Fundamentos de la Física Cuántica: Radiación, Dualidad y Teoría de Planck

1. Radiación térmica del cuerpo negro

Se trata de estudiar la radiación electromagnética que emite un cuerpo negro cuando se encuentra a alta temperatura. Un buen cuerpo negro se puede conseguir con un bloque metálico que contiene una oquedad en su interior, la cual conecta con el exterior mediante un pequeño agujero.

Si representamos la potencia de emisión del cuerpo negro frente a las longitudes de onda de las radiaciones emitidas, obtenemos unas curvas en forma de campana, cuyo máximo se corresponde con la longitud de onda emitida con mayor potencia. Esta gráfica cumple dos leyes:

• Ley de Stefan-Boltzmann: nos indica que, al aumentar la temperatura, el cuerpo negro emite mayor potencia (P).
• Ley de desplazamiento de Wien: nos indica que, al aumentar la temperatura, la longitud de onda (λ) que más se emite es más pequeña.

Al aplicar esto con la física clásica no era posible, ya que, según esta, a menores longitudes de onda la potencia tendía al infinito (catástrofe del ultravioleta).

2. Teoría cuántica de Planck

Al igual que en su día Dalton introdujo la idea de que la materia está formada por paquetes y así pudo explicar las leyes ponderales, Planck introduce la idea de que la energía en las ondas electromagnéticas viaja también en paquetes (cuantos o fotones). De esta forma, se puede explicar la radiación térmica del cuerpo negro y otros fenómenos como los espectros. Planck introduce la teoría cuántica con tres postulados:

• Un átomo se comporta como un oscilador armónico.
• En cada oscilación, el átomo emite un paquete de energía. El valor de esta energía depende de la frecuencia de la oscilación.
• El número de oscilaciones es un número entero y, por ello, la radiación está formada por paquetes discontinuos.

3. Ley de De Broglie (Dualidad onda-corpúsculo)

Todos los cuerpos tenemos una naturaleza dual: somos partículas y ondas. Ahora bien, para manifestar nuestra naturaleza ondulatoria debemos tener una longitud de onda asociada semejante a nuestro tamaño; esto solo ocurre en partículas pequeñas como neutrones, electrones o fotones.

Ejercicio práctico: Identificación de frecuencias

El cesio es el cátodo al que es más fácil arrancarle electrones, ya que la luz menos energética solo puede hacerlo en él. Por tanto, le corresponde la frecuencia umbral más baja, que se asocia con la recta 1.