Base Experimental De La Teoría Cuántica.

Radiación del cuerpo negro y teoría de Planck.

RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO

Fundamentos teóricos

Un cuerpo negro es aquél que absorbe toda la radiación electromagnética que recibe y emiten todas las frecuencias. Cuando el cuerpo está caliente emite radiación electromagnética y su comportamiento está gobernado por las siguientes leyes, encontradas primero experimentalmente y cuya explicación teórica fue dada por M. Planck (1900) lo que constituyó el primer éxito de la Mecánica Cuantica.

Un cuerpo negro se construye experimentalmente mediante una cavidad hueca con un pequeño orificio al exterior. Las paredes internas de la cavidad se recubren con hollín por lo que en frío prácticamente toda la radiación que entra por el orificio es absorbida. La boca del orificio se comporta entonces como un cuerpo negro. Un metal a altas temperaturas se comporta aproximadamente también como un cuerpo negro .La intensidad detectada de la emisión de un cuerpo negro (potencia detectada por unidad de superficie del detector) presenta una dependencia con el inverso del cuadrado de la distancia entre emisor y detector.

Teoría de Planck de la radiación

Planck supuso que, al menos para la radiación de cavidad, la energía promedio de las ondas estacionarias e es dependiente de las frecuencias.

Además, Planck supuso que la energía correspondiente a cada modo no es una variable continua, sino que discreta.

El físico alemán Max Plank, descubrió la ley que gobierna la radiación de los cuerpos en equilibrio termodinámico. Según Plank, la intensidad de radiación para cada longitud de onda depende únicamente de la temperatura del cuerpo en cuestión.

El espectro de radiación (ointensidad para cada longitud de onda) al que llegó Plank tiene una formacaracterística así:

En 1900 Planck formuló que la energía se radia en unidades pequeñas separadas denominadas cuantos. Avanzando en el desarrollo de esta teoría, descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce como la constante de Planck. La ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal. Sus descubrimientos, sin embargo, no invalidaron la teoría de que la radiación se propagaba por ondas. Los físicos en la actualidad creen que la radiación electromagnética combina las propiedades de las ondas y de las partículas. Los descubrimientos de Planck, que fueron verificados posteriormente por otros científicos, promovieron el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron los cimientos para la investigación en campos como el de la energía atómica.

En 1900 emitió una hipótesis que interpretaba los resultados experimentales satisfactoriamente como los cuerpos captaban o emitían energía.

Según Planck, la energía emitida o captada por un cuerpo en forma de radiación electromagnética es siempre un múltiplo (n) de la constante h, llamada posteriormente constante de Planck por la frecuencia v de la radiación.

e =nhv

h=6.62 10-34 J•s, constante de Planck

v = frecuencia de la radiación

A hv le llamó cuanto de energía. Que un cuanto sea más energético que otro dependerá de su frecuencia.

2.1.2 Efecto fotoeléctrico.

Una placa de zinc recién pulida, cargada negativamente, pierde su carga si se la expone a la luz ultravioleta. Este fenómeno se llama efecto fotoeléctrico.

Investigaciones cuidadosas, hacia finales del siglo diecinueve, prueban que el efecto fotoeléctrico sucede también con otros materiales, pero sólo si la longitud de onda es suficientemente pequeña. El efecto fotoeléctrico se observa por debajo de algún umbral de longitud de onda que es específica del material. El hecho de que la luz de longitud de onda elevada no tuviera ningún efecto, incluso si es extremadamente intensa, aparecía como algo especialmente misterioso para los científicos.

Finalmente Albert Einstein dió la explicación en 1905: La luz está constituida por partículas (photones), y la energía de tales partículas es proporcional a la frecuencia de la luz. Existe una cierta cantidad mínima de energía (dependiendo del material) que es necesaria para extraer un electrón de la superficie de una placa de zinc u otro cuerpo sólido (función trabajo). Si la energía del fotón es mayor que este valor el electrón puede ser emitido. De esta explicación obtenemos la siguiente expresión:

Ecin = h f - W

Ecin = energía cinética máxima de un electrón emitido

h = constante de Planck (6.626 x 10-34 Js)

f = frecuencia

W = función trabajo.

Podemos resumir que el proceso por el cual se liberan electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son:

Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.

La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación

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