radiacioncuerpo+negro





 En 1860 por primera vez se propuso el problema de la radiación del cuerpo negro y no fue sino hasta (1900) cuando el físico Max Planck saliendo de todo lo establecido propuso que la radiación esta en paquetes de energía y los llamo cuantos. El planteamiento de Planck fue usado por Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico y sobre estos dos fenómenos se “construyó” la mecánica cuántica. Pero esto por sí solo sirve de nada, necesitaba de un uso práctico y hoy en día tiene aplicaciones que van desde la medicina hasta la búsqueda de información sobre el origen del universo.

La radiación es la emisión de energía en forma continua que se lleva a cabo en la superficie de todos los cuerpos. Esta energía es transportada en forma de ondas electromagnéticas y las más comunes para nuestros sentidos son la luz y el calor, aunque existe un rango de frecuencias de radiación electromagnética mucho más amplio. En 1962 el físico alemán Gustav Kirchoff propuso el cuerpo negro como un elemento ideal que era capaz de absorber toda la energía que incidía sobre él en todas las longitudes de onda, sin importar la temperatura. Pero como esto solo era un planteamiento, necesitaba de una sustentación práctica que inició con Lummen y Pringsheim quienes graficaron la energía emitida a diferentes longitudes de onda, encontrando distintas curvas a diferentes longitudes de onda, y encontraron que la intensidad no era la misma para todas las frecuencias, demostrando que lo planteado por Kirchoff sobre el cuerpo negro que emitía radiación en todas las longitudes de onda estaba errado, que la energía máxima se emitía en una longitud de onda que dependía de la temperatura. Ningún cuerpo real se comporta como un cuerpo negro, pues la energía emitida no alcanza la totalidad de la emitida idealmente. La energía absorbida así como la irradiada depende de propiedades como el material, color y geometría de la superficie, temperatura del material. Un cuerpo que absorba poca energía, emitirá poca energía, mientras que un cuerpo que absorba bastante energía emitirá también bastante energía. De ahí se deducen algunas aplicaciones importantes para la conservación de la temperatura y la luz en las se varían las propiedades de la superficie del material. Aunque es posible realizar experimentos con cuerpos de comportamiento similar, como una caja con un orificio en su interior que absorbe la radiación que incide sobre él, pues cuando entra, pasa por un proceso de reflexión y absorción en sus paredes internas hasta que toda la energía se haya asimilado por el material.

 

  La emisión de este agujero dependerá únicamente de la temperatura del material, y a esta emisión se le puede llamar radiación de cuerpo negro. Actualmente gracias a los adelantos de la tecnología, se han creado cuerpos muy aproximados al cuerpo negro, como el caso de un material desarrollado por la empresa japonesa de equipos de medición Anritsu ® que refleja únicamente el 0.16% de la radiación que incide sobre él. 

Ya con las curvas experimentales de la radiación se empezaron a buscar relaciones y modelos que pudieran predecir este comportamiento. Stefan Boltzman encontró a partir de estas curvas que la potencia era proporcional al area de la superficie del objeto, la emisividad, la temperatura elevada a la cuarta potencia y a una constante (constante de Boltzman). Wilhelm Wien a finales de siglo XIX encontró que el producto de la frecuencia en que la intensidad es máxima y una constante determinada experimentalmente, era igual a la temperatura; se le conoce como la ley del desplazamiento de Wien. Pero faltaba una teoría que pudiera predecir las curvas de intensidad-longitud de onda, relacionando la ley del desplazamiento y la ley de Boltzman.

Se buscaron soluciones acudiendo a la física clásica, que daban soluciones parciales, pero no completas, como las leyes de Wien y Rayleigh-jeans, la primera fallaba en el rango de frecuencias bajas, y la segunda en de las frecuencias altas. La ley de Rayleigh-jeans llevaba a una contradicción muy grande pues decía que la densidad de energía emitida para cada frecuencia tendría que estar relacionada directamente con el cuadrado de la frecuencia, que llevaba a energías altísimas, cuando según los resultados experimentales, a altas frecuencias, la densidad de energías tendía a cero. A esto se le conoce como la catástrofe de Rayleigh-jeans o catástrofe ultravioleta, pues era en esta parte del espectro electromagnético donde comenzaba a fallar.

Para poder comprender de una manera casi definitiva la radiación del cuerpo negro, se necesitaba de otra visión del problema pues la física clásica no funcionaba. Y fue posible gracias a Max Planck. El tomo la idea de los osciladores atómicos, pero dijo que estos únicamente irradiaban energía en ciertas longitudes de onda, negando la continuidad de la energía. Respecto a los osciladores, Planck formuló dos hipótesis: la primera es que un oscilador solo puede tener ciertos valores de energía (la energía es proporcional a la frecuencia, a un número entero positivo y a una constante conocida como constante de Planck), y la segunda es que estos osciladores emiten energía únicamente cuando cambian de un estado cuántico a otro. Planck también tomo ideas de Rayleigh y Jeans mejorando su idea de energía promedio equiparándola a la diferencia de energía promedio entre los niveles de oscilador. Planck logro llegar a una expresión para la predicción de la distribución de la frecuencia que a diferencia los planteamientos anteriores, si concordaba con los resultados experimentales. 



Aunque los resultados de Planck se acomodaban muy bien a los resultados experimentales, la idea de la cuantización de la energía fue tomada más como un truco de tipo matemático que servía, y no como algo real; incluso Planck era partidario de esta idea, pero posteriores estudios de nivel atómico, en los que la idea de la cuantización fue usada, demostraba que si era algo real.  Los resultados sobre la radiación del cuerpo negro impulsaron el desarrollo de otras ciencias como la construcción de sensores de radiación que van desde aplicaciones industriales, pasando por la medicina, y la cosmología, como el caso del proyecto COBE, que busca radiación cósmica de fondo considerándola como radiación de cuerpo negro.

La creación de un nuevo paradigma, muchas veces no reemplaza al anterior, puede que como en este caso, solo lo limite, y puedan ser tan validos, el uno y el otro para su rango de uso. La cuantización de la energía creo nuevos caminos para los científicos, que en algún momento pueden llevar a la creación de una nueva corriente de pensamiento.

Autoría: Leonardo Fajardo Osorio Universidad Nacional de Colombia Ingeniería Mecatrónica