Radiación del cuerpo negro. Efectos fotoeléctrico y Compton

Al cuerpo capaz de absorber todas las radiaciones que inciden sobre él, Kirchhoff lo llamó cuerpo negro. En la realidad no existe, pues incluso si considerarnos el hollín, que presenta una absorción prácticamente completa a las radiaciones del espectro visible, refleja gran parte de los rayos infrarrojos que recibe. Experimentalmente, puede conseguirse un cuerpo negro efectuando un pequeño orificio en una cavidad cuyas paredes interiores sean negras. Las superficie del orificio es el auténtico cuerpo negro, pues todas las radiaciones que lo atraviesan quedan, después de efectuar algunas reflexiones en su interior, retenidas en ella.

La radiación que emite un cuerpo negro dispersada, por ejemplo, mediante un prisma de fluorita, proporciona un espectro continuo. La distribución de energía radiante, en el espectro, en función de la longitud de onda. En el eje de ordenadas se sitúan las energías emitidas por unidad de superficie y de tiempo, y en el de abscisas, las longitudes de onda. La física clásica decía que la energía radiada debía aumentar a medida que aumenta la frecuencia (disminuye la longitud de onda). En cambio, los resultados experimentales contradecían esta teoría: para longitudes de onda mayores que las correspondientes a los máximos se cumplían las predicciones de la teoría clásica, pero para longitudes de onda inferiores, no. La impotencia para encontrar una explicación a esta paradoja se conoció con el nombre de catástrofe del ultravioleta.

En el año 1900, Max Karl Ernest Planck (1858-19,17), en un trabajo que presentó en la Sociedad Alemana de Física en Berlín, sugirió la aventurada hipótesis de que la energía de las radiaciones electromagnéticas es debida a que los átomos, o agrupaciones de átomos, se comportan como osciladores y que cada uno vibra con una frecuencia determinada, V, de manera que la energía que absorben o emiten es proporcional a esta frecuencia. La emisión o absorción de energía no es continua sino que se realiza mediante determinados paquetes o cuantos de energía cuyo valor es: E = hv, La constante de proporcionalidad, h, se llama constante de Planck y le corresponde el valor 6,6262×10-14 Joules x segundo. Por consiguiente, la energía de un oscilador atómico sólo puede tener valores múltiplos del cuanto: 0, hv, 2hv, 3hv, 4hv,  etc. Según la idea intuitiva de Planck, la probabilidad de encontrar osciladores con frecuencias altas, de cortas longitudes de onda, es pequeña, ya que la probabilidad de hallar átomos con energías de vibración excesivamente altas es escasa. En lugar de seguir elevándose la curva a la izquierda del máximo, desciende. Con esta hipótesis, dedujo una expresión matemática que correspondía, exactamente, a la forma de las curvas halladas experimentalmente. Había nacido la mecánica cuántica.

Efecto fotoeléctrico

En 1887, Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) descubrió el fenómeno llamado efecto fotoeléctrico. Cuando la luz incidía sobre una placa metálica, podía provocar el desprendimiento de electrones. Cada metal requería una frecuencia mínima de luz por debajo de la cual no se emitían electrones, sin que tuviera importancia la intensidad del haz luminoso incidente. En ciertos metales, un intenso haz de luz roja no era capaz de producir ninguna emisión de electrones, mientras que un haz débil de luz azul podía hacerlo. Este fenómeno era inexplicable para la física clásica, pues, según los conocimientos de la época, la energía del electrón emitido debería depender de la intensidad de luz incidente y no de su frecuencia. Pero en 1905, Einstein, apoyándose en la teoría de Planck, postuló que la luz estaba formada por unos paquetes minúsculos de energía o fotones, cada uno de los cuales poseía una energía hv. El efecto fotoeléctrico era debido a la cesión de energía que efectuaba un linón sobre un electrón del metal. La energía que adquiría este último podía ser suficiente para despegarse de aquél con una determinada energía cinética. Se entendía que, al aumentar la frecuencia de la luz, aumentara la energía de los fotones y, por lo tanto, los electrones podían ser arrancados del metal con mayor frecuencia.

Efecto Compton

El físico norteamericano Arthur Holly Compon (1892-1962) descubrió, en 1923, que cuando un haz de rayos X incide sobre determinados cuerpos ricos en electrones libres, grafito por ejemplo, la energía de los fotones de la radiación se invierte, en parte, en arrancar un electrón y, en parte, en emitir un fotón de mayor longitud de onda y menor energía. El tratamiento matemático aplicado a este fenómeno demuestra, una vez más, la naturaleza corpuscular de las radiaciones electromagnéticas y permite calcular la masa del fotón en movimiento.

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