Teoría del cuerpo negro -Física clásica y Teoría de Planck

Teoría del cuerpo negro

-Física clásica y Teoría de Planck

El cuerpo negro es un modelo físico-teórico ideal para el estudio de las emisiones de radiación electromagnéticas, este es un objeto que absorbe toda la luz y energía irradiada sobre él. Este objeto será capaz de absorber todo el calor (energía) irradiada desde un cuerpo incandescente hacia el cuerpo negro hasta que estos se encuentren en equilibrio térmico, es decir hasta que su temperatura sea la misma; de este modo la radiación del cuerpo negro solo es igual a la radiación térmica de otros cuerpos.

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La energía electromagnética manifiesta una amplia gama de longitudes de onda, esta propiedad que lleva el símbolo λ guarda una relación entre la cantidad de energía radiante que emite un cuerpo sometido a calentamiento en determinada temperatura; puesto que a menor longitud de onda mayor energía, sin embargo en algún punto esta energía tiende a cero, esto fue descubierto por Max Planck al presentar una explicación para la catástrofe ultravioleta.

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El cuerpo negro emite radiación en forma de ondas electromagnéticas, según la física clásica sustentada por la teoría de Rayleigh-Jeans predice que la energía emitida por longitudes de onda muy pequeñas es infinita, sin embargo experimentalmente esta teoría no se cumplió, causando la famosa catástrofe ultravioleta que mantuvo a la física clásica sin una respuesta a la emisión de energía electromagnética hasta que Max Planck sembró la semilla de una nueva forma de ver la física, lo cual se le conoce ahora como física cuántica.

En desacuerdo con la idea de la física clásica Max Planck describió la radiación del cuerpo negro en equilibrio térmico a una temperatura definida, su enfoque termodinámico le dio las bases para establecer su Ley de radiación del cuerpo negro la cual fue aceptada por su confirmación experimental.

ECUACIÓN DE PLANCK

Después de resolver el problema del cuerpo negro y publicar su ley, Max Planck pensó en cómo darle más sustento teórico, por lo cual propuso que los átomos o moléculas también podían absorber o emitir energía, aunque solo en pequeñas cantidades que formaban paquetes de energía llamados cuantos; un cuanto es la cantidad mínima de energía que puede ser absorbida o emitida. La fórmula de Max Planck para calcular la energía es  Donde h= constante de Planck (6026x10-34J*s) y v= frecuencia de la onda.[pic 7]

EFECTO FOTOELÉCTRICO

La incidencia de radiación electromagnética (luz) sobre la superficie de algunos metales produce la emisión de electrones. Cuando la luz incide sobre dicha superficie, la intensidad de la luz se reduce, este fenómeno fue incomprensible pues no imaginaban como los electrones emitidos conservaban la misma energía y solo disminuia la cantidad de electrones. Albert Einstein fue quien dio respuesta a este fenómeno al que se le llamo efecto fotoeléctrico.

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En el efecto fotoeléctrico la cantidad de electrones liberados es proporcional a la intensidad de la luz, sin embargo existe una frecuencia umbral a la que se debe llegar para liberar los electrones, a esta frecuencia también se le determina como frecuencia mínima. Einstein utilizo de los descubrimientos hechos por Max Planck y partió de la hipótesis en la cual un rayo de luz es un torrente de partículas llamadas fotones, estos fotones poseen energía pues están conformados por cuantos o paquetes mínimos de energía como dice la ley de Planck.  La ecuación correspondiente al cálculo de la energía de un fotón nos dice que al aumentar la frecuencia aumenta la energía de un fotón, esto también se relaciona con la energía cinética del electrón que se emite.

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Einstein fue más allá y determino mediante la ecuación  que de existir una luz con mayor frecuencia que la frecuencia umbral, los electrones adquieren energía cinética y serán emitidos. En esta ecuación  se refiere a la energía cinética del electrón que es emitido y  es la función trabajo; esta función habla de la magnitud en la cual se encuentran unidos los electrones a los metales. La energía cinética por lo tanto también depende de la frecuencia de la onda.[pic 11][pic 12][pic 13]

ECUACIÓN DE SCHRÖDINGER

Erwin Schrödinger tomo como base la idea de que los electrones poseen propiedades ondulatorias, por consiguiente propuso una ecuación que describía el comportamiento y energías de los electrones en los átomos. Schrödinger aplico su ecuación para calcular las propiedades del electrón del hidrogeno y los resultados concordaron perfectamente con las propiedades presentadas con la experimentación. Las soluciones dadas por la ecuación de Schrödinger, no son números como tal, sino funciones de onda, de aquí que también se le conozca a su ecuación como ecuación de onda. Las funciones de onda pueden ser positivas o negativas. La función de onda elevada al cuadrado, es una expresión matemática que representa la probabilidad de encontrar al electrón sobre cierto volumen, hoy en dia le conocemos como REEMPE.

El valor de dicha probabilidad debe ser positivo puesto que el electrón debe encontrarse en algún lugar del orbital, por lo tanto al graficar las soluciones de la ecuación de Schrödinger obtenemos las gráficas del orbital donde se encuentra el electrón. En 1925 Erwin Schrödinger formulo la ecuación que hoy en día lleva su nombre.

POSTULADO DE BROGLIE

Luis De Broglie postulo en 1923 una nueva hipótesis, esta se basó en la teoría atómica más actual y conociendo la Ley de Planck sobre la radiación la cual dicta que la radiación de las ondas se compone de cuantos (cantidades discretas de energía) lo cual le proporcionaba características ondulatorias a las partículas.

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