La energía viene en paquetes pequeños

Hace unos días hablábamos de los fenómenos estudiados por la Física Cuántica y de sus dos grandes premisas: la cuantización de la energía y la dualidad onda corpúsculo. Decíamos que existen fenómenos de tiempo, materia y energía que vulneran los principios de la Física Clásica, y que exigían fórmulas distintas para ser comprendidos. Hoy vamos a explicar qué significa la cuantización de la energía mediante el fenómeno que llevó a su deducción: la radiación del cuerpo negro. Haz clic para leer más.

Todos los cuerpos que vemos poseen color. Esto es así porque al recibir luz, la materia de la que están hechos refleja un espectro de onda y absorbe los demás, dando la apariencia de color. Por ejemplo, el Ferrari del vecino es de color rojo porque absorbe todas las longitudes de onda menos la roja, que la refleja y llega a mis receptores ópticos. Sin embargo, los cuerpos no sólo reflejan o absorben ondas, también emiten radiación debido a la energía que emiten sus partículas en vibración. Esta emisión depende de su temperatura o energía: por ejemplo, un filamento de bombilla o un hierro al rojo vivo poseen tanto calor que emiten radiación en forma luz visible. Un caso especial de emisión de ondas es el llamado cuerpo negro.

El cuerpo negro es un objeto ideal, imaginario que no refleja luz de otros cuerpos, la absorbe toda. Sin embargo, está hecho de materia en vibración y por tanto emite energía. Los físicos clásicos se rompieron la cabeza intentando explicar cuánta energía emitiría un cuerpo negro dependiendo de su temperatura. Dos físicos llamados Lord Rayleigh y Sir James Jeans diseñaron una fórmula para medir ésta radiación emitida según el principio de equipartición (un principio clásico de relación energía-temperatura). Sus investigaciones les llevaron a esto:

Y a una gráfica que quedaba así:

Y eso no molaba, porque venía a decir que para longitudes de onda (L) muy pequeñas, en la zona ultravioleta, la suma de las radiaciones que debía emitir un cuerpo negro se hacía infinita en un punto próximo a ?=0. Y no nos gusta el infinito, porque no tiene sentido. A esto se le llamó Catástrofe Ultravioleta. Sin embargo, y al mismo tiempo, un físico alemán, que no estaba de acuerdo con el principio de equipartición que regía la fórmula de Kayleigh-Jeans, se planteaba las cosas de otra forma diferente: si ninguna gráfica clásica era capaz de predecir resultados realistas sobre las radiaciones del cuerpo negro, había que repensar los postulados básicos.

Hizo una pequeña suposición y rehizo todos los cálculos a partir de ella. El resultado funcionó. Dio con una fórmula que predecía resultados reales y finitos para todas las radiaciones y temperaturas del cuerpo negro. El físico en cuestión se llamaba Max Planck, y la ecuación venía a ser ésta:

Lo realmente importante no fue la fórmula, sino lo que le llevó a realizar todos los cálculos. Planck imaginó que tal vez, y sólo tal vez, la energía de cualquier cuerpo tomaba siempre un valor discreto. Es decir, para cualquier medición de energía de radiación, el valor era siempre múltiplo de un número, que llamó h (6.63 x10-27 ). Y efectivamente, así era. Y sigue siéndolo. Las vibraciones, las variaciones de energía, el valor energético de un sistema… todo, depende de ese número, que llamamos la constante de Planck. La energía está pues, cuantizada.

En próximos artículos contaremos más sobre la que lió Planck al descubrir esto. Sabemos que este artículo tiene bastante nivel, así que si os quedan dudas, no os cortéis y preguntadnos en Formspring.

5 opiniones en “La energía viene en paquetes pequeños”

  1. Hola, el artículo esta muy bien. Sólo dos detalles. Uno es que la gráfica no es la que corresponde a la fórmula de Raleigh-Jeans sino a la medida y predicha según el modelo cuántico (ya que la energía baja a longitudes de onda pequeñas). La otra es que estaría bien unir a este artículo el otro gran descubrimiento que casi simultáneamente apoyó la teoría cuántica, que es la explicación del efecto fotoeléctrico por parte de Einstein. Saludos

  2. Hola, una buena entrada, sin embargo permitidme hacer un par de consideraciones.

    La primera es que en la construcción de la solución al cuerpo negro no se había postulado ni la cuantización de la energía ni la dualidad onda-corpúsculo. Este fue el primer sistema donde se puso de manifiesto eso de la cuantización de la energía.

    Además, no es correcto que la cuántica diga que la energía está cuantizada. Lo que dice es que en algunas ocasiones lo está y en otras no. Por ejemplo una partícula libre tiene una energía continua.

    Y segundo, Planck no supuso de entrada que la energía estaba cuantizada en el cuerpo negro. Más bien lo que hizo fue extrapolar una fórmula que luego tuvo que interpretar a posteriori como que la energía de la radiación se daba en múltiplos de la frecuencia, multiplicada por una constante que a día de hoy lleva su nombre.

    Un saludo.

    1. Bueno, no es que mis articulitos sen un tratado. Prefiero saltarme a la torera precisiones de ese estilo con fines didácticos, sobre todo teniendo en cuenta que quien lo lee es gente que no ha leído nunca sobre cuántica. Ésto es divulgación. Tampoco distinguimos la interpretación de copenhague con otras ideas sobre la naturaleza de la materia, ni siquiera sabría cómo explicárselo a alguien que no es entendido. Me pasaría lo mismo con muchas cosas más. Por ejemplo, explícale a quien tiene matemáticas físicas de bachillerato cómo llegó plank a esa extrapolación. Muchas gracias por tu apreciación. Espero más como ésta. Si las licencias que me doy son excesivas, espero toda clase de opinión al respecto. Aclararé algo, cuando digo que en cuántica la energía viene en paquetes pequeños, quiero decir exactamente eso. Es la novedad. Quien no parte de saber cuántica, siempre parte de la idea de energía continua. ¿Me explico?

      Gracias de nuevo

  3. Pingback: Luces y metales

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