El cuerpo negro.
Aquí seguimos la página de Ángel Franco. Universidad de Eibar.
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/cuantica/experiencias/radiacion/radiacion.xhtml
El término radiación se refiere a la emisión continua de energía desde la superficie de todos los cuerpos, esta energía se denomina radiante y es transportada por las ondas electromagnéticas. Hay que pensar que los electrones son partículas cargadas y que por tanto su aceleración produce onda electromagnéticas. Las ondas de radio, las radiaciones infrarrojas, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma, constituyen las distintas regiones del espectro electromagnético. Estas ondas cuando inciden sobre la superficie de un cuerpo en parte son reflejadas y el resto transmitidas.
Sobre la superficie de un cuerpo incide constantemente energía radiante, tanto desde el interior como desde el exterior, la que incide desde el exterior procede de los objetos que rodean al cuerpo. Cuando la energía radiante incide sobre la superficie una parte se refleja y la otra parte se transmite.
Consideremos la energía radiante que incide desde el exterior sobre la superficie del cuerpo. Si la superficie es lisa y pulimentada, como la de un espejo, la mayor parte de la energía incidente se refleja, el resto atraviesa la superficie del cuerpo y es absorbido por sus átomos o moléculas.
En la figura, se muestra el comportamiento de la superficie de un cuerpo que refleja una pequeña parte de la energía incidente. Las anchuras de las distintas bandas corresponden a cantidades relativas de energía radiante incidente, reflejada y transmitida a través de la superficie.
Una aplicación práctica está en los termos utilizados para mantener la temperatura de los líquidos como el café. Un termo tiene dobles paredes de vidrio, habiéndose vaciado de aire el espacio entre dichas paredes para evitar las pérdidas por conducción y convección. Para reducir las pérdidas por radiación, se cubren las paredes con una lámina de plata que es altamente reflectante y por tanto, mal emisor y mal absorbedor de radiación.
El cuerpo negro
La superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el interior es emitida.
No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1% de la energía incidente.
Sin embargo, un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximación por una cavidad con una pequeña abertura. La energía radiante incidente a través de la abertura, es absorbida por las paredes en múltiples reflexiones y solamente una mínima proporción escapa (se refleja) a través de la abertura. Podemos por tanto decir, que toda la energía incidente es absorbida.
La radiación del cuerpo negro
La radiación electromagnética que emite un cuerpo negro se conocía desde el siglo XIX. Se había estudiado cuanta radiación emitía, cual era su frecuencia y que relación tenía con la temperatura.
Si se abre un pequeño agujero en el recipiente, parte de la radiación se escapa y se puede analizar. El agujero se ve muy brillante cuando el cuerpo está a alta temperatura, y se ve completamente negro a bajas temperaturas.
En primer lugar la energía total que emite depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta:
W=σ ·T4, con σ =5.670·10-8 (Wm-2K-4)
Esta expresión se conoce como ley de Stefan-Boltzmann. La energía emitida por un cuerpo negro por unidad de área y unidad de tiempo es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta T.
Y en segundo lugar la radiación conforme va aumentando la temperatura tiene ondas de mayor frecuencia. Esta ley se llama ley del desplazamiento de Wien.
En la siguiente tabla, se proporcionan los datos acerca del tanto por ciento de la contribución de la radiación infrarroja, visible y ultravioleta a la radiación de un cuerpo negro a las temperaturas que se indican.
A baja temperatura prácticamente toda la radiación es infrarroja.
A muy alta temperatura la contribución de la radiación ultravioleta es cada vez mayor y la visible e infrarroja se hacen cada vez menores.
La contribución de la radiación visible alcanza un máximo aproximadamente a 7100º K.
Veamos ahora, la explicación del color aparente de un cuerpo caliente. Por ejemplo, a temperatura de 2000 K un cuerpo emite luz visible pero la intensidad en el extremo rojo (baja frecuencia, alta longitud de onda) del espectro visible es mucho mayor que la azul (alta frecuencia, baja longitud de onda) y el cuerpo aparece rojo brillante. A 3000 K, la temperatura aproximada de un filamento de una lámpara incandescente, la cantidad relativa de luz azul ha aumentado, pero predomina aún la componente roja. A 6000 K, que es aproximadamente la temperatura del Sol, la distribución es casi uniforme entre todas las componentes de la luz visible y el cuerpo aparece blanco brillante. Por encima de 10000 K se emite luz azul con mayor intensidad que roja y un cuerpo (estrella caliente) a esta temperatura se ve azul.
Podemos ver el applet en este enlace:http://www.uco.es/hbarra/index.php/fc/appletsfc/56-cuerponegro
o en este otro: http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Blackbody_Spectrum
Estos hechos eran inexplicables según la física clásica y hasta Max Planck no fueron resueltos en el marco de una nueva teoría. La Física Cuántica.
Hipótesis de Planck.
Históricamente, el nacimiento de la Mecánica Cuántica, se sitúa en el momento en el que Max Panck explica el mecanismo que hace que los átomos radiantes produzcan la distribución de energía observada. Max Planck sugirió en 1900 que:
La energía electromagnética que absorben o emiten los objetos no puede ser cualquiera sino que se hace siempre en forma de múltiplos de una cantidad mínima: E=hf
h. Es una constante que recibe el nombre de Planck h=6.63 10-34 Js.
Puede parecer un hecho sin importancia pero iba en contra de todo lo conocido hasta entonces. La energía de una onda para estar concentrada en pequeños paquetes. Los fotones de Newton renacían con otro significado. la energía no esta distribuida por toda la onda. Si estuvieramos hablando de las olas del mar, al chocar con nosotros no recibiríamos el impacto de una parte de la onda sino de una parte concentrada
La verdad para las experiencias diarias no tiene importancia ya que esos paquetes de energía son tienen uns cantidad muy pequeña solo basta con observar el valor de h.
