La Gran Máquina de Dios Parte VI (La Radiación del Cuerpo Negro)
Negro, que pasa?
El origen de la teoría cuántica proviene del lugar más inesperado posible. Se conecta con un fenómeno bien conocido, que no pertenece a la parte central de la física atómica: cuando cualquier fragmento de materia se calienta, ésta comienza a brillar, poniéndose roja y luego blanca a más altas temperaturas.
Quién podría imaginar, que un fenómeno tan corriente podría minar los cimientos de toda la estructura de la física clásica?
Todos los cuerpos brillantes, desde una brasa en el fuego al hierro fundido en una acería pasando por el filamento de una bombilla incandescente, tienen un comportamiento muy semejante. Casi independientemente del material que esté hecho el cuerpo, el color que toma depende sólo de su temperatura (en un cuerpo Negro, el color depende sólo de su temperatura y no del material que esté hecho*). Esto significa que si todos esos cuerpos tuvieran la misma temperatura brillarían con el mismo color. Es un hecho sorprendente y fue objeto de la investigación científica tratando de encontrar una explicación simple en términos de las leyes conocidas de radiación y calor.
A fines del siglo XIX Lord Rayleigh y Sir James Jeans llegaron a una ley utilizando argumentos clásicos que condujo hacia un serio conflicto entre la teoría y los resultados experimentales:
Este comportamiento tan grotescamente irreal que da como resultado la teoría clásica a altas frecuencias se conoce en física como la “Catastrofe Ultravioleta”, siendo este término sugestivo de la importancia de la falla de la teoría.
Este problema atrajo la atención de un buen número de físicos durante la última década del siglo XIX. Uno de ellos fue Max Planck, un científico alemán de la vieja escuela.
Durante el verano de 1900, el físico alemán Heinrich Rubens había realizado en Berlín nuevas mediciones muy precisas del espectro de la radiación del calor. Cuando Planck escuchó de estos resultados, intentó representarlos por fórmulas matemáticas sencillas y encontró que la forma completa de la curva podía describirse con una fórmula matemática simple.
Un día Planck y Rubens se encontraron para tomar un te en la casa de Planck y compararon los últimos resultados de Rubens con la nueva fórmula sugerida por Planck y esta fórmula constituyó un gran éxito ya que la ecuación de Planck concordaba perfectamente con las observaciones de la radiación emitida por el cuerpo negro, aunque carecía aún de una explicación física.
Fue el comienzo de un intenso trabajo teórico para Planck. Cual era la correcta interpretación física de la nueva fórmula?
En 1900 antes de que se creara el modelo planetario del átomo, los físicos se lo figuraban como un núcleo que tenía un aspecto parecido a una sandía, es decir, como una esfera relativamente grande donde se encontraban esparcidas todas las cargas positivas y en cuyo interior, como si de semillas se tratase, aparecen empotrados los pequeños electrones cada uno con su carga negativa particular.
Si se le daba una sacudida al átomo eso hacía que sus electrones oscilaran. Se pensaba que esos electrones oscilantes emitían energía radiante y ésa era la causa de que los objetos calientes brillaran. Los físicos pensaban que al calentar los átomos de un metal se les hacía entrar en estado de agitación y eso, a su vez, hacía oscilar a sus electrones y emitir luz en el proceso.
Para poder explicar su fórmula, Planck tuvo que postular lo siguiente:
1) Los átomos radiantes se comportan como osciladores que oscilan c/u a su frecuencia ? de oscilación mecánica.
2) Cada oscilador puede absorber o emitir energía electromagnética sólo en cantidades discretas o paquetes de energía proporcionales a su frecuencia o sea:
Paquete de Energía (DE) = Constante (h) X Frecuencia (? )
(A la constante h se la denominó constante de Plank y su valor es 6.6256 x 10-34 J.seg).
Esto significaba que la energía no se intercambiaba en forma continua sino en paquetes finitos que llamo “Cuantos” siendo el cuanto de energía DE la menor cantidad de energía que se puede intercambiar entro dos cuerpos.
Este resultado era tan diferente a todo lo conocido en física clásica, que Planck se rehusaba a creerlo al principio. Pero en el período de más intenso trabajo en el verano de 1900 él finalmente se convenció a si mismo que no había forma de escapar de su conclusión. El hijo de Planck dijo que su padre habló con él sobre sus ideas en un largo paseo a través del Grunewald, el bosque en los suburbios de Berlín. En este paseo él le explicó que sentía que posiblemente había hecho un descubrimiento de primera línea comparable quizá sólo con los descubrimientos de Newton. Por lo que Planck se debe haber dado cuenta en ese momento que su fórmula había tocado los fundamentos de nuestra descripción de la naturaleza y esos fundamentos comenzarían a mover de su presente posición tradicional a una nueva y aún desconocida posición de estabilidad.
La idea de que la energía solo puede ser emitida y absorbida en cuantos discretos de energía era tan nueva que no podía enmarcarse en el marco tradicional de la física.
La fórmula de Planck fue hecha pública en una reunión de la Sociedad de Física de Berlin en Octubre de 1900. Él mismo estaba molesto con las implicaciones de su tesis y confiaba en que sus colegas estarían en condiciones de hacer lo que él no había logrado: explicar su contenido en términos de la física de Newton. Pero en el fondo de su corazón sabía que eso no era posible, que ni ellos ni nadie podría hacerlo. También presentía, y con toda razón, que su comunicado iba a conmover los auténticos cimientos de la ciencia.
Los intentos de Planck de conciliar su nueva hipótesis con las leyes antiguas de la radiación fallaron en puntos esenciales. Tomó 5 años hasta que pudo darse el próximo paso en la nueva dirección.
Esta vez fue el joven Albert Einstein, un genio revolucionario entre los físicos, el que no tuvo miedo de ir más allá de los viejos conceptos. Habían dos problemas en los cuales él pudo hacer uso de las nuevas ideas: uno fue en el llamado efecto fotoeléctrico, el efecto de la emisión de electrones de los metales bajo el efecto de la luz. Y este es justamente el tema que vamos a tratar en el próximo post.
Continuará……..
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* En el caso ideal imaginario de un perfecto absorbente o emisor de radiación, el color que toma el cuerpo no depende del material sino sólo de su temperatura. A este cuerpo ideal se lo denomina “cuerpo negro” ya que absorbe toda la radiación que le llega. Sin embargo esta denominación no es del todo adecuada porque un “cuerpo negro” puede muy bien presentarse al rojo o al blanco al calentarlo y constituye un modelo ideal físico para el estudio de la emisión de radiación)
