El rincón de la Ciencia I.S.S.N.: 1579-1149

nº 29 (enero-2005)

El nacimiento de una nueva física (RC-78)
J. A. Montiel Tosso  IES Antonio Galán Acosta (Montoro, Córdoba)

2. ¿Cómo interacciona la luz con la materia?

La radiación térmica es la energía electromagnética emitida por un cuerpo debido a su temperatura. En general, depende también de la composición del cuerpo, excepto en los denominados cuerpos negros, es decir, los sólidos cuya capacidad de absorción es máxima. Una cavidad con un pequeño orificio, cuyas paredes interiores estén pintadas de negro es un buen ejemplo, pues absorbe toda la radiación que incide en el agujero.

Ahora bien, experimentalmente se comprueba que estos cuerpos negros también emiten una determinada radiación, cuya energía por unidad de superficie sólo depende de su temperatura. Además, al estudiar la energía emitida en función de la longitud de onda se comprueba que es muy baja para longitudes de onda pequeñas (zona del ultravioleta), tiene un máximo hacia la región visible y vuelve a disminuir a longitudes de onda mayores (infrarrojo).

Cuando Rayleigh y Jeans intentaron justificar este hecho usando los conceptos de la física clásica, es decir, los principios del electromagnetismo, hallaron que el tipo de variación que era previsible para la energía sólo se ajustaba correctamente a los datos experimentales en los valores más altos de la longitud de onda, siendo totalmente contrarios en la región ultravioleta. Tanto es así que esta discrepancia entre la fórmula de Rayleigh-Jeans y los resultados experimentales se conoce en física con el nombre de "catástrofe ultravioleta" (Cartmell Y Fowles, 1976).

En dicha tesitura surge en 1900 la figura de Max Planck, un físico-matemático que hasta entonces no había aportado nada especial a la comunidad científica pero que se iba a convertir en el creador de una de las dos teorías que revolucionarían la física a principios del siglo XX, transformándola hasta el punto de considerarla como física moderna y estableciendo una nueva visión en el tratamiento de los fenómenos naturales para el mundo subatómico al presentar su hipótesis cuántica. Lógicamente, la otra teoría antes aludida es la relatividad de Einstein, que ha modificado el estudio de la gravitación y de las grandes velocidades y que ha de aplicarse conjuntamente a la de Planck en la interpretación del mundo subatómico.

Volviendo a la teoría cuántica, Planck imagina que los átomos se comportan como osciladores armónicos minúsculos cuando absorben o emiten energía. Un oscilador armónico clásico puede ser un objeto de masa m unido a un resorte elástico realizando un movimiento vibratorio armónico simple. La mecánica clásica demuestra que la energía de este oscilador viene dada por la expresión:

donde k es la constante elástica del oscilador y A es la amplitud de la vibración. Por otro lado, si recordamos que la constante elástica es directamente proporcional al cuadrado de la frecuencia de oscilación concluimos que la energía emitida por un oscilador armónico es proporcional al cuadrado de la amplitud y al cuadrado de la frecuencia de las vibraciones.

Y aquí llega la genial aportación de Planck. Puesto que observó que la función obtenida para la energía no servía en la interpretación de la radiación del cuerpo negro supuso que la energía emitida o absorbida por los osciladores atómicos era proporcional a su frecuencia de oscilación. Matemáticamente, eliminó el cuadrado en el exponente de la frecuencia, convirtiendo a la energía en una función lineal:

        Eo = h f     (h es la constante de Planck, 6,625·10-34 J· s).

Así pues, la energía total E emitida o absorbida por una sustancia será un múltiplo de dicha unidad fundamental Eo:

E = n h f        (n = 1, 2, 3…).

Esto también implica que la energía no puede adoptar cualquier valor, sino que está limitada a los múltiplos de dicha unidad fundamental o cuanto. Decimos que la energía está cuantizada. Este es un concepto opuesto al de la mecánica clásica, donde la energía puede tomar un conjunto continuo de valores. La idea de "discontinuidad" es exclusiva del mundo atómico y es antagónica a la percepción que tenemos de la naturaleza.

Rápidamente, la teoría de Planck, a la que en un principio ni su propio autor le dio demasiada importancia y que la trató más bien como un juego matemático, se vio que justificaba perfectamente los resultados de la radiación del cuerpo negro, no sólo en la zona visible o infrarroja, sino en la del ultravioleta, donde había fracasado estrepitosamente la mecánica newtoniana.

 

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