Teoría de Planck y la cuantización de la energía

Algunos físicos trataron de encontrar una fórmula matemática que justificase el espectro de emisión térmica del cuerpo negro.

Rayleigh y Jeans dieron con una expresión que cuadraba con los resultados experimentales de emisión de energía por un cuerpo negro para longitudes de onda grandes. Sin embargo, esta fórmula fallaba para longitudes de onda cortas, lo que pasó a denominarse catástrofe ultravioleta, ya que según la ley de Rayleigh-Jeans la emisión de energía debía aumentar a medida que disminuía la longitud de onda, por tanto, para longitudes de onda corta tendía hacia el infinito (No podía explicar el descenso observado en la energía de la radiación emitida que se producía para _ < _ UV ). En 1900 Max Planck aportó una idea clave para obtener una explicación coherente que se ajustaba muy bien a los datos experimentales. Supuso que en la materia existen pequeños osciladores átomos o moléculas que vibran con determinadas frecuencias, absorbiendo y

emitiendo energía en forma de ondas electromagnéticas. La energía se emite de forma discreta, es decir, “concentrada. En cuantos o paquetes de energía (algo muy similar a lo que ocurriría si se emitieran partículas). La denominación de estos cuantos o paquetes como fotones fue posterior. A diferencia de la teoría clásica, que consideraba que la radiación tenía carácter ondulatorio,

suponía que la energía se emitía de forma continua, como corresponde a una

onda. Cada oscilador solo puede absorber o emitir energía que sea un múltiplo entero de su energía básica que es directamente proporcional a su frecuencia natural de oscilación. Se dice entonces que la energía está cuantizada.

La energía básica de un oscilador es: E0 = h * f

Esta unidad de energía básica (se denominó posteriormente cuanto de energía o fotón). La energía correspondiente a un cuanto depende de la frecuencia de vibración de los átomos del material y viene dada por la expresión anterior.

Por consiguiente, según la teoría de Planck, la energía que puede absorber o emitir un oscilador es: E = n * h * f Considerando que:

n es un número cuyo valor es n=1,2,3,4..

h es la constante de Planck; una constante universal. Su valor en unidades del es h = 6; 626 _ 10????34J _ s f es la frecuencia natural del oscilador.

Cada oscilador puede encontrarse en distintos estados cuánticos, correspondientes a diferentes valores de n. Al ser la energía del oscilador en el primer estado cuántico E1 = hf, la energía del tercer estado cuántico es E3 = 3hf.

Cuando el oscilador pasa de un estado cuántico a otro, absorbe o emite la energía que resulta de la diferencia de ellos. Pero esa energía es siempre un número de veces la energía básica. Los átomos o moléculas pasan de un estado cuántico a otro absorbiendo o emitiendo un determinado número de fotones (la denominación como fotones fue posterior). La expresión de Planck permite relacionar la energía de la radiación electromagnética con su frecuencia. Teniendo en cuenta la relación entre la frecuencia y la longitud de onda, también se puede expresar la energía de la radiación en función de su longitud de onda. E=hf c=lambda f E=h*c/lambda