Física

Modelo cuántico para radiación electromagnética.


La teoría electromagnética de Maxwell es muy útil para explicar los fenómenos relacionados con la propagación de la radiación electromagnética. Sin embargo, no explica algunos fenómenos que ocurren en la interacción de estas radiaciones con la materia, ni algunos hechos relacionados con la emisión.

Un ejemplo de esto es el espectro de emisión del cuerpo, que fue estudiado por muchos científicos durante medio siglo, ya que las ideas de la época eran inconsistentes entre las predicciones teóricas y los resultados experimentales.

Subtítulo:
- A: curva obtenida de resultados experimentales;
- B: curva predicha por la teoría clásica.

El hecho de que el comportamiento del gráfico de intensidad de radiación del cuerpo negro en función de la longitud de onda predicha de Maxwell es muy diferente del obtenido a partir de datos experimentales se conoció en el siglo XIX como Catástrofe violeta.

En 1900, Max Planck propuso una nueva teoría, que entraba en conflicto con la teoría clásica hasta ahora aceptada para resolver el problema. Planck supuso que en la superficie de un cuerpo negro había osciladores armónicos simples (OHS, representados por cargas eléctricas oscilantes) capaces de asumir ciertos valores de energía. Matemáticamente:

Donde:

n = número cuántico;
h = constante de Planck (h = 6.63x10-34 J.s);
f = frecuencia del oscilador.

Cada valor de n representará uno estado cuántico diferente de este oscilador y siempre será un múltiplo de hf, lo que significa que la energía del oscilador es cuantificado, es decir, solo puede asumir ciertos valores.

Según la física clásica, un OHS puede tener cualquier valor de energía y no depende de la frecuencia sino de la amplitud de las oscilaciones. Esto hace que la actitud de Planck de proponer una nueva teoría contraria a estos principios sea bastante valiente. Además, propuso que los OHS en la superficie del cuerpo emitan o absorban energía solo cuando se mueven de un estado cuántico a otro.

Por lo tanto, si el oscilador pasa de un nivel de energía más alto a un nivel más bajo, por ejemplo de n = 2 a n = 1, emite una cantidad discreta de energía, que corresponde matemáticamente a la diferencia entre las energías de los dos niveles. . Si pasa de un nivel de energía más bajo a un nivel de energía más alto, como de n = 1 a n = 2, absorbe una cantidad discreta de energía, similar al caso anterior. Esto significa que la emisión y absorción de energía también se produce en cantidades cuantificadas.

Cada porción discreta de energía fue llamada cuántica, que proviene del latín, cuyo plural es cuanto. Debido a esto, la teoría de Planck ganó popularidad con el nombre de teoría cuántica.

Utilizando las formulaciones hechas por Max Planck para la cuantificación de la energía, fue posible obtener un nuevo gráfico de la intensidad de radiación emitida por el cuerpo en función de la longitud de onda de acuerdo con los resultados experimentales.

Sin embargo, una nueva pregunta preocupaba a los físicos de la época: si la energía se emite solo en cantidades bien determinadas, lo que implica ciertas longitudes de onda y frecuencias bien establecidas, ¿cómo puede ser continuo el espectro de radiación térmica? La respuesta es esta: debido a que hay tantos osciladores con diferentes energías, la probabilidad de irradiar cualquier frecuencia también es muy alta.

Es de destacar que Planck nunca afirmó que la radiación electromagnética se propagara en cantidades discretas de energía. Desde este punto de vista, creía que la teoría de Maxwell era coherente. Por lo tanto, para Planck, se cuantificaron los osciladores, no la radiación electromagnética.

Es importante para nosotros saber que la idea cuántica, más tarde llamada fotón, fue muy útil para aclarar varios otros fenómenos que la física clásica no podía explicar adecuadamente.