Radiación Térmica y Efecto Fotoeléctrico

Radiación Térmica Cuerpo Negro
La radiación térmica es la energía electromagnética que emite un cuerpo debido a su temperatura. Cualquier cuerpo al calentarse irradia energía. Su radiación empieza a ser visible cuando la temperatura es alta.
Un cuerpo negro es aquel capaz de absorber todas las radiaciones que le llegan, y por ello de emitir todas las longitudes de onda. Se puede fabricar un cuerpo negro con un material resistente al calor que tenga una cavidad con paredes muy rugosas y absorbentes, comunicada con el exterior por un pequeño orificio. De esta manera, cualquier radiación que penetre en él quedará absorbida directamente o tras sufrir varias reflexiones.
La radiación de un cuerpo negro sigue las siguientes leyes:
Ley de Wien: La longitud de onda para la que la intensidad emitida es máxima disminuye cuando aumenta la temperatura: λ_max T = 2,9·10^-3 mK.

Ley de Stefan-Boltzmann: La energía total emitida por unidad de superficie y de tiempo es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura para un valor que está determinado: E_total = σT⁴, donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann y vale 5,67·10 W/m²·K⁴.

Según estas leyes, se puede observar que al disminuir la temperatura, el máximo de la intensidad emitida se desplaza hacia longitudes de onda más grandes. Esto es una contradicción respecto a las leyes clásicas de la radiación, pues según estas, la intensidad de la radiación debe disminuir de forma continua al aumentar la longitud de onda. De forma que en la zona ultravioleta la energía sería grande. Sin embargo, según la ley de Wien, para longitudes de onda muy pequeñas, la intensidad tiende a 0. Esta contradicción se la conoce como catástrofe ultravioleta.

Hipótesis de Planck
Todos los intentos de explicar este fenómeno por parte de la física clásica habían fracasado. Max Planck sentó las bases de una nueva explicación teórica de estos resultados experimentales: la teoría cuántica. Planck afirma que la energía emitida por un cuerpo negro no es continua, sino discreta, formada por "cuantos" de energía de frecuencia determinada. La energía de un cuánto se expresa como: E = hf, siendo f la frecuencia de la radiación emitida y h una constante de valor 6,63·10^-34 J/s. Para Planck, debe haber correspondencia entre la energía emitida y las energías de los átomos que componen el cuerpo negro. Supuso que los átomos se comportan como osciladores y que cada uno oscila con una frecuencia determinada. Con ello, dedujo una fórmula para la radiación térmica que coincidía en sus datos con los obtenidos experimentalmente.

Efecto Fotoeléctrico
Este fenómeno es inexplicable para la teoría ondulatoria. Hertz comprobó que era posible establecer una corriente entre dos placas metálicas haciendo incidir luz sobre una de ellas. Se puede suponer que la luz transmite al electrón energía suficiente para escapar del átomo y salir hacia la otra placa, cerrando el circuito. Experimentalmente se pueden observar varias cosas:
- La intensidad de la corriente eléctrica producida es proporcional a la intensidad de la luz incidente.
- Para cada metal existe una frecuencia mínima de la luz para que se produzca este efecto. Por debajo de esa frecuencia no hay emisión de electrones, aunque la intensidad de la luz sea alta.
- La emisión de electrones es inmediata e independiente de la intensidad de la luz incidente.
- La energía cinética máxima de los electrones emitidos es proporcional a la frecuencia de la luz incidente, independiente de su intensidad.
Si la luz es una onda, un electrón tardaría varios segundos en adquirir la energía necesaria para escapar del átomo. Tampoco se explica la existencia de una frecuencia mínima, ya que la energía cinética máxima no depende de la intensidad, pues la energía de una onda sí es proporcional a su intensidad. En 1905, Einstein, recogiendo la teoría de los cuantos de Planck, postula que la radiación luminosa es un chorro de partículas, llamadas fotones, en los que se concentra la energía de la onda. Cada uno de ellos tiene una energía: E = hv, siendo v la frecuencia de la onda. De esta forma, un fotón choca con un electrón al que transmite su energía, que se utiliza para escapar del átomo y adquirir cierta velocidad. La relación se expresa como: hv = W_e + 1/2 mv² → W_e = hV₀.

Esto explica que exista una frecuencia mínima y la intensidad de la emisión, pues se considera un choque elástico. Solo quedaba por encontrar al fotón, una partícula sin carga y con masa igual a cero cuando está en reposo.