Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía
radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja
o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerpo negro
emite luz y constituye un sistema físico idealizado para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862. La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro.
Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas,
siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más
intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. La energía
radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y
corresponde a longitudes de onda
superiores a las de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al
elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo
hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color
de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual
intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck.
A igualdad de temperatura, la energía emitida depende también de la
naturaleza de la superficie; así, una superficie mate o negra tiene un poder emisor
mayor que una superficie brillante. Así, la energía emitida por un
filamento de carbón incandescente es mayor que la de un filamento de
platino a la misma temperatura. La ley de Kirchhoff
establece que un cuerpo que es buen emisor de energía es también buen
absorbente de dicha energía. Así, los cuerpos de color negro son buenos
absorbentes.
Modelos clásico y cuántico de cuerpo negro
Los principios físicos de la mecánica clásica y la mecánica cuántica
conducen a predicciones mútuamente excluyentes sobre los cuerpos negros o
sistemas físicos que se les aproximan. Las evidencias de que el modelo
clásico hacía predicciones la emisión a pequeñas longitudes de onda en
abierta contradicción con lo observado llevaron a Planck a desarrollar
un modelo heurísticos que fue el germen de la mecánica cuántica. La
contradicción entre las predicciones clásicas y los resultados empíricos
a bajas longitudes de onda, se conoce como catástrofe ultravioleta.
Cuando un cuerpo es calentado emite radiación electromagnética en un amplio rango de
frecuencias.
El cuerpo negro
(ideal) es aquel que además absorbe
toda la radiación que llega a él sin reflejarla, de tal forma que sólo
emite la correspondiente a su
temperatura.
A
fines del siglo XIX fue posible medir la radiación de un cuerpo negro
con mucha precisión. La
intensidad de esta radiación puede en principio ser calculada utilizando
las leyes del electromagnetismo. El problema de principios del siglo XX
consistía en que si bien el espectro teórico y los
resultados experimentales coincidían para bajas frecuencias
(infrarrojo), estos diferían radicalmente a altas frecuencias. Este
problema era conocido con el provocativo nombre de
“la catástrofe ultravioleta”, ya que la predicción teórica diverge a infinito en ese límite.
Quien
logró explicar este fenómeno fue
Max Planck, en 1900, que debió para ello sacrificar los conceptos
básicos de la concepción ondulatoria de la radiación electromagnética.
Para
resolver la
catástrofe era necesario aceptar que la radiación no es emitida de
manera continua sino en cuantos de energía discreta, a los que llamamos
fotones.
La energía de estos fotones
es:
E (fotón) = h.ν
ν : Frecuencia de la radiación electromagnética (s-1)
h : constante de
Planck
h = 6,62.10-27
erg.s
h = 6,62.10-34
J.s
Cuando
la frecuencia de la radiación es baja el efecto de la discretización se
vuelve despreciable debido al
minúsculo valor de la constante de Planck, y es perfectamente posible
pensar al sistema como continuo, tal como lo hace el electromagnetismo
clásico. Sin embargo, a frecuencias
altas el efecto se vuelve notable.
En 1905, Einstein
utilizaría el concepto de fotón para explicar otro
fenómeno problemático en el marco de la física clásica, la generación de
una corriente eléctrica al aplicar luz monocromática sobre un circuito
formado por chapas metálicas, conocido como el
efecto fotoeléctrico. Einstein obtendría tiempo después el Premio Nobel por este importante hallazgo teórico.
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