Cuantica de la luz

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Teoria cuantica

Al descubrir la cuantificación de la radiación energética se operó, en los comienzos del siglo XX, un cambio radical en el enfoque de la Física.

Varios son los principales hechos que aportaron claridad a la nueva formulación cuántica, hechos cuyo estudio va asociado a los nombres de Planck, Einstein y Compton.

Radiación del cuerpo negro

Es sabido que cualquiersustancia emite radiación electromagnética, incluso los cuerpos ‘fríos”; aunque en este caso, al ser mayor la energía que absorben del medio que la energía que emiten, se calientan y aumenta su temperatura.

Las características de dicha radiación dependen de la naturaleza de la sustancia y de su temperatura (las sustancias emiten más cuando están calientes que cuando están frías).

A su vez, lacapacidad de “emitir” que posee un cuerpo está directamente ligada a su capacidad de absorber; por lo que un cuerpo es buen emisor si es buen absorbente, y viceversa.

El cuerpo negro es el mejor emisor de radiación. Y se entiende por “cuerpo negro” cualquier superficie que absorbe toda radiación que incide sobre ella.

Si disponemos de un objeto hueco y hacemos un agujero en cualquiera de susparedes, podemos afirmar que se aproxima bastante al concepto ideal de “superficie de cuerpo negro” o “cuerpo negro”. Dicha cavidad absorbería, casi por completo, cualquier radiación incidente en el orificio.

Sólo una pequeña fracción de dicha radiación será capaz de “escapar” por el orificio de entrada. Esa radiación emergente es la que nos servirá para estudiar la radiación del cuerpo negro.

Enel gráfico de abajo, se indica la intensidad de radiación de un “cuerpo negro” en función de la longitud de onda, y para tres temperaturas distintas.

El físico alemán Wilhelm Wien (1893) estudió estas curvas de emisión de energía y estableció la ley experimental denominada “ley de desplazamiento de Wien”,

(max. T= Cte = 0,29 cm. ºK

que expresa de modo cuantitativo el hecho, comprobadoexperimentalmente, de que el “pico “del espectro del cuerpo negro se desplaza, al aumentarla temperatura, hacia las longitudes de onda más cortas “.

Así, el hierro al irse calentando pasa del rojo oscuro al blanco.

Mediante la ley experimental de Wien se pueden calcular, aproximadamente, las temperaturas superficiales de las estrellas estudiando sus radiaciones.

Con el avance que supusoesta ley que comentamos, deducida a partir de la teoría clásica de Maxwell, se creyó que sería fácil explicar la forma de las curvas características de emisión.

Los intentos resultaron fallidos. Rayleigh-Jeans hicieron un cálculo experimental de la densidad de energía radiante de longitud de onda (, emitida por un cuerpo a determinada temperatura deduciendo la ecuación:[pic]

Los valorescalculados a partir de esta expresión concordaban con los resultados experimentales para las radiaciones de longitudes de ondas largas; es decir, tendían a cero. Pero para las longitudes de ondas cortas tendía a infinito,cosa ilógica, denominándose esta contradicción la “catástrofe del ultravioleta”

[pic]

El 19 de octubre de 1900, Max Planck anunció que había encontrado una expresión matemáticapara representar las curvas experimentales de las que venimos hablando:

[pic]

siendo:

E( (Energía radiada en función de la longitud de onda)

K = 1,380. 10-23 J/ºK(constante de Boltzmann)

h = 6,625.10-34 J.seg. (constante de Planck)

( (frecuencia)

Para llegar a este resultado, tuvo que dejar de lado algo básico en electromagnetismo clásico, como era la idea de que una partícula,al ser acelerada, emitía una radiación continua.

En contraposición, emitió su hipótesis:

“El contenido energético de un oscilador (carga en movimiento periódico) de frecuencia (, es decir su energía cinética y potencial en cualquier momento, sólo puede ser múltiplo de la magnitud h(. (“h” es la constante de Planck.”). Así pues, la energía total de un oscilador está cuantificada y vale

E...
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