La Radiación de Cuerpo Negro: Contexto Histórico y Teorías Clave

Contexto histórico de la problemática de la radiación de cuerpo negro

Contexto histórico que se plantea la problemática de la radiación de cuerpo negro: Lo primero que debemos considerar para entender el contexto histórico es cuando Maxwell postula su teoría del electromagnetismo, en la cual explica que las ondas electromagnéticas no son solo luz, sino que también abarcan un gran espectro de radiaciones electromagnéticas. Además, cabe destacar el concepto de "éter", ya que este ayudó a demostrar que las ondas electromagnéticas se podían propagar mediante un campo electromagnético.

Interés en la radiación y el fenómeno del cuerpo negro

A fines del año 1700, un fabricante de porcelana (Thomas Wedgwood) parecía estar muy interesado y le llamaba mucho la atención el por qué todas las materias que él cocía en el horno tomaban el mismo color/tono (rojo) a una cierta temperatura. Durante el año 1800, nadie fue capaz de explicar este fenómeno.

Limitaciones de la física clásica

Teniendo en consideración que el mundo de la física en el periodo en el cual gobernó la física clásica tenía sus áreas de estudio muy bien definidas, como lo eran la termodinámica, la electricidad, el magnetismo y la óptica, las teorías y postulados de la física clásica tuvieron que ser reevaluados y modificados, ya que no eran capaces de explicar el fenómeno del cuerpo negro.

Intentos de explicación del fenómeno

Los que intentaron explicar dicho fenómeno, sin la obtención de alguna solución, fueron:

• Ley de Stefan-Boltzmann
• Ley de desplazamiento de Wien: que llegó a una función que solo funcionaba bien a frecuencias altas.
• Ley de Rayleigh-Jeans: que utilizaba una estadística basada en la física clásica, por ende, solo funcionaba correctamente a frecuencias bajas, ya que a frecuencias altas la curva tendía a infinito, lo cual se conoce como "la catástrofe del ultravioleta".

Resolución del problema por Max Planck

3.- ¿Con qué argumentos resuelve el problema Max Planck y qué consecuencias tiene su teoría?

En 1900, Max Planck se basó en la estadística de Rayleigh-Jeans, pero al estudiar el fenómeno, entendió la física desde otra perspectiva.

Planck planteó que el cuerpo negro, idealmente, era un horno con paredes cerradas que absorbía toda la radiación, pero no la podía emitir, ya que presenta osciladores en cada una de sus paredes. Es debido a esto que el cuerpo negro pasa de infrarrojo a luz visible tan solo con calentarlo. Gracias a esto, podemos ver cómo, a medida que se calienta el cuerpo, va adquiriendo un color que podemos visualizar.

Con esto se afirma que la energía no se emite de forma continua, sino de forma discreta.

Además de todo lo anteriormente mencionado, Planck define su descubrimiento como una simple estrategia matemática y no como algo fundamental que se cumple en la naturaleza, ya que los intercambios de energía en la naturaleza son de carácter discreto.

Esto hace que, en 1900, la física clásica deba cambiar su nombre a "física moderna".

Impacto en la física moderna

Retomando lo de Maxwell, Einstein se cuestiona: ¿Si la onda electromagnética es luz, cómo la veríamos si viajáramos junto con las partículas de esta? Lo cual tuvo una consecuencia inmediata con el hito de Planck, ya que Einstein no solo vio una estrategia matemática, sino que le dio una gran importancia, logrando la solución de una gran interrogante de la física, lo cual era el efecto fotoeléctrico.

Su explicación en cuanto a esto demostró que la luz consta de paquetes de energía denominados fotones, ya que Einstein propone que la luz no se propaga de forma continua, sino en gránulos o paquetes de energía discreta.

Einstein sostuvo la idea de que la energía de la luz no se distribuía de manera uniforme sobre el frente de onda clásico, sino que se concentra en regiones discretas denominadas cuantos, cada uno de los cuales contiene una energía.

Efecto Compton

Compton: es un efecto que se produce por la interacción de un fotón con la materia. Se genera por la colisión de un fotón incidente con un electrón libre en el medio (con velocidad 0 antes de la colisión) y adquiere energía cinética. Esto causa una transferencia de energía y que ambos salgan dispersados con cierto ángulo y cierta energía, las cuales deben ser las mismas antes y después de la colisión. Es importante decir que siempre hay una conservación de energía en este efecto, además de la conservación de momentum lineal, que debe ser siempre el mismo antes y después en magnitud. Además, cabe mencionar que para el fotón dispersado asociamos el ángulo θ y para el electrón el ángulo Φ. Si el ángulo es mayor a 90 grados, se habla de una retrodispersión, y esto pasa cuando el electrón recibe una mayor transferencia de energía por parte del fotón incidente, y el fotón dispersado recibió poca. Si sabemos la energía del fotón por su fórmula, podemos saber la longitud de onda, lo cual es lo mismo que decir h*f, que a su vez es h*c/λ (longitud de onda). Al despejar esto, obtendremos la longitud de onda, lo cual nos ayudará a obtener el Δλ, que nos permitirá utilizar la fórmula de Compton para obtener el primer ángulo que es θ. Si bien sabemos que la energía de los fotones se encuentra en KeV, lo correcto es convertirla a Joules, ya que debemos trabajar todo en la misma unidad. Además de todo lo anteriormente mencionado, cabe destacar que el efecto Compton es el responsable de que los TM en imagen debamos utilizar blindaje, ya que si la radiación no se dispersara en Compton, no habría riesgo de irradiación.