Radiación del cuerpo negro: La materia caliente en estado condensado (sólido o líquido) emite radiación de diferentes energías en forma continua (piensen en una forja, donde un trozo de metal es calentado hasta el punto en el que es capaz de emitir luz). Una superficie que sea capaz de emitir energía de todas las longitudes de onda posibles de la radiación electromagnética se asume que es también un muy buen "absorbedor" de cualquier energía posible. A este tipo de superficie ideal se la llama cuerpo negro.
Se conocía que esta intensidad de la radiación emitida no era uniforme para todas las frecuencias y, además, que el espectro de intensidad irradiada para diferentes frecuencias cambia con la temperatura: a mayores temperaturas la energía total irradiada es mayor y además el pico de frecuencias máximo se mueve hacia frecuencias mayores -o longitudes de onda (λ) menores-, siendo el producto de λmáximo por la temperatura constante. Los resultados obtenidos por análisis teóricos sólo concuerdan bastante bien con los resultados experimentales obtenidos a longitudes de onda grandes (o temperaturas relativamente bajas).
Según la Mecánica Clásica, la cantidad de radiación emitida sería proporcional a los modos de radiar (osciladores) y todos los modos de radiar deberían tener igual probabilidad de ocurrir. Así, el número de modos de radiación aumentaría monotónicamente con la frecuencia (esto es, al disminuir la longitud de onda) siendo proporcional al cuadrado de la misma. Sin embargo, la curva empírica (mostrada en el esquema de arriba) demuestra que a longitudes de onda pequeñas la intensidad disminuye hasta tender a cero, mientras que desde la Mecánica Clásica se predecían valores que tendían a infinito, resultado que se conoció como “catástrofe ultravioleta”.
Fue Max Planck quien dedujo una función empírica (hoy denominada Ley de la Radiación de Planck), que no se desprende desde primeros principios sino que simplemente se ajusta muy bien a los resultados experimentales. Para llegar a esta ecuación, Planck tuvo que hacer una suposición: planteó la existencia de osciladores en la superficie del cuerpo negro, asociados a las cargas de las moléculas. Y luego, asumió que:
i- La energía de los osciladores está cuantizada, es decir que los osciladores del cuerpo negro que vibran a una frecuencia dada, sólo podían tener cierto valores de energía: E= nhf (n: número entero positivo llamado número cuántico, f: frecuencia de oscilación y h: constante de Planck).
ii- Los osciladores emiten o absorben energía en cantidades discretas y lo hacen solo cuando cambian su estado cuántico.
La visión clásica asume que todos los modos de oscilar en el cuerpo negro son igualmente probables ya que se podría, según la mecánica clásica, ir agregando cantidades infinitesimales de energía a cualquiera de estos osciladores y estos seguirían emitiendo. Sin embargo, según la hipótesis de Planck no se puede agregar energía de a cantidades infinitesimales, sino que se agrega de a paquetes o cuantos discretos cuya magnitud resulta proporcional a la frecuencia. Así, a frecuencias muy altas, habría menos modos posibles, con lo cual estas emisiones son menos probables. De este modo se explica que la intensidad irradiada a longitudes de onda muy corta sea menor.
Efecto fotoelectrico: Este fenómeno es la emisión de electrones que ocurre cuando sobre un dado material incide una radiación electromagnética. Hertz observó que había una corriente eléctrica que ocurría con facilidad entre dos esferas cargadas eléctricamente si las superficies se iluminaban con alguna luz determinada y no con cualquier tipo de luz. Esto se interpretó como la existencia de alguna barrera energética a superar para que ocurra la corriente. Se planteó que la corriente generada por la luz se debía a que la energía de esta luz "arrancaba electrones" del material iluminado, los cuales luego se desplazaban con una energía cinética.
Los resultados hallados en los experimentos mostraban que:
- Los electrones se emitían inmediatamente.
- El aumento de la intensidad de la luz provocaba un aumento en el número de electrones, pero no de su energía cinética máxima.
