Orígenes de la Física Cuántica: Fenómenos Clave y Pioneros

Los tres hechos que obligaron a revisar las leyes de la física clásica y propiciaron el nacimiento de la física cuántica fueron: la radiación térmica, el efecto fotoeléctrico, y el carácter discontinuo de los espectros atómicos.

Planck y la Radiación Térmica

Se llama radiación térmica de un cuerpo a la energía electromagnética que emite debido a su temperatura.

Se conoce como cuerpo negro a aquel que es capaz de absorber todas las radiaciones que llegan a él y emitir todas las longitudes de onda. Ningún cuerpo se comporta como tal, pero se puede considerar aquel resistente al calor que contenga una cavidad con paredes rugosas y absorbentes.

Leyes de la Radiación del Cuerpo Negro

Ley de Wien

La radiación de un cuerpo sigue las leyes de Wien. La longitud de onda para la cual la intensidad es máxima disminuye al aumentar la temperatura:

λ_maxT = 2.9 * 10^-3 m·K

Permite determinar la temperatura de la superficie del filamento de una bombilla.

Ley de Stefan-Boltzmann

La energía total emitida por un cuerpo negro por unidad de superficie y tiempo a una temperatura determinada es directamente proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta:

I_total = σT⁴

Donde σ = 5.67 * 10^-8 W/(m²·K⁴).

Como los resultados experimentales no podían explicarse mediante la teoría clásica de la radiación, era necesario buscar una nueva interpretación.

Planck sentó las bases de la teoría cuántica. Afirma que la energía emitida por un cuerpo negro no es continua, sino discontinua:

E = hf

Einstein y el Efecto Fotoeléctrico

Se conoce con el nombre de efecto fotoeléctrico a la emisión de electrones por las superficies metálicas cuando se iluminan con luz de frecuencia adecuada.

• Metales alcalinos: luz visible
• Demás metales: luz ultravioleta

Hallwachs completó estas observaciones estudiando el comportamiento de una placa de cinc cargada con ultravioleta: si estaba cargada negativamente, perdía carga, pero no ocurría lo mismo con carga positiva o luz visible.

Las observaciones experimentales relativas al efecto fotoeléctrico eran incompatibles con la teoría ondulatoria de la luz.

La energía cinética de los fotoelectrones debía crecer, algo que no ocurría en la realidad.

Einstein explicó el efecto fotoeléctrico aplicando a la luz las ideas de Planck sobre la radiación térmica.

Bohr y los Espectros Atómicos

Al suministrar energía a los átomos de un elemento en estado gaseoso, estos se excitan y emiten radiación electromagnética.

Si se analiza la radiación emitida, se obtiene un espectro discontinuo formado por una serie de rayas que corresponden a longitudes de onda específicas.

Bohr propuso su modelo del átomo de hidrógeno. El electrón del átomo de hidrógeno gira alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares.

De Broglie y la Dualidad Onda-Partícula

Extendió el carácter dual de la luz a los electrones, protones, neutrones, átomos, moléculas y a todas las partículas materiales.

Basándose en consideraciones relativistas y en la teoría cuántica, pensó que si la luz se comportaba como onda y partícula, también la materia podía poseer ese carácter dual.