Radiación de cuerpo negro - FisicaModernaconLaboratorio

Daniel Alberto Patino Villagomez
Radiación de cuerpo negro
Un cuerpo negro hace referencia a un objeto opaco que emite radiación térmica. Un cuerpo negro
perfecto es aquel que absorbe toda la luz incidente y no refleja nada. A temperatura ambiente, un objeto
de este tipo debería ser perfectamente negro (de ahí procede el término cuerpo negro.). Sin embargo, si
se calienta a una temperatura alta, un cuerpo negro comenzará a brillar produciendo radiación térmica.
Todos los objetos emiten radiación térmica (siempre que su temperatura esté por encima del cero
absoluto, o -273,15 grados Celsius), pero ningún objeto es en realidad un emisor perfecto, en realidad
emiten o absorben mejor unas longitudes de onda de luz que otras. Estas pequeñas variaciones
dificultan el estudio de la interacción de la luz, el calor y la materia utilizando objetos normales.
Afortunadamente, es posible construir un cuerpo negro prácticamente perfecto. Se construye una caja
con algún material que sea conductor térmico, como el metal. La caja debe estar completamente
cerrada por todas sus caras, de forma que el interior forme una cavidad que no reciba luz del exterior.
Entonces se hace un pequeño agujero en algún punto de la caja. La luz que salga de ese agujero tendrá
un parecido casi exacto a la luz de un cuerpo negro ideal, a la temperatura del aire del interior de la
caja.
A principios del siglo XX, los científicos Lord Rayleigh, y Max Planck (entre otros) estudiaron la
radiación de cuerpo neniel Algro utilizando un dispositivo similar. Tras un largo estudio, Planck fue
capaz de describir perfectamente la intensidad de la luz emitida por un cuerpo negro en función de la
longitud de onda. Fue incluso capaz de describir cómo variaría el espectro al cambiar la temperatura. El
trabajo de Planck sobre la radiación de los cuerpos negros es una de las áreas de la física que llevaron a
la fundación de la maravillosa ciencia de la mecánica cuántica, pero eso, desafortunadamente, queda
fuera del objetivo de este artículo.
Lo que Planck y sus colegas descubrieron era que a medida que se incrementaba la temperatura de un
cuerpo negro, la cantidad total de luz emitida por segundo también aumentaba, y la longitud de onda
del máximo de intensidad del espectro se desplazaba hacia los colores azulados .
Por ejemplo, una barra de hierro se vuelve naranja rojiza cuando se calienta a temperaturas altas y su
color se desplaza progresivamente hacia el azul a medida que se calienta más.
En 1893 el científico alemán Wilhelm Wein cuantificó la relación entre la temperatura de un cuerpo
negro y la longitud de onda del pico espectral con la siguiente ecuación:
donde T es la temperatura en grados Kelvin. La ley de Wein (también conocida como la ley del
desplazamiento de Wein) puede pronunciarse con las siguientes palabras «la longitud de onda de la
emisión máxima de un cuerpo negro es inversamente proporcional a su temperatura». Esto tiene
sentido; a longitud de onda de la luz más corta (mayor frecuencia) le corresponden fotones de mayor
energía, lo que hace esperar que haga subir la temperatura del objeto.
Estas longitudes de onda se sitúan en la región verde del espectro de la luz visible, pero el Sol irradia
continuamente fotones con longitudes de onda más largas y más cortas que lambda(max) y por eso el
ojo humano percibe el color del Sol como blanco-amarillo.
En 1879, el físico austríaco Stephan Josef Stefan demostró que la luminosidad, L, de un cuerpo negro
es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura T.
donde A es el área de la superficie, alpha es una constate de proporción, y T es la temperatura en grados
Kelvin. Esto significa que, si doblamos la temperatura (p.e. de 1000 a 2000 grados Kelvin), la energía
total irradiada por un cuerpo negro se incrementaría por un factor de 2^4 o 16.
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Fuentes
http://docs.kde.org/stable/es/kdeedu/kstars/ai-blackbody.html
O tambien
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.
Si r es la proporción de energía radiante que
se refleja, y a la proporción que se absorbe, se
debe de cumplir que r+a=1.
La misma proporción r de la energía radiante
que incide desde el interior se refleja hacia
dentro, y se transmite la proporción a=1-r
que se propaga hacia afuera y se denomina
por tanto, energía radiante emitida por la
superficie.
En la figura, se muestra el comportamiento de
la superficie de un cuerpo que refleja una
pequeña parte de la energía incidente. Las
anchuras de las distintas bandas corresponden
a cantidades relativas de energía radiante
incidente, reflejada y transmitida a través de
la superficie.
Comparando ambas figuras, vemos que un buen absorbedor de radiación es un buen emisor, y un mal
absorbedor es un mal emisor. También podemos decir, que un buen reflector es un mal emisor, y un mal
reflector es un buen emisor.
Una aplicación práctica está en los termos utilizados para mantener la temperatura de los líquidos como
el café. Un termo tiene dobles paredes de vidrio, habiéndose vaciado de aire el espacio entre dichas
paredes para evitar las pérdidas por conducción y convección. Para reducir las pérdidas por radiación,
se cubren las paredes con una lámina de plata que es altamente reflectante y por tanto, mal emisor y
mal absorbedor de radiación.
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.
Fuente
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm