Exploración de la Radiación Térmica, Efecto Fotoeléctrico y Dualidad Onda-Partícula

1. Radiación Térmica del Cuerpo Negro

Cuando calentamos una barra de hierro, por ejemplo, al principio solo emite radiación infrarroja invisible para nosotros, pero después empieza a emitir luz roja y más tarde, con temperaturas superiores, presenta un color blanco o blanco-azulado. ¿Cómo se explica esto? La energía electromagnética que emite un cuerpo debido a su temperatura se llama radiación térmica. La radiación térmica varía con la temperatura y con la composición del cuerpo. Sin embargo, existe un conjunto de cuerpos cuya radiación térmica solo depende de su temperatura; a este conjunto de cuerpos se les denomina cuerpos negros.

La radiación térmica de los cuerpos negros tiene las siguientes características:

• La potencia total emitida a la temperatura por una superficie cumple la ley de Stefan-Boltzmann: P = σ • T⁴ • S, donde σ = 5.6703.
• La longitud de onda para la que se produce mayor emisión de energía es inversamente proporcional a la temperatura, como bien explica la ley del desplazamiento de Wien: λ_maxT = 2.898 • 10^-3 mK.

Hipótesis de Planck

Hipótesesis para explicar la radiación del cuerpo negro:

• Los átomos que emiten la radiación se comportan como osciladores armónicos.
• Cada oscilador absorbe o emite energía de la radiación en una cantidad proporcional a su frecuencia de oscilación: E₀ = h • f, donde h = 6.625 • 10^-34.
• La energía absorbida o emitida solo puede tener un número entero n de porciones de energía E₀. Los paquetes de energía se denominan cuantos (números cuánticos), porque la energía de los osciladores está cuantizada.

2. Efecto Fotoeléctrico

Hertz descubrió que al someter a la acción de la luz visible o ultravioleta determinadas superficies metálicas, estas desprendían electrones (fotoelectrones); esta observación recibe el nombre de efecto fotoeléctrico.

Medidas del efecto

Los electrones emitidos al iluminar el cátodo producen una corriente eléctrica de intensidad I, al chocar con el ánodo. Esta intensidad es proporcional al número de electrones arrancados. El número de electrones que alcanzan el ánodo se mide con la corriente que pasa por el amperímetro.

El trabajo W necesario para arrancar el electrón del metal depende de su energía de enlace con el electrón. La energía más pequeña (la de los electrones más debilmente unidos) se llama función trabajo del metal o trabajo de extracción: W₀ = h • f₀

• Si el ánodo es positivo, atrae a los electrones.
• Si el ánodo es negativo, los electrones son repelidos y solo llegan al ánodo los electrones que tengan una energía cinética inicial suficiente para vencer el potencial de repulsión.

Hay que destacar que existen 3 hechos en este experimento que no se pueden explicar con la teoría electromagnética clásica:

• La emisión se lleva a cabo solo si la frecuencia de la radiación supera una frecuencia mínima que es propia de cada metal.
• Si la frecuencia de la luz incidente es mayor que la frecuencia umbral, el número de electrones emitidos será proporcional a la intensidad de la radiación incidente.
• Nunca se ha llegado a medir un tiempo de retraso entre la iluminación del metal y la emisión de los fotoelectrones.

3. Dualidad Onda-Partícula