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

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Presentation Transcript

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


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


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


La ley de Kirchhoff de la radiación térmica

En equilibrio termodinámico, la emisividad de un cuerpo o superficie es igual a su absorbencia


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”


El cuerpo negro

El emisor y absorbedor perfecto


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.


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


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


El cuerpo negro

La ley de Wien


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


El cuerpo negro

La ley de desplazamiento de Wien


El cuerpo negro

La ley de desplazamiento de Wien


Ecuación de un electrón

en un potencial armónico


Ecuación de un electrón

en un potencial armónico


Ecuación de un electrón

en un potencial armónico
















La catástrofe ultravioleta

Densidad espectral de energía



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






La ley de radiación de Planck

Densidad espectral de energía



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.


La perspectiva de Einstein

(1905)

  • Mecánica estadística (1902)

  • Estudio estadístico de la radiación electromagnética tenue

  • Similitud con un gas de partículas


La perspectiva de Einstein

(1905)

¡La radiación misma está cuantizada!La luz son pelotas

¿Habrá otro fenómeno dónde esto se manifieste?

¡El efecto fotoeléctrico!



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


El efecto fotoeléctrico

La teoría ondulatoria de la luz (ondas electromagnéticas) es incapaz de explicar el efecto fotoeléctrico.

¡La física clásica falla de nuevo!


La perspectiva de Einstein

(1905)

La teoría cuántica de la luz explica perfectamente el efecto fotoeléctrico


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


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


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