RADIACION DEL CUERPO NEGRO

INTRODUCCION.

EN EL TRABAJO ENCONTRAREMOS LA HISTORIA DE LA MECÁNICA CUÁNTICA ENTRELAZADA CON LA HISTORIA DE LA QUÍMICA CUÁNTICA COMIENZA ESENCIALMENTE CON EL DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS CATÓDICOS EN 1838 REALIZADO POR MICHAEL FARADAY, LA INTRODUCCIÓN DEL TÉRMINO CUERPO NEGRO POR GUSTAV KIRCHHOFF EN EL INVIERNO DE1859-1860, LA SUGERENCIA HECHA POR LUDWIG BOLTZMANN EN 1877 SOBRE QUE LOS ESTADOS DE ENERGÍA DE UN SISTEMA FÍSICO DEBERÍAN SER DISCRETOS, Y LA HIPÓTESIS CUÁNTICA DE MAX PLANCK EN EL 1900, QUIEN DECÍA QUE CUALQUIER SISTEMA DE RADIACIÓN DE ENERGÍA ATÓMICA PODÍA TEÓRICAMENTE SER DIVIDIDO EN UN NÚMERO DE ELEMENTOS DE ENERGÍA DISCRETOS ,

LA LUZ BRILLANTE EN CIERTOS MATERIALES PUEDE FUNCIONAR PARA EXPULSAR ELECTRONES DEL MATERIAL, ALBERT EINSTEIN POSTULÓ BASADO EN LA HIPÓTESIS CUÁNTICA DE PLANCK, QUE LA LUZ EN SÍ ESTÁ COMPUESTA DE PARTÍCULAS CUÁNTICAS INDIVIDUALES, LAS CUALES MÁS TARDE FUERON LLAMADAS FOTONES (1926). LA FRASE "MECÁNICA CUÁNTICA" FUE USADA POR PRIMERA VEZ EN EL PAPER DE MAX BORN LLAMADO ZUR QUANTENMECHANIK (LA MECÁNICA CUÁNTICA).

TAMBIÉN SABREMOS QUE UN CUERPO NEGRO ES UN OBJTO TEORICO QUE ABSORBE TODA LA LUZ Y TODA LA ENERGÍA RADIANTE QUE INCIDE SOBRE EL, NA DE LA RADIACIÓN INCIDENTE SE REFLEJA O PASA A TRAVEZ DEL CUERPO NEGRO. TAMBIÉN EL CUERPO NEGRO EMITE LUZ Y CONSTITUYE UN SISTEMA FÍSICOIDEALIZADO PARA EL ESTUDIO DE LA EMISIÓN DE RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA. EL NOMBRE CUERPO NEGRO FUE INTRODUCIDO POR GUSTAV KIRCHHOFF EN 1862.

DESARROLLO

UN CUERPO NEGRO ES UN OBJETO TEÓRICO O IDEAL QUE ABSORBE TODA LA LUZ Y TODA LA ENERGÍA RADIANTE QUE INCIDE SOBRE ÉL. NADA DE LA RADIACIÓN INCIDENTE SE REFLEJA O PASA A TRAVÉS DEL CUERPO NEGRO. A PESAR DE SU NOMBRE, EL CUERPO NEGRO EMITE LUZ Y CONSTITUYE UN SISTEMA FÍSICOIDEALIZADO PARA EL ESTUDIO DE LA EMISIÓN DE RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA. EL NOMBRE CUERPO NEGRO FUE INTRODUCIDO POR GUSTAV KIRCHHOFF EN 1862. LA LUZ EMITIDA POR UN CUERPO NEGRO SE DENOMINA RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO.

