Fenómenos Cuánticos Fundamentales: Radiación del Cuerpo Negro y Efecto Fotoeléctrico
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La Catástrofe Ultravioleta y la Cuantización de la Energía
La catástrofe ultravioleta es una falla significativa de la teoría clásica del electromagnetismo al intentar explicar la emisión electromagnética de un cuerpo en equilibrio térmico con el ambiente. De acuerdo con la ley de Rayleigh-Jeans, la densidad de energía emitida para cada frecuencia debía ser proporcional al cuadrado de esta última. Al calcular la cantidad total de energía radiada, se aprecia que esta resulta ser infinita, un hecho que ponía en riesgo los postulados de la conservación de la energía.
En la gráfica (no incluida en este documento) se aprecia claramente la catástrofe ultravioleta, donde la predicción clásica diverge a altas frecuencias (longitudes de onda pequeñas).
Para explicar este fenómeno, Max Planck sugirió que los átomos, al oscilar, emiten energía de forma cuantizada. Además, propuso una segunda hipótesis en la que establece que el número de átomos que oscilan a altas frecuencias es mucho menor que el de aquellos que lo hacen a bajas frecuencias. Esta propuesta explica por qué la gráfica mencionada anteriormente experimenta una disminución en las longitudes de onda pequeñas, resolviendo así la catástrofe ultravioleta y sentando las bases de la física cuántica.
El Efecto Fotoeléctrico: La Hipótesis de Einstein
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se ilumina con radiación electromagnética. Fue descubierto por Heinrich Hertz, pero fue Albert Einstein, en total contradicción con la física clásica, quien dio una interpretación revolucionaria al fenómeno.
La hipótesis de Einstein establece que, en las interacciones con la materia, una onda electromagnética de frecuencia f puede ser considerada como un conjunto de partículas, denominadas fotones, cada una de ellas con una energía h·f (donde h es la constante de Planck). De acuerdo con esta hipótesis, la luz solo arrancará electrones del metal si su frecuencia es como mínimo un cierto valor, conocido como frecuencia umbral, ya que la energía del fotón debe ser suficiente para superar la función de trabajo del material.
Potencial de Corte (V₀)
Se denomina potencial de corte V₀ de una célula fotoeléctrica a la diferencia de potencial que hay que aplicar entre el ánodo y el fotocátodo para anular el efecto fotoeléctrico. Este potencial de frenado solo depende de la frecuencia de la radiación incidente y del tipo de metal utilizado, siendo una medida directa de la energía cinética máxima de los electrones emitidos.
El Cuerpo Negro: Un Emisor y Absorbedor Ideal
Un cuerpo negro es un sistema ideal que absorbe toda la radiación que incide sobre él, sin importar la frecuencia o el ángulo. Es también un emisor ideal, que emite radiación en todas las longitudes de onda posibles. La radiación del cuerpo negro solo depende de su temperatura absoluta, no de las características específicas de la sustancia de la que está compuesto, lo que lo convierte en un concepto fundamental para entender la radiación térmica y el origen de la física cuántica.