El Nacimiento de la Física Cuántica: De la Catástrofe Ultravioleta a los Cuantos de Energía
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El Surgimiento de la Física Cuántica
En 1900, el estudio de la radiación térmica obligó a revisar los conceptos clásicos sobre el intercambio de energía entre la radiación y la materia, lo que se conoció como la “catástrofe ultravioleta”. Así nació la física cuántica, que ofrece una descripción probabilística de la naturaleza, con magnitudes discontinuas, frente a la concepción determinista y continua de la física clásica.
Radiación Térmica
Se denomina radiación térmica a la energía que emiten todos los cuerpos en forma de ondas electromagnéticas (o.e.m.) como consecuencia de su estado térmico.
El Cuerpo Negro
La característica física que define a un cuerpo negro es que absorbe toda la radiación que le llega y, por tanto, no refleja nada. El cuerpo negro es un absorbente y un emisor perfecto. Las curvas experimentales de distribución de la radiación emitida Rλ (radiancia espectral) a cada λ por el cuerpo negro presentan un espectro continuo, donde las curvas no se cruzan y con un máximo a una longitud de onda característica que disminuye al aumentar la temperatura.
Ley de Stefan-Boltzmann
La energía total que un cuerpo negro irradia por unidad de tiempo y superficie es directamente proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta:
R = P/S = σ·T4
Donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann, y su valor es σ = 5,67·10-8 W·m-2·K-4.
Ley del Desplazamiento de Wien
Como se observó, al aumentar la temperatura, disminuye el máximo de la longitud de onda característica. Wien demostró que la temperatura (T) y la longitud de onda máxima (λmax) son inversamente proporcionales, lo que se conoce como la Ley del Desplazamiento de Wien:
T₁·(λmax)₁ = T₂·(λmax)₂ = ... = T·(λmax) = 2,896·10-3 m·K
Esta ley permite calcular la temperatura de cuerpos celestes como el Sol.
La Hipótesis Cuántica de Planck
Planck obtuvo por tanteo la ecuación que relacionaba la radiancia espectral con la longitud de onda, pero deseaba obtenerla teóricamente. Para ello, propuso su teoría del cuerpo negro basándose en la hipótesis cuántica:
“El intercambio de energía entre la radiación y la materia no tiene lugar de forma continua, sino por medio de cuantos o paquetes de energía cuyo valor depende de la frecuencia de la radiación.”
La energía de un cuanto se expresa como:
E = n·h·f
Donde n es el número cuántico principal y E = h·f es el valor del cuanto de energía, siendo f la frecuencia de la radiación y h la constante de Planck, cuyo valor es h = 6,626·10-34 J·s. Con esto, aparecen los conceptos fundamentales de cuanto de energía y discontinuidad. Ha nacido la física cuántica.
La Catástrofe Ultravioleta
Utilizando únicamente las leyes de la física clásica, se llega a la ecuación de Rayleigh-Jeans, la cual es errónea y absurda, ya que establece que cuando la longitud de onda (λ) se hace más pequeña, la energía radiada crece sin límite. La física clásica, aceptable para longitudes de onda largas, fracasaba estrepitosamente cuando se acercaba a las zonas del ultravioleta, lo que se conoció como la catástrofe ultravioleta.