La radiación del cuerpo negro

1. La radiación del cuerpo negro 9-9-2005

2. La física a finales del siglo XIX • Mecánica (y todas sus derivaciones) • Continuidad. Invención y aplicación del cálculo diferencial e integral y del análisis matemático • Concepto de partícula • Electromagnetismo (Teoría de Maxwell) • La luz es una onda electromagnética • Óptica • Termodinámica

3. La física a finales del siglo XIX William Thomson Kelvin (Lord Kelvin):Dos pequeñas nubes en el horizonte • El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley • La catástrofe ultravioleta de la ley de Rayleigh-Jeans . El problema del cuerpo negro • Otros (“desconocidos”) • El problema del calor específico de los sólidos • Los espectros de las sustancias • El efecto fotoeléctrico

4. Radiación térmica o calor de radiación La radiación térmica o calor de radiación es radiación electromagnética de un objeto causada por su temperatura. Es la radiación emitida por un objeto en virtud de su temperatura

5. La ley de Kirchhoff de la radiación térmica En equilibrio termodinámico, la emisividad de un cuerpo o superficie es igual a su absorbencia

6. El cuerpo negro • Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la radiación electromagnética que incide sobre él. • Ninguna radiación pasa a través de él y ninguna radiación es reflejada. • Un cuerpo negro es un absorbedor y un emisor perfecto • El término de “cuerpo negro” fue inventado por Gustav Kirchhoff en 1862 • La luz emitida por un cuerpo negro se llama “Radiación del cuerpo negro”

7. El cuerpo negro El emisor y absorbedor perfecto

8. El cuerpo negro Propiedades termodinámicas • Kirchhoff mostró, con puros argumentos termodinámicos (con la segunda ley), que la radiación dentro de una cavidad: • Es isotrópica, es decir, el flujo de radiación es independiente de la dirección. • Es homogénea, es decir, es la misma en todos los puntos. • Es la misma en todas las cavidades que tienen la misma temperatura, es decir, es independiente del recipiente.

9. El cuerpo negro La ley de Stefan y Boltzmann La energía total radiada por unidad de área y por unidad de tiempo por un cuerpo negro es directamente proporcional a la cuarta potencia de la temperatura termodinámica Rybicki, página 15

10. El cuerpo negro La densidad espectral de energía Es la energía por unidad de volumen por frecuencia Las propiedades termodinámicas del cuerpo negro implican que

11. El cuerpo negro La ley de Wien

12. El cuerpo negro La ley de desplazamiento de Wien La relación entre la temperatura termodinámica de un cuerpo negro y la longitud de onda a la cual se presenta el máximo de radiación es

13. El cuerpo negro La ley de desplazamiento de Wien

14. El cuerpo negro La ley de desplazamiento de Wien

15. Ecuación de un electrón en un potencial armónico

16. Ecuación de un electrón en un potencial armónico

17. Ecuación de un electrón en un potencial armónico

18. La energía media del oscilador

19. La energía media del oscilador

20. La energía media del oscilador

21. La energía media del oscilador

22. La energía media del oscilador

23. La energía media del oscilador

24. La energía media del oscilador

25. La energía media del oscilador

26. La ley de conservación local de la energía El teorema de Poynting

27. La ley de conservación local de la energía El teorema de Poynting

28. La energía media del oscilador

29. La estadística de Boltzmann

30. La estadística de Boltzmann

31. La distribución de Rayleigh y Jeans

32. La catástrofe ultravioleta Densidad espectral de energía

33. La radiación del cuerpo negro

34. La hipótesis cuántica. Planck 1900 El intercambio de energía entre la radiación y las paredes del recipiente se efectúa de manera cuantizada, es decir, la energía no se intercambia de manera continua sino en paquetes, llamados cuantos

35. La energía media del oscilador cuántico

36. La energía media del oscilador cuántico

37. La ley de radiación de Planck. 1900

38. La ley de radiación de Planck. 1900

39. La ley de radiación de Planck Densidad espectral de energía

40. La ley de radiación de Planck

41. La perspectiva de Einstein (1905) Un punto de vista heurístico respecto a la creación y transformación de la luz18 de marzo de 1905Ann Phys. 17 (1905) 132.

42. La perspectiva de Einstein (1905) • Mecánica estadística (1902) • Estudio estadístico de la radiación electromagnética tenue • Similitud con un gas de partículas

43. La perspectiva de Einstein (1905) ¡La radiación misma está cuantizada!La luz son pelotas ¿Habrá otro fenómeno dónde esto se manifieste? ¡El efecto fotoeléctrico!

44. El efecto fotoeléctrico Hertz 1887

45. El efecto fotoeléctrico 1. Los electrones son emitidos inmediatamente 2. El aumento de la intensidad de la luz aumenta el número de electrones emitidos, pero no su energía cinética máxima 3. La luz de baja frecuencia (roja), sin importar su intensidad, no causa eyección de electrones 4. La luz de alta frecuencia (ultravioleta), débil eyecta unos cuantos electrones, pero su energía cinética máxima es mayor que los obtenidos usando luz muy intensa de longitudes de onda mayores

46. El efecto fotoeléctrico La teoría ondulatoria de la luz (ondas electromagnéticas) es incapaz de explicar el efecto fotoeléctrico. ¡La física clásica falla de nuevo!

47. La perspectiva de Einstein (1905) La teoría cuántica de la luz explica perfectamente el efecto fotoeléctrico

48. El efecto fotoeléctrico 1. Los electrones son emitidos inmediatamente 2. El aumento de la intensidad de la luz aumenta el número de electrones emitidos, pero no su energía cinética máxima 3. La luz roja, sin importar su intensidad, no causa eyección de electrones 4. La luz ultravioleta débil eyecta unos cuantos electrones, pero su energía cinética máxima es mayor que los obtenidos usando luz muy intensa de longitudes de onda mayores

49. La perspectiva de Einstein (1905) La teoría cuántica de la luz explica perfectamente el efecto foto eléctrico Millikan (detractor de la idea) lo prueba contundentemente entre 1914 y 1916