Planck constante
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Entre 1670 y 1900, los científicos discuten la naturaleza de la luz. Algunos científicos creían que la luz consistía en muchos millones de partículas diminutas. Otros científicos creían que la luz era una onda.
Luz: ondas o partículas?Editar
En 1678, Christiaan Huygens escribió el libro Traité de la lumiere («Tratado de la luz»). Creía que la luz estaba hecha de ondas. Dijo que la luz no podía estar compuesta de partículas porque la luz de dos haces no rebotaba en cada uno other.In En 1672, Isaac Newton escribió el libro Opticks. Creía que la luz estaba compuesta de partículas rojas, amarillas y azules a las que llamó corpusles. Newton explicó esto por su «experimento de dos prisma». El primer prisma dividió la luz en diferentes colores. El segundo prisma fusionó estos colores de nuevo en luz blanca.
Durante el siglo XVIII, la teoría de Newton recibió la mayor atención. En 1803, Thomas Young describió el «experimento de doble rendija». En este experimento, la luz que atraviesa dos hendiduras estrechas interfiere consigo misma. Esto provoca un patrón que muestra que la luz está formada por ondas. Durante el resto del siglo XIX, la teoría ondulatoria de la luz recibió la mayor atención. En la década de 1860, James Clerk Maxwell desarrolló ecuaciones que describían la radiación electromagnética como ondas.
La teoría de la radiación electromagnética trata la luz, las ondas de radio, las microondas y muchos otros tipos de ondas como la misma cosa, excepto que tienen diferentes longitudes de onda. La longitud de onda de la luz que podemos ver con nuestros ojos está aproximadamente entre 400 y 600 nm. La longitud de onda de las ondas de radio varía de 10 m a 1500 m y la longitud de onda de las microondas es de aproximadamente 2 cm. En el vacío, todas las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz. La frecuencia de la onda electromagnética viene dada por:
ν = c λ {\displaystyle \nu ={\frac {c}{\lambda }}}
.
Los símbolos se definen aquí.
Radiadores de cuerpo negroeditar
Todas las cosas cálidas emiten radiación térmica, que es radiación electromagnética. Para la mayoría de las cosas en la Tierra, esta radiación está en el rango infrarrojo, pero algo muy caliente (1000 °C o más) emite radiación visible, es decir, luz. A finales de 1800, muchos científicos estudiaron las longitudes de onda de la radiación electromagnética de los radiadores de cuerpo negro a diferentes temperaturas.
Rayleigh-Jeans LawEdit
Lord Rayleigh publicó por primera vez los fundamentos de la ley Rayleigh-Jeans en 1900. La teoría se basaba en la teoría cinética de los gases. Sir James Jeans publicó una teoría más completa en 1905. La ley relaciona la cantidad y longitud de onda de la energía electromagnética emitida por un radiador de cuerpo negro a diferentes temperaturas. La ecuación que describe esto es:
B λ ( T ) = 2 c k T λ 4 {\displaystyle B_{\lambda }(T)={\frac {2ckT}{\lambda ^{4}}}}
.
Para la radiación de longitud de onda larga, los resultados predichos por esta ecuación se correspondían bien con los resultados prácticos obtenidos en un laboratorio. Sin embargo, para longitudes de onda cortas (luz ultravioleta) la diferencia entre teoría y práctica era tan grande que se ganó el apodo de «la catástrofe ultravioleta».En 1895, Wien publicó los resultados de sus estudios sobre la radiación de un cuerpo negro. Su fórmula fue:
B λ ( T ) = 2 h c 2 λ 5 e − h c l k T {\displaystyle B_{\lambda }(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}e^{-{\frac {hc}{\lambda kT}}}}
.
Esta fórmula funcionó bien para la radiación electromagnética de longitud de onda corta, pero no funcionó bien con longitudes de onda largas.
En 1900 Max Planck publicó los resultados de sus estudios. Trató de desarrollar una expresión para la radiación de cuerpo negro expresada en términos de longitud de onda asumiendo que la radiación consistía en pequeños cuantos y luego ver qué sucedía si los cuantos se hacían infinitamente pequeños. (Este es un enfoque matemático estándar). La expresión fue:
B λ ( T ) = 2 h c 2 λ 5 1 e h c l k T − 1 {\displaystyle B_{\lambda }(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}~{\frac {1}{e^{\frac {hc}{\lambda kT}}-1}}}
.
Si se permite que la longitud de onda de la luz se haga muy grande, entonces se puede demostrar que las relaciones Raleigh-Jeans y Planck son casi idénticas.
calculó h y k y se encontró que
h = 6.55×10-27 erg·sec. k = 1.34×10-16 erg·gr-1.
Los valores se acercan a los valores aceptados en la actualidad de 6,62606×10-34 y 1,38065×10-16, respectivamente. La ley de Planck concuerda bien con los datos experimentales, pero su significado completo solo se apreció varios años después.
la teoría Cuántica de lightEdit
Resulta que los electrones son desalojados por el efecto fotoeléctrico si la luz alcanza una frecuencia de umbral. Debajo de esto no se pueden emitir electrones del metal. En 1905 Albert Einstein publicó un artículo explicando el efecto. Einstein propuso que un haz de luz no es una onda que se propaga a través del espacio, sino más bien una colección de paquetes de ondas discretas (fotones), cada uno con energía. Einstein dijo que el efecto se debía a que un fotón golpeaba a un electrón. Esto demostró la naturaleza de partículas de la luz.
Einstein también encontró que la radiación electromagnética con una longitud de onda larga no tenía efecto. Einstein dijo que esto se debía a que las «partículas» no tenían suficiente energía para perturbar a los electrones.
Planck sugirió que la energía de cada fotón estaba relacionada con la frecuencia de fotones por la constante de Planck. Esto podría ser por escrito matemáticamente como:
E = h ν = h c l {\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}}
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