Cuantización de la energía wikipedia
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La energía está cuantizada en algunos sistemas, lo que significa que el sistema sólo puede tener ciertas energías y no un continuo de energías, a diferencia del caso clásico. Esto sería como tener sólo ciertas velocidades a las que puede viajar un coche porque su energía cinética sólo puede tener ciertos valores. También nos encontramos con que algunas formas de transferencia de energía tienen lugar con trozos discretos de energía. Aunque la mayoría de nosotros estamos familiarizados con la cuantificación de la materia en trozos llamados átomos, moléculas y similares, somos menos conscientes de que la energía también puede cuantificarse. Algunos de los primeros indicios de la necesidad de la mecánica cuántica sobre la física clásica proceden de la cuantificación de la energía.
Gráficos de la radiación del cuerpo negro (de un radiador ideal) a tres temperaturas diferentes del radiador. La intensidad o la tasa de emisión de la radiación aumenta drásticamente con la temperatura, y el pico del espectro se desplaza hacia las partes visible y ultravioleta del espectro. La forma del espectro no puede describirse con la física clásica.
Max Planck, posiblemente el principal físico teórico de su época, aparentemente utilizó datos experimentales para formular su ecuación para la radiación del cuerpo negro, que fue un paso importante en el nacimiento de la mecánica cuántica.
Para este acontecimiento seminal del siglo XX, yo esperaría una explicación detallada de cómo Planck llegó a su conclusión de que la energía DEBE ser cuantificada. Incluso he leído su conferencia del Nobel, pero no me he enterado.
Advertencia para los puristas: esto va a ser muy complicado. El trabajo de Planck era una física esotérica y vanguardista en su momento (hacia 1900) y sigue siendo una física muy técnica de segundo o tercer curso de licenciatura, que requiere conocimientos de mecánica estadística, lo cual se glosa en lo que sigue.
La radiación del cuerpo negro es la radiación dentro de una cavidad con paredes a una temperatura fija. La radiación se presenta en forma de ondas electromagnéticas “estacionarias”. Coexisten muchas frecuencias de ondas estacionarias. Habrá más modos posibles de onda estacionaria con frecuencias entre (digamos) 80 THz y 90 THz que entre (digamos) 10 THz y 20 THz y el número de modos por intervalo de 10 THz aumenta continuamente con la frecuencia. Por tanto, si la energía de la radiación se distribuye uniformemente entre los diferentes modos de la onda estacionaria, cabría esperar que los modos de alta frecuencia (ultravioleta y más allá) acapararan el lote, simplemente porque cada vez hay más modos (¡sin límite!). Esto se denominó posteriormente “la catástrofe del ultravioleta”.
Cuantificación de la energía a nivel atómico
En la última sección vimos que c=(\lambda \nu\), lo que significa que la frecuencia y la longitud de onda de la luz están inversamente relacionadas, es decir \(\nu =\frac{c}{\lambda }\), y por lo tanto duplicar la longitud de onda reduce la frecuencia a la mitad. En esta sección, definiremos el concepto de fotón de luz y veremos cómo la ecuación de Plank relaciona la frecuencia y la longitud de onda con la energía de la luz.
Un fenómeno que parecía contradecir las teorías de la física clásica era la radiación del cuerpo negro, que es la radiación electromagnética emitida por un objeto caliente. La longitud de onda (es decir, el color) de la energía radiante emitida por un cuerpo negro depende únicamente de su temperatura, no de su superficie o composición. Por eso, el quemador de una estufa eléctrica o el filamento de un calefactor espacial brillan con un color rojo o naranja apagado cuando se calientan, mientras que el cable de tungsteno de una bombilla incandescente, mucho más caliente, emite una luz amarillenta.
Figura \ (\PageIndex{1}): Radiación de cuerpo negro. Cuando se calientan, todos los objetos emiten una radiación electromagnética cuya longitud de onda (y color) depende de la temperatura del objeto. Un objeto de temperatura relativamente baja, como una herradura forjada por un herrero, aparece de color rojo, mientras que un objeto de temperatura más alta, como la superficie del sol, aparece de color amarillo o blanco. Imágenes utilizadas con permiso de Wikipedia.
Cuantización de la energía en química
A finales del siglo XIX, muchos físicos pensaban que su disciplina estaba bien encaminada para explicar la mayoría de los fenómenos naturales. Podían calcular los movimientos de los objetos materiales mediante las leyes de la mecánica clásica de Newton y describir las propiedades de la energía radiante mediante las relaciones matemáticas conocidas como ecuaciones de Maxwell, desarrolladas en 1873 por el físico escocés James Clerk Maxwell. El universo parecía un lugar simple y ordenado, que contenía materia, que consistía en partículas que tenían masa y cuya ubicación y movimiento podían describirse con precisión, y radiación electromagnética, que se consideraba que no tenía masa y cuya posición exacta en el espacio no podía fijarse. Así, la materia y la energía se consideraban fenómenos distintos y no relacionados. Sin embargo, pronto los científicos empezaron a observar con más atención algunos fenómenos inconvenientes que no podían explicarse con las teorías disponibles en aquel momento.
Un fenómeno que parecía contradecir las teorías de la física clásica era la radiación del cuerpo negroRadiación electromagnética cuya longitud de onda y color depende de la temperatura del objeto. la energía emitida por un objeto cuando se calienta. La longitud de onda de la energía emitida por un objeto depende únicamente de su temperatura, no de su superficie ni de su composición. De ahí que el quemador de una estufa eléctrica o el filamento de un calefactor espacial brillen con un color rojo o naranja apagado cuando se calientan, mientras que el cable de tungsteno de una bombilla incandescente, mucho más caliente, emite una luz amarillenta (Figura 6.5 “Radiación del cuerpo negro”).