- La luz roja (vale decir, con baja frecuencia) no lograba generar corriente, esto es arrancar electrones, no importa cuán alta fuera su intensidad.
- Una luz muy poco intensa de luz violeta (es decir, de alta frecuencia) lograba arrancar electrones, que si bien eran pocos, presentaban muy alta energía cinética.
Albert Einstein desarrolló un análisis de estos experimentos basándose en la hipótesis que 5 años antes Max Planck utilizó para encontrar la ecuación que describiera los resultados experimentales de la radiación del cuerpo negro. Einstein postuló que la luz estaría compuesta por paquetes energéticos, llamados fotones. El fotón sería la entidad que Planck llamó cuanto desde un planteo matemático y teórico pero sin confiar en que algo así pudiera darse en la naturaleza.
Ahora bien, aceptando la explicación dada por Einstein para el efecto fotoeléctrico, la energía de un fotón estaría dada entonces por: $E=hf$
Espectros de lineas de los gases: A comienzos del siglo XIX se probó que cada elemento en estado gaseoso cuando es excitado y se observa el resultado de su desexcitación, presenta un espectro de líneas característico. Por supuesto, resultaba relevante explicar por qué se daba este fenómeno. Las líneas espectrales fueron interpretadas como transiciones electrónicas entre diferentes estados energéticos en el átomo. Pero esta interpretación presentaba un problema a la física clásica ya que si en el átomo había diferentes niveles energéticos en los que se encontraban los electrones, éstos al estar girando alrededor del núcleo deberían irradiar energía (las cargas aceleradas irradian energía electromagnética) y por lo tanto deberían perderla quedando inestables hasta caer en forma de espiral al núcleo. Es decir, no hay un modelo clásico que pudiera explicar la estabilidad de los electrones en órbitas y dar cuenta de los espectros de líneas. Fue el físico Niels Bohr, quien aprovechando el concepto de fotón y de niveles de energía, hizo una propuesta explicativa novedosa hoy conocida como “el átomo de Bohr”. Este modelo daba cuenta bastante bien de los resultados experimentales. Desde el nuevo punto de vista se puede considerar que:
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El espectro de líneas de un elemento es el resultado de la emisión de fotones con energías específicas (esto es frecuencia determinada y color determinado si la emisión se da con una energía que corresponde al espectro visible).
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La emisión de este fotón se da cuando la energía interna del átomo cambia una cantidad igual a la energía de ese fotón.
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Si esto es así, cada átomo podría existir teniendo solo un conjunto definido de valores de energía interna posibles, y estos niveles energéticos posibles son propios de cada átomo.
Propiedades ondulatorias de las partículas: Para la mecánica clásica, los sistemas o bien poseen propiedades ondulatorias, o bien propiedades características de las partículas. Ciertos experimentos, como el de la doble rendija, deberían ser capaces de indicar indubitablemente el carácter, ya sea de onda o de partícula de un sistema dado.
Sin embargo, se observó que átomos o electrones que eran asumidos como partículas (esto implica que son localizables en regiones concretas del espacio, como el caso de la izquierda en la imagen de arriba), podían exhibir, en algunas condiciones experimentales, un comportamiento ondulatorio (esto es que eran capaces de generar patrones de interferencia, como en el caso de la derecha en la imagen de arriba.) Este fenómeno de alguna manera complementa los resultados del efecto fotoeléctrico que ofrece una prueba bastante sólida de que la luz se comporta como compuesta por partículas de energía determinada (E = hf), aunque también era bien sabido que la luz genera patrones de interferencia y se difracta. De estos resultados complejos y aparentemente contradictorios surge lo que se llamó dualidad onda-partícula. Como ya se mencionó, lo interesante en este caso es que no solo los fotones tienen este comportamiento particular (ser partículas capaces de generar patrones de difracción o interferencia), sino que también otras partículas -tales como los electrones- responden de este modo a los experimentos.