Cua Ntica
































11.1 Introducción

A finales del siglo XIX parecía que la Física había conseguido la explicación definitiva de los fenómenos naturales. Las leyes de la mecánica de Newton y las leyes de Maxwell del electromagnetismo parecían suficientes para explicar todos los fenómenos físicos conocidos. Se tenía una imagen del Universo que parecía concluyente: las leyes deNewton rigen el movimiento de los cuerpos, la luz tiene naturaleza ondulatoria y la materia está compuesta por partículas. Sin embargo, en los últimos años del siglo XIX y en los primeros del siglo XX se produce una serie de descubrimientos que ponen de manifiesto la insuficiencia de las leyes de la Física Clásica cuando se aplican al microcosmos o al macrocosmos, al átomo o al Universo.
En el tema 13veremos que cuando la velocidad de una partícula se aproxima a la de la luz, la Mecánica Newtoniana se deberá sustituir por la Teoría Especial de la Relatividad, aunque ésta se simplifica en aquella cuando las velocidades son pequeñas.
En este tema veremos que las leyes de la Física Clásica tampoco son válidas cuando se aplican a sistemas microscópicos como el átomo y hay que sustituirlas por laTeoría Cuántica.
Tres hechos fundamentales obligan a revisar las leyes de la Física Clásica y propician el nacimiento de la Física Cuántica: la radiación térmica del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y el carácter discontinuo de los espectros atómicos.

11.2 La radiación térmica del cuerpo negro

Cualquier cuerpo cuando se caliente irradia energía. Al calentar una barra de hierro atemperaturas sucesivamente más altas, su aspecto exterior cambia. Cuando la temperatura es relativamente baja emite energía, pero no se observa la radiación que emite (infrarrojo). A medida que su temperatura aumenta, la radiación emitida se hace visible: primero emite luz de color rojo, luego el rojo se hace más amarillo, y finalmente el color es rojo-blanco si la temperatura es suficientemente alta. Elmismo comportamiento podría observarse con el filamento de una bombilla o con un trozo de carbón. El color con el que brillan los cuerpos, de cualquier material, depende de su temperatura.

Def.: se denomina radiación térmica a la energía electromagnética que emite un cuerpo debido a su temperatura.

Esta radiación térmica varía tanto con la temperatura como con la composición del cuerpo. Existe,sin embargo, un conjunto de cuerpos cuya radiación térmica depende sólo de su temperatura. Se denominan cuerpos negros.

Def.: se conoce como cuerpo negro, a aquel que es capaz de absorber todas las radiaciones que llegan a él y, por tanto, de emitir todas las longitudes de onda.

Aunque no se conoce ningún cuerpo que se comporte rigurosamente como negro, se puede considerar como tal cualquiermaterial resistente al calor que contenga una cavidad, con paredes rugosas y muy absorbentes, comunicada con el exterior por un pequeño orificio. La radiación que penetre por el orificio quedará absorbida en la cavidad, directamente o tras varias reflexiones en las paredes interiores. No debemos confundir el concepto de cuerpo negro con su color. El cuerpo negro, como todos los cuerpos, adquierecolor rojo, amarillo, incluso rojo-blanco al calentarse.
La radiación del cuerpo negro presenta las siguientes características:

La potencia total P emitida a la temperatura T por una superficie S cumple la ley de Stefan-Boltzmann:

P =  · T4 · S : constante de Stefan-Boltzmann
 = 5.6703 · 10 – 8 W · m – 2 · K – 4

La longitud de onda max para la que se produce mayor emisión de energía esinversamente proporcional a la temperatura T, según la ley del desplazamiento de Wien:

max T = 2.897755 · 10 – 3 m · K

Esta ley permite determinar la temperatura de la superficie de las estrellas o la del filamento de una bombilla y los cambios de color que experimenta una barra de hierro, en función de su temperatura.


En la gráfica se muestra la intensidad de energía radiada por metro...