TEMA 8. Teoría cuántica | 8.7. Radiación del cuerpo negro

Summary

En este video se explica la radiación del cuerpo negro y cómo la física clásica no logra predecir correctamente las curvas de intensidad emitida en función de la longitud de onda. Max Planck, en 1900, revolucionó la física al introducir los cuantos de energía, explicando que la radiación se emite en paquetes discretos. Esta teoría cuántica resolvió problemas como la catástrofe ultravioleta, donde la física clásica fallaba. Se menciona cómo la radiación del cuerpo negro se aplica en la astronomía, permitiendo determinar la temperatura de las estrellas basándose en la ley de Wien.

Takeaways

• 📉 Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la radiación que recibe sin reflejar nada.
• 🌡️ La radiación emitida por un cuerpo negro depende de su temperatura y se ajusta a diferentes curvas según la longitud de onda.
• 📚 La física clásica no logra predecir correctamente la radiación emitida por un cuerpo negro, fallando especialmente en la zona ultravioleta (catástrofe ultravioleta).
• 🧠 Max Planck, en 1900, resolvió este problema al proponer que la energía se emite en paquetes discretos llamados cuantos.
• 📊 La ley de Wien permite predecir el máximo de la curva de radiación en función de la temperatura de un cuerpo negro.
• 🔬 La ecuación de Planck describe correctamente la radiación emitida por un cuerpo negro tanto en la zona infrarroja como en la ultravioleta.
• 🌀 La teoría cuántica de Planck rompió con la física clásica, ya que la energía no es continua sino discreta.
• 🌞 El Sol se aproxima al comportamiento de un cuerpo negro con una temperatura de alrededor de 5500 K, emitiendo radiación principalmente en la zona visible.
• 💡 La radiación del cuerpo negro permite determinar la temperatura de estrellas y otros cuerpos celestes mediante la longitud de onda de máxima emisión.
• 🌌 El estudio de la radiación del cuerpo negro, junto con otros fenómenos, fue clave para el desarrollo de la mecánica cuántica, que explicó fenómenos que la física clásica no podía.

Q & A

¿Qué es un cuerpo negro?

Un cuerpo negro es un cuerpo que absorbe toda la radiación que le llega sin reflejar nada de ella. Se puede aproximar a un cuerpo negro como un cuerpo hueco en el que la radiación electromagnética entra a través de un orificio y se va reflejando en las paredes internas hasta que se absorbe completamente.

¿Por qué la física clásica no puede explicar la radiación del cuerpo negro?

La física clásica no puede explicar la radiación del cuerpo negro porque predice una intensidad infinita a longitudes de onda pequeñas, lo que no tiene sentido físico. Esto se conoce como la 'catástrofe ultravioleta'. Además, sus ecuaciones no coinciden con las observaciones experimentales en la región ultravioleta y en la infrarroja.

¿Cuál fue la contribución de Max Planck en 1900 para explicar la radiación del cuerpo negro?

Max Planck rompió con la física clásica y propuso que la energía de la radiación no puede tener cualquier valor, sino que se emite en pequeños paquetes llamados cuantos de energía. Utilizando esta hipótesis, desarrolló una ecuación que describe con exactitud la forma de las curvas de la radiación del cuerpo negro.

¿Cómo se define la intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro según la ley de Rayleigh-Jeans?

La intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro, según la ley de Rayleigh-Jeans, se define como: 2 veces la velocidad de la luz por la constante de Boltzmann por la temperatura, dividido por la longitud de onda a la cuarta potencia. Esta ley predice bien la radiación en longitudes de onda grandes, pero falla en longitudes de onda pequeñas, donde la intensidad tiende a infinito.

¿Qué es la catástrofe ultravioleta?

La catástrofe ultravioleta es el problema de que, según la física clásica, la intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro tiende a infinito a longitudes de onda pequeñas (en la región ultravioleta). Esto contradice las observaciones experimentales y carece de sentido físico.

¿Qué establece la ley de Wien?

La ley de Wien establece que la longitud de onda para la cual la intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro es máxima, se obtiene dividiendo una constante (0.002897 metros por Kelvin) entre la temperatura del cuerpo. Esto permite determinar el máximo de la curva de radiación a diferentes temperaturas.

¿Qué hipótesis introdujo Planck para explicar el fenómeno del cuerpo negro?

Planck introdujo la hipótesis de que la energía se emite en pequeños paquetes discretos llamados cuantos de energía. Cada cuanto posee una energía igual a la constante de Planck multiplicada por la frecuencia de la radiación. Esta idea de energía cuantizada rompía con la concepción continua de la energía de la física clásica.

¿Qué es la constante de Planck y cómo se relaciona con la energía de un cuanto?

La constante de Planck es un valor fundamental que se utiliza para describir la cantidad de energía contenida en un cuanto de radiación. La energía de un cuanto se calcula como la constante de Planck multiplicada por la frecuencia de la radiación: E = h * ν, donde h es la constante de Planck y ν es la frecuencia.

¿Cómo se puede utilizar la radiación del cuerpo negro para determinar la temperatura de las estrellas?

Se puede determinar la temperatura de una estrella observando la longitud de onda en la que la intensidad de la radiación emitida es máxima, según la ley de Wien. La longitud de onda máxima está inversamente relacionada con la temperatura del cuerpo negro. Esto permite calcular la temperatura de la superficie de las estrellas.

¿Cómo se compara la radiación del cuerpo negro con la luz emitida por el Sol?

El Sol emite radiación electromagnética que se aproxima muy bien a la curva de radiación de un cuerpo negro a unos 5500 Kelvin, que es la temperatura de su superficie. La zona visible del espectro electromagnético coincide con el máximo de intensidad de la radiación del Sol, lo que explica por qué nuestros ojos están adaptados para ver la luz visible.