la luz) cuando uno de sus electrones
pierde energía y así pasa a un orbital de menor energía.
¾ Un átomo puede absorber radiación cuando uno de sus electrones gana energía y
así pasa a un orbital de mayor energía.
¾ El movimiento de los átomos en un objeto produce choques o vibraciones que
estimulan la emisión y absorción de radiación.
¾ Un aumento en la temperatura de un objeto representa un aumento de la energía
cinética de movimiento de sus átomos.
¾ En la naturaleza ningún objeto puede tener temperatura absoluta igual a cero.
Propiedades de la superficie de un cuerpo
Sobre la superficie de un cuerpo incide constantemente energía radiante, tanto desde el
interior como desde el exterior, la que incide desde el exterior procede de los objetos
que rodean al cuerpo. Cuando la energía radiante incide sobre la superficie una parte se
refleja y la otra parte se transmite.
Consideremos la energía radiante que incide desde el exterior sobre la superficie del
cuerpo. Si la superficie es lisa y pulimentada, como la de un espejo, la mayor parte de la
energía incidente se refleja, el resto atraviesa la superficie del cuerpo y es absorbido por
sus átomos o moléculas.
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El cuerpo negro
La superficie de un cuerpo negro es un
caso límite, en el que toda la energía
incidente desde el exterior es
absorbida, y toda la energía incidente
desde el interior es emitida.
No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1% de la
energía incidente.
Sin embargo, un cuerpo negro se puede sustituir con
gran aproximación por una cavidad con una pequeña
abertura. La energía radiante incidente a través de la
abertura, es absorbida por las paredes en múltiples
reflexiones y solamente una mínima proporción escapa
(se refleja) a través de la abertura. Podemos por tanto
decir, que toda la energía incidente es absorbida.
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La radiación del cuerpo negro
Consideremos una cavidad cuyas paredes están a una cierta temperatura. Los átomos
que componen las paredes están emitiendo radiación electromagnética y al mismo
tiempo absorben la radiación emitida por otros átomos de las paredes. Cuando la
radiación encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los átomos de las
paredes, la cantidad de energía que emiten los átomos en la unidad de tiempo es igual a
la que absorben.
Si se abre un pequeño agujero en el recipiente,
parte de la radiación se escapa y se puede analizar.
El agujero se ve muy brillante cuando el cuerpo
está a alta temperatura, y se ve completamente
negro a bajas temperaturas.
La hipótesis de Planck
¿Qué aportaba la ley de Planck? Un ingrediente tan importante como novedoso. Tanto
que es el responsable de la primera gran crisis provocada por la Teoría Cuántica sobre el
marco conceptual de la Física Clásica. Ésta suponía que el intercambio de energía entre
la radiación y la materia ocurría a través de un proceso continuo, es decir, una radiación
de frecuencia f podía ceder cualquier cantidad de energía al ser absorbida por la materia.
Lo que postuló Planck al introducir su ley es que la única manera de obtener una
fórmula experimentalmente correcta exigía la novedosa y atrevida suposición de que
dicho intercambio de energía debía suceder de una manera discontinua, es decir, a
través de la emisión y absorción de cantidades discretas de energía, que hoy
denominamos “quantums” de radiación. La cantidad de energía E propia de un quantum
de radiación de frecuencia f se obtiene mediante
la relación de Planck: E = h x f
siendo h la constante universal de Planck = 6'62 x 10-34
Puede entenderse la relación de Planck diciendo que cualquier radiación de frecuencia f
se comporta como una corriente de partículas, los quantums, cada una de ellas
transportando una energía E = h x f, que pueden ser emitidas o absorbidas por la
materia.
La hipótesis de Planck otorga un carácter corpuscular, a un fenómeno tradicionalmente
ondulatorio, como la radiación. Pero lo que será más importante, supone el paso de una
concepción continuista de la Naturaleza a una discontinuista, que se pone especialmente
de manifiesto en el estudio de la estructura de los átomos, en los que los electrones sólo
pueden tener un conjunto discreto y discontinuo de valores de energía. Supone que las
energías a escala atómica están cuantizadas, es decir, sólo son posibles energías con
ciertos valores.
La hipótesis de Planck quedó confirmada experimentalmente, no sólo en el proceso de
radiación del cuerpo negro, a raíz de cuya explicación surgió, sino también en las
explicaciones del efecto fotoeléctrico, debida a Einstein (1905), y del efecto Compton,
debida a Arthur Compton (1923).
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