Cuantización de la energía

A principios del siglo XX, las teorías físicas clásicas habían sido probadas muchas veces y parecían describir la realidad aceptablemente. Hasta que, cuando estas teorías empezaron a derrumbarse, salió a la luz lo equivocados que estaban los científicos en ese entonces. El primer fenómeno que la física clásica explicó de manera errónea fue la radiación del cuerpo negro.

"No hay nada nuevo por ser descubierto en la física ahora. Todo lo que queda son mediciones cada vez más precisas."

Esta frase es habitualmente atribuida a un famoso físico Escocés llamado William Thomson (más conocido como Lord Kelvin). Probablemente nunca pronunció estas palabras, pero reflejan sin ninguna duda la visión de la mayoría de los físicos al comienzo del siglo XX. Sin embargo, cuando la radiación del cuerpo negro entro en escena, todo empezó a cambiar drásticamente.

Para comprender este fenómeno, es necesario saber que todos los cuerpos tangibles del universo emiten energía en forma de radiación electromagnética (luz). La cantidad de energía emitida por un cuerpo depende de varios factores, tales como la temperatura o el color del cuerpo. A mayor temperatura del cuerpo, mayor la frecuencia media (y por tanto, energía) de la luz que emite. La razón por la que usualmente no podemos apreciar esta radiación es que los cuerpos a temperatura ambiente emiten principalmente luz en el espectro infrarrojo, invisible para el ojo humano. La luz visible es emitida por metales al derretirse, cuando su temperatura alcanza varios cientos de grados centígrados, siendo posible verlos brillar.

Los físicos del siglo XIX trataron de averiguar la composición emitida por un cuerpo en relación a su temperatura. Para conseguirlo usaron un modelo simplificado de un cuerpo: Un cuerpo negro. Un cuerpo negro es un cuerpo hipotético que debe reunir las siguientes condiciones:

1. Un cuerpo negro absorbe toda la radiación electromagnética que recibe (otros cuerpos absorben únicamente una parte de todo el espectro y reflejan la luz restante).
2. Un cuerpo negro permanece en equilibrio térmico con sus alrededores (Tiene la misma temperatura que todos los cuerpos localizados en el mismo sistema).

Estas condiciones aseguran que el espectro emitido por el cuerpo negro está determinado únicamente por la temperatura del cuerpo. Sin embargo, cuando los físico trataron de establecer la composición de tal espectro usando la física clásica, obtuvieron un resultado que no coincidía con la realidad. De acuerdo con la física clásica, un cuerpo negro emitiría la misma cantidad de luz de cada frecuencia. Sin embargo, cuanto mayor sea la frecuencia de la luz, más energía tiene la luz. Un cuerpo negro, entonces, debería emitir grandes cantidades de energía en forma de radiación de gran frecuencia, de hecho, infinita.

Esto tiene terribles consecuencias, de hecho. La física clásica expone que cada uno de los objetos del universo debe emitir toda su energía en forma de luz en el espectro ultravioleta. Por suerte, el universo no funciona de esa forma, si no, no existiríamos.

Comprender esto significó un gran paso para la evolución de la ciencia moderna. Los físicos por fin estaban forzados a admitir que las teorías clásicas eran erróneas, Hoy, tenemos un nombre apropiado para este enorme fracaso de la física clásica: La catástrofe ultravioleta.

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La radiación de cuerpo negro fue resulta por un físico alemán llamado Max Planck. Él llegó con la idea de que los cuerpos no emiten radiación electromagnética continuamente, sino mediante pequeños paquetes llamados "cuantos". El tamaño de estos cuantos es dado por la ecuación de Planck:

E= h•f

h≈6,626∙10^-34 Js

La onda electromagnética puede ser esencialmente imaginada como un conjunto de muy pequeños "paquetes" de energía (cuantos) de los cuales su energía total determina la de la onda misma. El tamaño de un cuanto es especifico de cada frecuencia. De la formula anterior podemos concluir que la radiación de mayor frecuencia está compuesta de cuantos más grandes que la radiación de menor frecuencia. Esto solucionó el problema de la radiación de cuerpo negro, ya que es cada vez más difícil que un cuerpo negro emita radiación de mayores frecuencias, ya que no puede "alimentar" los cuantos de grandes frecuencias con suficiente energía y por tanto, se mantiene en luz de baja energía.

La cuantización de la energía es sólo el principio de un completamente nuevo mundo de la física. Presenta una regla fundamental para la mecánica cuántica, pero la veremos próximamente.