Cómo cuántica físicos describen un cuerpo negro

Una de las principales ideas de la física cuántica es cuantización

- la medición de cantidades en unidades discretas, no continua,. La idea de energías cuantificados surgió con uno de los primeros retos a la física clásica: el problema de la radiación del cuerpo negro. Si bien la fórmula de Wien y Rayleigh-Jeans Ley no podían explicar el espectro de un cuerpo negro, la ecuación de Max Planck resolvió el problema suponiendo que la luz era discreta.

Cuando se calienta un objeto, comienza a brillar. Incluso antes de que la luz es visible, se irradia en el espectro infrarrojo. La razón por la que brilla es que a medida que se calienta ésta, los electrones en la superficie del material se agitan térmicamente, y los electrones se aceleran y desaceleran irradiar luz.

Física en finales de los 19 y principios de siglo 20 se refieren al espectro de luz que es emitida por los cuerpos negros. Un cuerpo negro es una pieza de material que irradia correspondiente a su temperatura - pero los objetos más ordinarios que piensan como negro, como el carbón, también absorben y reflejan la luz de su entorno. Para hacer las cosas más fáciles, la física postula un cuerpo negro que nada refleja y absorbe toda la luz que cae sobre él (de ahí el término cuerpo negro, porque el objeto parecería perfectamente negro, ya que absorbe toda la luz que cae sobre él). Cuando se calienta un cuerpo negro, sería emitir, emitir luz.

Bueno, era difícil llegar a un cuerpo negro física - después de todo, qué material absorbe la luz 100 por ciento y no refleja nada? Pero los físicos eran inteligentes sobre esto, y se les ocurrió la cavidad hueca que se ve en la figura anterior, con un agujero en él.

Cuando brilló la luz en el agujero, toda esa luz iría por dentro, donde se refleja una y otra vez - hasta que quedó absorbido (una cantidad insignificante de la luz podría escapar por el agujero). Y cuando se calienta la cavidad hueca, el agujero comenzaría a brillar. Así que ahí lo tienes - una muy buena aproximación de un cuerpo negro.

Usted puede ver el espectro de un cuerpo negro (y los intentos de modelar ese espectro) en la figura anterior, por dos temperaturas diferentes, T₁ Y t₂. El problema era que nadie fue capaz de llegar a una explicación teórica para el espectro de la luz generada por el cuerpo negro. Todo física clásica podría llegar a que salió mal.

Primer intento: Fórmula de Wien

La primera de ellas para tratar de explicar el espectro de un cuerpo negro era Wilhelm Wien, en 1889. El uso de la termodinámica clásica, él subió con esta fórmula:

En cuanto a la longitud de onda, que es

Ellos están relacionados por

Donde tenemos

son constantes que se pueden medir en los experimentos. (El espectro viene dada por

que es la densidad de energía de la luz emitida como una función de la frecuencia y de la temperatura).

Esta ecuación, la fórmula de Wien, trabajó muy bien para las altas frecuencias, como se puede ver en la segunda figura- sin embargo, no para las frecuencias bajas.

Segundo intento: Ley de Rayleigh-Jeans

El siguiente paso en el intento de explicar el espectro del cuerpo negro fue la Ley de Rayleigh-Jeans, introducido en 1900. Esta ley prevé que el espectro de un cuerpo negro era

La fórmula debe ser

En cuanto a la longitud de onda, la fórmula es

dónde k es la constante de Boltzmann

Sin embargo, el-Jeans Rayleigh Ley tenía el problema opuesto de la fórmula de Wien: A pesar de que ha funcionado bien en las frecuencias bajas (véase el segundo gráfico), no coincide con los datos de mayor frecuencia en todos - de hecho, divergido en frecuencias más altas . Esto fue llamado el catástrofe ultravioleta debido a que las mejores predicciones disponibles divergieron a altas frecuencias (correspondiente a la luz ultravioleta). Era el momento de la física cuántica para tomar el relevo.

Un (quantum) salto intuitivo: el espectro del Max Planck

El problema del cuerpo negro era una pregunta difícil de resolver, y con él llegó el comienzo de la física cuántica. Max Planck se le ocurrió una sugerencia radical - ¿y si la cantidad de energía que una onda de luz se puede intercambiar con la materia no era continua, como postulado por la física clásica, pero discreto? En otras palabras, Planck postuló que la energía de la luz emitida por las paredes de la cavidad del cuerpo negro se produjo sólo en múltiplos enteros de este tipo, donde h es una constante universal:

Con esta teoría, loco como sonaba en el año 1900, Planck convierte las integrales continuos utilizados por Raleigh-Jeans a discretas sumas más de un número infinito de términos. Hacer que simple cambio dio Planck la siguiente ecuación para el espectro de la radiación del cuerpo negro:

La fórmula debe ser

Esta ecuación lo hizo bien - que describe exactamente el espectro del cuerpo negro, tanto en baja y alta (y medio, para el caso) frecuencias.

Esta idea era bastante nuevo. Lo que Planck estaba diciendo era que la energía de los osciladores de radiación en el cuerpo negro no podía tomar en cualquier nivel de energía, como la física clásica allows- podría asumir, energías cuantificadas única específicos. De hecho, Planck hipótesis de que eso era cierto para cualquier oscilador - que su energía era un múltiplo entero de

Y así, la ecuación de Planck llegó a ser conocido como Regla de cuantización de Planck, y h se convirtió en la constante de Planck:

Decir que la energía de todos los osciladores fue cuantificada fue el nacimiento de la física cuántica.