Capitulo 4

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4. CUANTIZACIÓN DE LA RADIACIÓN: EL FOTÓN
[Jorge Barojas Weber, febrero 2011] 4.1 4.2 4.3 4.4 El problema de la radiación del cuerpo negro La hipótesis de Planck de la cuantización de la energía Explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico Explicación del efecto Compton según la relatividad especial

La física cuántica surge a fines del siglo XIX como una ruptura con las leyes de lafísica clásica; se deriva de un tratamiento revolucionario del problema termodinámico de la radiación del cuerpo negro. Al inicio del siglo XX, la solución a este problema dada por Max Planck (18581947) representó una revolución científica, en el sentido de los cambios que considera Kuhn1: (1) (2) (3) cambios de significados en los términos básicos y el modo en que las palabras y las frases serelacionan con la naturaleza; cambios en las categorías taxonómicas utilizadas para las descripciones y generalizaciones científicas, y cambios en las metáforas, las analogías o los modelos explicativos.

En nuestra época, la solución al problema de la radiación del cuerpo negro parecería trivial: se usan términos como “cuanto de energía” y se supone que el espectro de emisión es resultado de lainteracción de la radiación electromagnética con niveles electrónicos de los átomos; sin embargo, a principios del siglo pasado la existencia misma del átomo se ponía en duda. Por lo mismo, es importante precisar qué se había hecho antes de Planck y que fue lo que él hizo cuando cuantizó la energía; es decir, cuando llegó a la distribución espectral correcta proponiendo que los osciladores emisores dela radiación en las paredes de la cavidad tenían energías cuantizadas (con valores discretos). Después, Einstein extendería esta cuantización de la energía de los osciladores de la cavidad a todo tipo de radiación electromagnética, explicando así el efecto fotoeléctrico. Posteriormente, el mismo Einstein dará las bases para interpretar otro fenómeno, el efecto Compton, que también puedeentenderse como una colisión entre fotones y electrones. Sin embargo, si la radiación está cuantizada, es decir formada por fotones cuya velocidad es la de la luz, un límite a la propagación de señales en el vació y una invariante frente a transformaciones entre sistemas de referencia, entonces la mecánica de los fotones tiene que ser relativista. El 19 de octubre de 1900 Max Karl Ernest Ludwig Planck(1858-1947) presentó ante la Sociedad de Física de Berlín un trabajo acerca de “las frecuencias características de un conjunto de osciladores armónicos en equilibrio termodinámico con la radiación electromagnética de un cuerpo negro”. Días después, el 14 de diciembre de ese año, comunicó otro trabajo: Acerca de la teoría de la distribución de energía en el espectro normal, en el cual indicaba (Planck,1901): “El calor radiante no es una corriente continua e indefinidamente indivisible. Debe ser definido como una masa discontinua compuesta de unidades, cada una de las cuales es análoga a las restantes”.
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T. Khun, ¿Qué son las revoluciones científicas? y otros ensayos. Ediciones Paidós. Barcelona, España, (1983)

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4.1 El problema de la radiación del cuerpo negro El marco teórico paraanalizar el problema de la radiación del cuerpo negro comienza a formularse con la teoría electromagnética desarrollada entre 1865 y 1873 por James Clerk Maxwell, interesado en los efectos de las oscilaciones de la corriente eléctrica en alambres conductores. Ya se sabía que una corriente alterna crea campos eléctricos y magnéticos fluctuantes y se había predicho que tales campos tendrían unafrecuencia igual a la de las oscilaciones de la corriente. Sin embargo, integrando óptica y electromagnetismo, la teoría de Maxwell predijo y demostró formalmente que la luz visible era una perturbación electromagnética creada por oscilaciones de cargas eléctricas, de manera que la frecuencia de la luz (ν) era la misma que la de los osciladores cargados. A fines del siglo XIX se ignoraba la...