lunes, 12 de diciembre de 2016

¿Qué es un cuerpo negro?

Cuerpo negro ideal.
Sabemos que todo cuerpo absorbe y emite radiación en todas las frecuencias en cantidades que dependen de su temperatura. Por ejemplo, el lector de este artículo, puede estar recibiendo radiación procedente del Sol y emitir calor por ello. Dicho calor, puede detectarse con una cámara de infrarrojos.

Pero, ¿qué ocurre si queremos estudiar la radiación emitida por un cuerpo? Lo primero que tenemos que hacer es aislarla. Para ello, ideamos un objeto teórico que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él, y nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través de él. A este cuerpo teórico se le denomina cuerpo negro, nombre que fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862.

Como el cuerpo negro está cerrado, el sistema alcanza el equilibrio térmico en su interior. A la radiación que hay en su interior se la conoce como radiación de cuerpo negro. La radiación que entra en el cuerpo negro no escapa de él, pero comienza a reflejarse en las paredes. En este proceso, las paredes se calientan, lo que provocará la emisión de nuevas ondas electromagnéticas, que a su vez, rebotarán de nuevo en las paredes. De esta forma, en el interior del cuerpo negro tendremos una determinada energía electromagnética.


Ahora, abrimos un pequeño orificio en el cuerpo para analizar la radiación que escapa de él. Este orificio es tan pequeño que no afecta al equilibrio térmico alcanzado en el interior. Además, la energía que irradia del cuerpo negro es característica solamente de este sistema radiante y no depende del tipo de radiación que incide sobre él.

De antemano, sabemos que la radiación es emitida en todas las frecuencias, pero emite más intensamente para una frecuencia determinada que se puede calcular sabiendo la temperatura del cuerpo negro. Así que nuestro objetivo es analizar la radiación que escapa de muy poco en muy poco, lo que nos permitirá ver con qué frecuencias y con qué intensidad se encuentra la radiación dentro del cuerpo negro, para así conocer más sobre su naturaleza.


Una vez realizado el experimento, vamos a analizar los resultados obtenidos.


Para estudiar esta energía electromagnética empleamos una función de densidad espectral en la que la energía interna de la cavidad depende de la frecuencia de las ondas electromagnéticas y la temperatura del cuerpo. Recordamos que la radiación que sale por el pequeño orificio no es la misma que entró, sino que la radiación que vamos a analizar está relacionada con la densidad de energía del interior del cuerpo.

Llamando p(w,T) a la función de densidad espectral;  y considerando que el orificio posee de área la unidad (para simplificar cálculos), se obtiene que:

p(w,T) = 4/cR(w,T)

Es decir; que para cada par de valores de frecuencia y temperatura, la cantidad de energía radiada por el orificio será igual c / 4 veces la densidad de energía en el interior de la cavidad. Se constata así una relación directa entre la densidad de energía interna en la cavidad, y la energía radiada por el orificio.

Se observa además, que la esta relación se cumple para todo cuerpo negro en equilibrio, independientemente de las propiedades del material que lo forme y de su forma. Esto significa que el espectro de radiación emitida por un cuerpo negro en equilibrio térmico posee características universales: un cuerpo negro siempre va a emitir la misma cantidad de radiación para una determinada temperatura y frecuencia. Esto supone que la gráfica de emisión para un cuerpo negro en equilibrio es siempre la misma:



El verdadero problema surgió cuando los científicos trataron de explicar los resultados obtenidos en este experimento mediante la física conocida, lo que llevó a la "Catástrofe ultravioleta", de la que hablaremos en otro artículo.



Bibliografía

https://es.wikipedia.org/wiki/Cuerpo_negro
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm
Física Cuántica. Ediciones Pirámide (1999) Carlos Sánchez del Río (coordinador).
https://cuentos-cuanticos.com/2012/05/04/cuerpo-negro/




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