TODO CUERPO EMITE ENERGÍA EN FORMA DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS, SIENDO ESTA RADIACIÓN, QUE SE EMITE INCLUSO EN EL VACÍO, TANTO MÁS INTENSA CUANDO MÁS ELEVADA ES LA TEMPERATURA DEL EMISOR. LA ENERGÍA RADIANTE EMITIDA POR UN CUERPO A TEMPERATURA AMBIENTE ES ESCASA Y CORRESPONDE A LONGITUDES DE ONDA SUPERIORES A LAS DE LA LUZ VISIBLE (ES DECIR, DE MENOR FRECUENCIA). AL ELEVAR LA TEMPERATURA NO SÓLO AUMENTA LA ENERGÍA EMITIDA SINO QUE LO HACE A LONGITUDES DE ONDA MÁS CORTAS; A ESTO SE DEBE EL CAMBIO DE COLOR DE UN CUERPO CUANDO SE CALIENTA. LOS CUERPOS NO EMITEN CON IGUAL INTENSIDAD A TODAS LAS FRECUENCIAS O LONGITUDES DE ONDA, SINO QUE SIGUEN LA LEY DE PLANCK.

A IGUALDAD DE TEMPERATURA, LA ENERGÍA EMITIDA DEPENDE TAMBIÉN DE LA NATURALEZA DE LA SUPERFICIE; ASÍ, UNA SUPERFICIE MATE O NEGRA TIENE UNPODER EMISOR MAYOR QUE UNA SUPERFICIE BRILLANTE. ASÍ, LA ENERGÍA EMITIDA POR UN FILAMENTO DE CARBÓN INCANDESCENTE ES MAYOR QUE LA DE UN FILAMENTO DE PLATINO A LA MISMA TEMPERATURA. LA LEY DE KIRCHHOFF ESTABLECE QUE UN CUERPO QUE ES BUEN EMISOR DE ENERGÍA ES TAMBIÉN BUEN ABSORBENTE DE DICHA ENERGÍA. ASÍ, LOS CUERPOS DE COLOR NEGRO SON BUENOS ABSORBENTES Y EL CUERPO NEGRO ES UN CUERPO IDEAL, NO EXISTENTE EN LA NATURALEZA, QUE ABSORBE TODA LA ENERGÍA.

EN UNA REUNIÓN DE LA SOCIEDAD ALEMANA DE FÍSICA EL 14 DE DICIEMBRE DE 1900 MAX PLANK LEYÓ UN TRABAJO INTITULADO “LA TEORÍA DE LA LEY DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA DEL ESPECTRO NORMAL”. ESTE TRABAJO QUE EN PRINCIPIO NO LLAMÓ DEMASIADO LA ATENCIÓN, FUE, SEGÚN ALGUNOS AUTORES, EL PRECURSOR DE LA FÍSICA CUÁNTICA (A PESAR QUE SE DESARROLLARÍA UN CUARTO DE SIGLO MÁS TARDE).COMO EN EL CASO DE LA RELATIVIDAD, LA MECÁNICA CUÁNTICA REPRESENTA UNA GENERALIZACIÓN DE LA FÍSICA CLÁSICA QUE INCLUYE A LAS LEYES CLÁSICAS COMO CASOS PARTICULARES. ASÍ COMO LA RELATIVIDAD SE CARACTERIZA POR UNA CONSTANTE DE SIGNIFICADO FUNDAMENTAL, LA VELOCIDAD DE LA LUZ, LA FÍSICA CUÁNTICA SE CARACTERIZA POR UNA CONSTANTE UNIVERSAL DE SIGNIFICADO FUNDAMENTAL A LA QUE HOY LLAMAMOS CONSTANTE DE PLANK.

