- Propiedades de la superficie de un cuerpo
Sobre la superficie de un cuerpo incide constantemente energía radiante,
tanto desde el interior como desde el exterior, la que incide desde el exterior
procede de los objetos que rodean al cuerpo. Cuando la energía radiante
incide sobre la superficie una parte se refleja y la otra parte se transmite.
Consideremos la energía radiante que incide desde el exterior sobre la superficie
del cuerpo. Si la superficie es lisa y pulimentada, como la de un espejo, la mayor
parte de la energía incidente se refleja, el resto atraviesa la superficie del cuerpo y
es absorbido por sus átomos o moléculas.
Si r es la proporción de energía radiante que se refleja, y a la proporción que se
absorbe, se debe de cumplir que r+a=1.
La misma proporción r de la energía radiante que incide desde el interior se refleja
hacia dentro, y se transmite la proporción a=1-r que se propaga hacia afuera y se
denomina por tanto, energía radiante emitida por la superficie.
En la figura, se muestra el comportamiento de la superficie de un cuerpo que
refleja una pequeña parte de la energía incidente. Las anchuras de las distintas bandas
corresponden a cantidades relativas de energía radiante incidente, reflejada y transmitida
a través de la superficie.
Comparando ambas figuras, vemos que un buen absorbedor de radiación es un buen emisor, y
un mal absorbedor es un mal emisor. También podemos decir, que un buen reflector es un mal
emisor, y un mal reflector es un buen emisor.
Una aplicación práctica está en los termos utilizados para mantener la temperatura de los
líquidos como el café. Un termo tiene dobles paredes de vidrio, habiéndose vaciado de aire el
espacio entre dichas paredes para evitar las pérdidas por conducción y convección. Para reducir
las pérdidas por radiación, se cubren las paredes con una lámina de plata que es altamente
reflectante y por tanto, mal emisor y mal absorbedor de radiación.
- El cuerpo negro
No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1% de la energía incidente.
En la física teórica un cuerpo negro es un objeto ideal que tiene la propiedad de absorber completamente las radiaciones que inciden sobre él, sin reflejar nada de ellas. Cuando un cuerpo negro se calienta emite energía radiante, cuya cantidad y calidad dependen de la temperatura que alcance. Si las temperaturas no son muy elevadas, la radiación es invisible y constituye los rayos infrarrojos. Si aumenta la temperatura, el cuerpo llega a alcanzar la incandescencia, y entonces las radiaciones resultan visibles, y puede obtenerse su espectro por medio de un prisma que mostrará todas las frecuencias y longitudes posibles. La radiación de un cuerpo negro posee propiedades de carácter universal, pues son independientes de las particulares de cada una de las sustancias que lo constituyen.
Un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximación por una cavidad con una pequeña abertura.
La energía radiante incidente a través de la abertura, es absorbida por las paredes en múltiples
reflexiones y solamente una mínima proporción escapa (se refleja) a través de la abertura.
Podemos por tanto decir, que toda la energía incidente es absorbida.
La radiación del cuerpo negro
Consideremos una cavidad cuyas paredes están a una cierta temperatura. Los átomos que componen
las paredes están emitiendo radiación electromagnética y al mismo tiempo absorben la radiación
emitida por otros átomos de las paredes.
Cuando la radiación encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los átomos de las
paredes, la cantidad de energía que emiten los átomos en la unidad de tiempo es igual a la que
absorben.
En consecuencia, la densidad de energía del campo electromagnético existente en la cavidad es
constante.
A cada frecuencia corresponde una densidad de energía que depende solamente de la temperatura
de las paredes y es independiente del material del que están hechas.
Si se abre un pequeño agujero en el recipiente, parte de la radiación se escapa y se puede
analizar. El agujero se ve muy brillante cuando el cuerpo está a alta temperatura, y se ve
completamente negro a bajas temperaturas.
A raíz del fracaso de los intentos de calcular la radiación de un cuerpo negro ideal según la física clásica (como el intento de la ley de Rayleigh-Jeans que sólo era correcto al largas longitudes de onda), se desarrollaron por primera vez los conceptos básicos de la teoría cuántica.
El cuerpo negro y Planck
Históricamente, el nacimiento de la Mecánica Cuántica, se sitúa en el momento en el que
Max Planck explica el mecanismo que hace que los átomos radiantes produzcan la distribución de
energía observada.
Max Planck sugirió en 1900 que:
donde h se denomina constante de Plank
f es la frecuencia de vibración de las moléculas n es un entero positivo denominado número cuántico
En+1 - En = (n+1)hf - nhf = hf
La segunda hipótesis de Planck, establece que la energía de los osciladores está cuantizada. La energía de un oscilador de frecuencia f sólo puede tener ciertos valores que son 0, hf , 2hf ,3hf ....nhf .
La distribución espectral de radiación es continua y tiene un máximo dependiente de la temperatura. La distribución espectral se puede expresar en términos de la longitud de onda o de la frecuencia de la radiación. Plank consiguió una fórmula que se ajusta muy bien a los resultados experimentales como los de la figura:
Puedes comprobarlo en el siguiente apple: