Crisis de la física clásica y origen de la física cuántica. Radiación del cuerpo negro y la hipótesis cuántica.
FISICA CLÁSICA
1. Algunos fenómenos no explicables según la teoría clásica.
Tras la controversia sobre la naturaleza de la luz que concluyó a finales del siglo XIX
con el establecimiento de la teoría electromagnética de la luz, se produjeron una serie de
descubrimientos (la radioactividad por Becquerel en 1896 y el electrón por J. J. Thompson en
1897) que permitieron profundizar en el conocimiento de la estructura de la materia.
Concretamente se planteó el problema del mecanismo por el cual la radiación
electromagnética, y particularmente la luz, era absorbida y emitida por la materia. Hasta el
momento todos los fenómenos físicos habían sido explicados de manera satisfactoria por la
física conocida hasta el momento, la física clásica, pero nuevos hechos experimentales iban a
poner de relieve las limitaciones de ésta y la necesidad de nuevos modelos y teorías. Este fue
el origen de la física cuántica.
1.1 Radiación térmica; catástrofe del ultravioleta.
Si en una cámara en la que se ha hecho el vacío se sitúan dos cuerpos a diferente
temperatura, se puede comprobar cómo, cuando ha pasado un tiempo, el más caliente se ha
enfriado y el más frío se ha calentado, es decir, ambos cuerpos han intercambiado calor. El
cuerpo más caliente ha debido emitir algún tipo de radiación electromagnética, que es lo único
capaz de propagarse por el vacío, y el otro cuerpo ha debido absorber parte de esa radiación.
Como conclusión la materia debe radiar ondas electromagnéticas simplemente por tener
temperatura. Un cuerpo siempre radia calor en forma de ondas electromagnéticas de modo
continuo y al mismo tiempo recibe radiación del medio. Cuando el cuerpo emite la misma
cantidad de radiación que la que recibe se dice que el cuerpo está en equilibrio térmico con el
medio y mantiene constante su temperatura. Este tipo de radiación se denomina radiación
térmica.
En temas anteriores se ha estudiado que el color de un objeto se corresponde con la
luz que refleja. Los cuerpos claros reflejan gran cantidad de la radiación que incide sobre ellos
y absorben sólo una pequeña parte de ella, mientras que los cuerpos oscuros reflejan poca
radiación y la absorben casi toda.
1.1.2 El modelo clásico de Raileigh-Jeans que explicaba la radiación del cuerpo negro
coincidía bien con los hechos experimentales para bajas frecuencias pero se producía una
fuerte discrepancia para valores elevados de la frecuencia. Este error en la predicción clásica
recibió el nombre de catástrofe del ultravioleta. La física clásica no era capaz de explicar el
comportamiento de la radiación del cuerpo negro.
1.2 Efecto fotoeléctrico; experimento de Hertz.
Es un hecho experimental que determinados metales emiten electrones cuando incide
sobre ellos una luz de frecuencia adecuada. El número de electrones emitidos aumenta si
aumenta la intensidad de la luz o la frecuencia. La explicación es que la energía luminosa es
absorbida por los electrones para salir de sus orbitales y escapar del material. Sin embargo,
para algunas frecuencias no se produce este efecto, por mucha intensidad que tenga la luz, lo
que no coincide con las predicciones de la física clásica que afirma que la energía de una onda
es proporcional al cuadrado de la intensidad. Se observa que, por debajo de una frecuencia,
llamada frecuencia umbral, que depende del material, no se emiten fotoelectrones
independientemente de la intensidad de la luz.
Otro hecho no explicado por la teoría clásica es que el efecto fotoeléctrico se produce
de forma instantánea. Según las predicciones teóricas del momento la radiación llega en forma
de onda y por lo tanto debe pasar un tiempo apreciable desde que la onda comienza a llegar al
material hasta que el electrón adquiere la energía necesaria para salir de la red cristalina.
Resumiendo, la física clásica no es capaz de explicar la existencia de una frecuencia
umbral por debajo de la cual no se produce efecto fotoeléctrico, auque aumente la intensidad
de la luz, ni que el efecto fotoeléctrico sea instantáneo.
1.2.1 El experimento de Hertz
En sus estudios sobre el efecto fotoeléctrico Hertz comprobó que al hacer incidir luz
sobre un determinado material encerrado en una cápsula de vidrio al vacío, y aplicar una
diferencia de potencial se producía una corriente que desaparecía al apagar la luz. La
explicación dada era que los electrones absorbían la energía luminosa y salían de la red
cristalina del metal. El campo aplicado arrastraba inmediatamente los electrones liberados por
la energía luminosa formándose una corriente eléctrica. Comprobó que al iluminar seguía
produciéndose una corriente incluso sin aplicar campo eléctrico para recoger los electrones. La
explicación a este hecho es que únicamente con la energía luminosa algunos electrones
adquirían la energía suficiente como para escapar del metal y salir de él con una velocidad
apreciable, de modo que alcanzaban la otra placa por si mismos. Si se aplicaba una diferencia
de potencial inversa a las placas la corriente seguía fluyendo hasta que el potencial aplicado
llegaba a un límite (potencial de frenado VF) en el cual ningún electrón alcanzaba la placa
opuesta. En esta situación los electrones emitidos eran atraídos inmediatamente hacia la placa
por el campo eléctrico aplicado.
1.3 Espectros atómicos; carácter discontinuo.
Un tercer hecho experimental no explicable por la física de finales del siglo XIX es el
carácter discontinuo de los espectros atómicos. Si se comunica energía a un átomo y después
se observa cómo esa energía es liberada por éste al volver a su estado original, la física clásica
predice una emisión continua correspondiente al acercamiento progresivo de los electrones
hacia el núcleo. Además, la física clásica afirma que una carga en movimiento radia energía y,
por lo tanto, los electrones en sus órbitas deberían estar emitiendo energía de modo continuo y
acabar cayendo al núcleo con una trayectoria espiral. Ninguna de estas predicciones se
cumple.
La distribución de energía de las transiciones atómicas, el espectro atómico, presenta
una serie de líneas muy delimitadas correspondientes a frecuencias concretas, en ningún caso
se producen emisiones continuas de energía, y por otra parte es sabido que los electrones no
alcanzan nunca al núcleo, y permanecen de manera indefinida moviéndose en la corteza de los
átomos.
FÍSICA CUÁNTICA
2. Hipótesis de De Broglie.
En los apartados anteriores se ha llegado a la conclusión que la radiación es emitida y
absorbida por la materia de forma corpuscular, sin embargo la luz también presenta un carácter
ondulatorio que se pone de manifiesto en determinados experimentos: difracción, interferencia
y polarización. Estos experimentos demuestran la naturaleza ondulatoria de la radiación, y
otros demuestran su naturaleza corpuscular, de tal forma que se asume que la radiación:
1. se comporta de forma corpuscular cuando interacciona con la materia bajo ciertas
condiciones (radiación térmica, efecto fotoeléctrico)
2. se comporta de forma ondulatoria cuando interacciona consigo misma, se propaga o
interacciona con la materia bajo otras condiciones (difracción, refracción, interferencia,
polarización).
Este comportamiento dual es lo que se conoce como la dualidad onda-corpúsculo de
la radiación. Todo esto supuso un cambio radical en la concepción de la naturaleza; los
términos onda y corpúsculo fueron a partir de ese momento complementarios y no excluyentes.
Se debe asumir esta dualidad como compatible aunque a gran escala se sigan diferenciando
claramente las ondas de los corpúsculos.
2.1 En 1924 Louis De Broglie planteó que, ya que la radiación presenta una dualidad onda
corpúsculo, ¿por qué la materia no va a presentar el mismo comportamiento? Según esta
teoría una partícula de masa m que viaje a una velocidad v debe tener un comportamiento
ondulatorio, es decir, una longitud de onda y una frecuencia asociadas. Se llama onda
asociada a la onda correspondiente a una partícula. Las expresiones que permiten calcular la
longitud de onda y frecuencia de las partículas son:
λ =h/mv
ν= E/h
2.2 Principio de incertidumbre de Heisemberg.
La física clásica es determinista en el sentido que se supone que si se conoce la
velocidad y posición de una partícula en un instante y se conocen las fuerzas actuantes
entonces se puede conocer la posición y velocidad de la partícula en cualquier otro instante.
Además todas las cantidades se suponen conocidas con precisión sólo limitada por los
instrumentos de medida. De modo general la física clásica afirma que es posible conocer el
estado de cualquier sistema físico en cualquier instante si se conoce en uno determinado.
Werner Karl Heisemberg (premio Nobel de Física en 1932) analizó determinadas
situaciones experimentales posibles y llegó a la conclusión que, a nivel microscópico, no es
posible desarrollar un modelo físico determinista. Este postulado se conoce como principio de
indeterminación o principio de incertidumbre de Heisemberg.
2.3 Dualidad onda corpúsculo. Determinismo y probabilidad.
La combinación de la hipótesis de De Broglie y el principio de indeterminación de
Heisemberg llevan a una nueva concepción de la materia. La física clásica establece que una
de las diferencias fundamentales entre ondas y partículas es la localización de unas y
deslocalización de otras. La hipótesis de De Broglie asocia a una partícula material una onda, y
el principio de incertidumbre afirma que no se puede establecer con precisión absoluta la
posición de una partícula. La conclusión de ambos conceptos es el principio de dualidad
onda-corpúsculo para la materia que afirma que una partícula se puede representar mediante
una función de onda o un paquete de ondas, esto es que una partícula está representada
por la suma de un conjunto de ondas de tipo sinusoidal. El valor de la amplitud de la función
onda representa la probabilidad de que la partícula se encuentre en ese punto; las partículas
adquieren la propiedad de deslocalización de las ondas.
2.4 Dominio de validez de la física clásica.
Todo lo que se ha visto supuso una nueva concepción de la materia y la radiación. Se ha visto como la física clásica no era capaz de explicar determinados fenómenos y cómo aparecían conceptos que superaban a las antiguas teorías. Sin embargo, la física clásica sigue manteniendo su validez en el ámbito de lo macroscópico y las bajas velocidades. Para resolver
problemas o fenómenos que no involucren tamaños pequeños (mecánica cuántica) o velocidades altas (mecánica relativista) la mecánica clásica es perfectamente válida.
Nunca se ha de perder de vista que todo lo estudiado son modelos, es decir, leyes y reglas ideadas por el hombre para explicar, comprender y predecir los fenómenos naturales. Estos modelos están en continua revisión y contraste, de manera que, la física tiene un carácter dinámico; está en continua evolución. Los físicos
siguen trabajando en nuevas teorías y métodos que expliquen mejor el
comportamiento de la materia, la energía y el tiempo.
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