1. Crisis de la Física Clásica

El Problema del Cuerpo Negro

Para determinar con precisión matemática las leyes de la radiación térmica se elige un cuerpo estándar que emita y absorba radiación térmica lo mas perfectamente posible.
Los físicos idearon un cuerpo con tales características: Una caja negra con un pequeño orificio
Para hacer que la caja sea una fuente luminosa, se calientan sus paredes hasta que estas empiezan a emitir Luz.

La Luz y la Radiación Térmica son en realidad la misma cosa.
Una chimenea emite además de Luz, rayos infrarrojos que crean la sensación de calor.
Las leyes fundamentales de la radiación térmica son:

1. Cuanto mas intensamente se calienta un objeto la intensidad del brillo es mayor.

1. A medida que se calienta el objeto, el color de la Luz emitida varía del rojo al blanco. Por ejemplo cuando se calienta un trozo de metal al rojo vivo.

- Al medir la radiación emitida por un cuerpo negro, se observó la siguiente distribución para la densidad de energía radiada:

La teoría clásica predecia bien tanto la region de bajas frecuencias, como la región de altas frecuencias, pero no todo el espectro!

Figura 1: Esquema de un cuerpo negro

A mediados de 1900 Lord Rayleigh y Sir James Jeans presentaron un cálculo clásico de la densidad de energía para el cuerpo negro.

La idea: Los electrones de las paredes vibran térmicamente y emiten radiación electromagnética dentro de la cavidad.
La radiación dentro de la caja de volumen V consta de ondas estacionarias con nodos en las paredes.

La física de la época de Max Planck no permitía explicar los detalles de la radiación térmica (también llamada radiación de cuerpo negro). Planck tuvo que inventar una física nueva. Supuso que la radiación se emitía y absorbía en “paquetes”. Cada paquete contiene una cantidad fija de energía y no se puede subdividir. Planck llamó a los paquetes quantum (que quiere decir “qué tanto” en latín). Con la hipótesis de que la radiación venía en cuantos, Planck logró explicar la radiación térmica.

La hipótesis cuántica de Planck iba en contra de lo que se sabía acerca de la energía. Los físicos pensaban que ésta podía ir y venir entre los objetos como un flujo continuo (digamos, como un chorro de agua, que llena una cubeta continuamente). Planck cambió este flujo continuo por una ráfaga de paquetes discontinuos (como si la cubeta se llenara de piedras, o cubos de hielo). Al principio este razonamiento no le gustó ni a Planck. Pero la hipótesis cuántica ganó adeptos conforme fue explicando otros fenómenos que no se entendían con la física clásica.

De acuerdo con la física clásica, la materia estaba compuesta por partículas que tenían masa, cuya posición en el espacio podía ser conocida; por otro lado, consideraban que las ondas luminosas no tenían masa, y que su posición en el espacio no podía ser determinada. Puesto que pensaban que pertenecían a diferentes categorías, los científicos no tenían una buena comprensión de cómo interactuaban la luz con la materia. Sin embargo, esto cambió en 190019001900, cuando el físico Max Planck comenzó a estudiar cuerpos negros —cuerpos que se calientan hasta que empiezan a brillar—.

La lava derretida actúa como un cuerpo negro, pues a muy altas temperaturas emite radiación electromagnética en la región visible.

Planck encontró que la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro no podía ser explicada por la física clásica, que postula que la materia puede absorber y emitir cualquier cantidad de radiación electromagnética. Planck observó que, de hecho, la materia absorbía o emitía energía solo en múltiplos enteros del valor hν, donde h es la constante de Planck, 6.626×10−34 J⋅s6.626×10-34

Este fue un descubrimiento sorprendente, pues desafió la idea de que la energía era continua y que se podía transferir en cualquier cantidad. La realidad, que descubrió Planck, es que la energía no es continua, sino que está cuantizada —es decir, que solo puede transferirse en "paquetes" individuales (o partículas) de tamaño hν—. Cada uno de estos paquetes de energía es conocido como cuanto (cuantos, en plural).

Aunque esto pueda sonar confuso, de hecho ya estamos muy familiarizados con sistemas cuantizados. El dinero que usamos diariamente, por ejemplo, está cuantizado. Cuando entras en una tienda, no ves nada que cueste un euro con dos y medio céntimos . Esto es porque la unidad monetaria más pequeña posible es el céntimo —es imposible transferir dinero en una cantidad menor que esta—. Así como no le podemos pagar al cajero de la tienda medio centavo, la energía no puede transferirse en una cantidad menor a un cuanto. Podemos pensar en los cuantos como "los centavos" de la energía electromagnética —las unidades más pequeñas en las que puede transferirse la energía—.

El descubrimiento de Planck de que la radiación electromagnética está cuantizada cambió para siempre la idea de que la luz se comporta solamente como onda. En realidad, parecía que la luz tenía tanto propiedades de onda como de partícula.

Fuente: Khan academy