LA BASE DE SU ARTÍCULO ESTABA EN EL ESTUDIO DE LA RADIACIÓN TÉRMICA, RADIACIÓN EMITIDA POR UN CUERPO COMO CONSECUENCIA DE SU TEMPERATURA. LA MATERIA EN ESTADO CONDENSADO (SÓLIDO O LÍQUIDO) EMITE UN ESPECTRO DE RADIACIÓN CONTINUO. LOS DETALLES DEL ESPECTRO SON CASI INDEPENDIENTES DEL MATERIAL DEL CUAL SE COMPONE EL CUERPO, PERO DEPENDEN FUERTEMENTE DE LA TEMPERATURA. A TEMPERATURA ORDINARIA LA MAYORÍA DE LOS CUERPOS SON VISIBLES POR LA LUZ QUE REFLEJAN. SIN EMBARGO A ALTAS TEMPERATURAS LOS CUERPOS SON LUMINOSOS POR SÍ MISMOS. EN UN CUARTO OSCURO SE LES PUEDE VER BRILLAR; PERO AÚN A TEMPERATURAS DE VARIOS MILES DE GRADOS KELVIN, MÁS DEL 90% DE LA RADICACIÓN TÉRMICA EMITIDA ES INVISIBLE PARA NOSOTROS. LA RELACIÓN QUE EXISTE ENTRE LA TEMPERATURA DE UN CUERPO Y EL ESPECTRO DE FRECUENCIA DE LA RADIACIÓN EMITIDA SE UTILIZA EN UN DISPOSITIVO LLAMADO PIRÓMETRO ÓPTICO. ESTE DISPOSITIVO ES ESENCIALMENTE UN ESPECTRÓMETRO COMÚN QUE PERMITE AL OPERADOR ESTIMAR LA TEMPERATURA DE UN CUERPO CALIENTE, COMO UNA ESTRELLA OBSERVANDO EL COLOR O LA COMPOSICIÓN DE FRECUENCIAS DE LA RADIACIÓN TÉRMICA QUE EMITE.

EXISTE UN ESPECTRO CONTINUO DE RADIACIÓN EMITIDA, PERO EL OJO HUMANO VE PRINCIPALMENTE EL COLOR CORRESPONDIENTE A LA EMISIÓN MÁS INTENSA EN LA REGIÓN VISIBLE. EN TÉRMINOS GENERALES, LA FORMA DEL ESPECTRO DE RADIACIÓN TÉRMICA EMITIDA POR UN CUERPO CALIENTE DEPENDE DE LA COMPOSICIÓN DEL MISMO. SIN EMBARGO, EXPERIMENTALMENTE SE ENCUENTRA QUE SÓLO HAY UNA CLASE QUE EMITE ESPECTROS TÉRMICOS DE CARACTERÍSTICAS UNIVERSALES, SON LOS LLAMADOS CUERPOS NEGROS, CUERPOS CUYAS SUPERFICIES ABSORBEN LA RADIACIÓN TÉRMICA QUE INCIDE SOBRE ELLOS. EL NOMBRE RESULTA APROPIADO PUESTO QUE DICHOS CUERPOS NO REFLEJAN LA LUZ Y SE VEN NEGROS. LUEGO SE DESCUBRIÓ QUE INDEPENDIENTEMENTE DE SU COMPOSICIÓN, TODOS LOS CUERPOS NEGROS A LA MISMA TEMPERATURA EMITEN RADIACIÓN TÉRMICA CON EL MISMO ESPECTRO. LA FORMA DE ESTE ESPECTRO NO PUEDE OBTENERSE SOLAMENTE DE ARGUMENTOS TERMODINÁMICOS. LA DISTRIBUCIÓN ESPECTRAL DE LA RADIACIÓN DE ESTOS CUERPOS SE ESPECIFICA POR LA CANTIDAD DE “RADIANCIA ESPECTRAL” (RT(N)), DEFINIDA DE MANERA TAL QUE RT(N) + DN ES IGUAL A LA ENERGÍA EMITIDA EN FORMA DE RADIACIÓN CON FRECUENCIA (N) EN EL INTERVALO NO Y NO + DN DE UN ÁREA UNITARIA DE LA SUPERFICIE A TEMPERATURA ABSOLUTA T POR UNIDAD DE TIEMPO. POR LO QUE AL VARIAR OBTENDREMOS:

RT = RT. (V). DV

COMO RT AUMENTARÍA RÁPIDAMENTE A MEDIDA QUE AUMENTA LA TEMPERATURA, EL RESULTADO (QUE HOY SE CONOCE COMO LA LEY DE STEFAN) SE ESCRIBIRÍA EN FORMA EMPÍRICA: RT = S

...