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Presentación Histórica
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Transcript
De la oscuridad a la luz
RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO
Comenzar
1800
Si asociamos el color con la longitud de onda para el cual se emite el máximo de radiación, podemos decir que
Empezaremos esta historia en
cuando se estableció la termodinámica por físicos como James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius, Johannes van der Waals y Josiah Willard Gibbs . Porque por alguna parte hay que empezar y porque la cuantica que es donde se explica el láser, derivo de un problema de termo.
ley de desplazamiento de Wien
Ese año se publicó el primer libro de termodinamica
Kirchhoff estaba estudiando los cuerpos en equilibrio térmico:
- definió la capacidad de un cuerpo para emitir y absorber energía electromagnética.
- Planteó el problema del cuerpo negro y retó a los físicos a solucionarlo
Equilibrio Termico en un sistema cerrado a lo largo del tiempo.
Cuerpo negro: idealización conceptual de un cuerpo en equilibrio termico. Representado por un cuerpo hueco con una pequeña abertura que comunica con el exterior. Toda la radiación que incide en el orificio entra a la cavidad y es reflejada en el interior, por eso el orificio funciona como un absobente. La energía que sale por el agujero es insignificante y no perturba el equilibrio termico en el interior de la cavidad.
¿Qué sucede en su interior?
Como la radiación se refleja desde las paredes de la cavidad se generan ondas electromagneticas estacionarias en el interior.
¿COMO ES LA RELACIÓN ENTRE LUZ Y TEMPERATURA?
El problema
¿De que color es la de la radiación?,o sea, como es la distribución espectral, la cantidad de energía emitida en cada intervalo de color?, Kirchhoff retó a los físicos a encontrar una expreción matemática que describiera el comportamiento experimental
b = ancho de la apertura
Serwey
Comportamiento experimental
Activa las tres casillas de la simulación. En el eje x se encuentra la longitud de onda y en y densidad de potencia espectral¿Cómo cambia la intensidad con respecto a la temperatura?
Reto ACEPTADO
Rayleigh
Stefan
Wikipedia
https://www.nndb.com/people/497/000099200/
Boltzmann
https://citas.in/autores/ludwig-boltzmann/
Wien
Wikipedia
Jeans
https://www.facebook.com/share/p/HUeKKcqAhxpx7CxT/
Planck
Wikipedia
Bolzmann
el flujo espectral es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura
Stefan
Ley e Stefan-Boltzmann
La potencia de radiación emitida por unidad de área aumenta con la temperatura
P = potencia (W) en todas las longitudes de onda desde la superficie del objeto -- = constante de Stefan- Bolzmann A=área de la superficie T= temperatura
Cambia la temperatura y observa
Jeans
Rayleigh
Si utilizamos la ley de la equipartición de la energía de Ludwig Boltzmaann
Como una onda tiene dos grados de libertad
Bolzmann
Entonces
Es la distribución de energía de una onda simple
Yo hice esto para moleculas, [E] es la energía molecular promedio durante un periodo para un grado de libertad, los grados de libertad dependen la configuración molecular
Conforme la longitud de onda se a proxima a cero, la función tiende a infinito!!!
Pero no tenemos una sola onda, tenemos muchas tridimencionales entonces necesitamos una densidad de ondas
Catastrofe en el ultravioleta!!
Por lo que tendremos una densidad de energía
Rayleigh
Ley de Rayleigh-Jeans
Jeans
20XX
La longitud de onda en el pico es imvesamente proporcional a la temperatura absoluta.
Wien propuso que la energía dependia también de la frecuencia
RealidadLey de Wien
Wien
ences
Ley de desplazamiento de W ien
Cuando T tiende a infinito la energía también, pero ...no es lo ocurre en la realidad!!!
Una función funciona por un lado y otra por el otro, si las combinamos
El pico de la distribución de la longitud de onda se desplaza hacia longitudes mas cortas conforme aumenta la temperatura
Si le ponemos -1 funciona por aquí
entonces
que?!!!
Ley de Plank
Esto puede escribirse mejor,
Planck
Planck supuso que la radiación en la cavidad del cuerpo negro llega a causa de osciladores atómicos en las sus paredes
E = nhv
n= entero positivo llamado número cuanticof= frecuencia de oscilación h= constante de Planck
Ley de radiación de Plank
Es el enlace entre la teoria electromagnética y el campo átomico
- La energía de estos osciladores solo puede tener ciertos valores, es decir, esta cuantizada.
- Los electrones emiten o absorben enrgía cuando realizan una transición de un estado cuantico a otro
20XX
El modelo atómico
Aquí no pueden estar los electrones
Niveles de energía del átomo
En el átomo se aplica la ley de Coulomb
Loa electrones solo pueden ocupar ciertas orbitas, ie. orbitas permitidas
Existen orbitas en las que el electrón no emite radiación por lo que su energía permanece constante, las llamamos orbitas estables
n=1
Cuando un electrón pasa de un nivel a otro es un salto cuantico
los numeros en los niveles de energia se llaman numeros cuanticos
n=2
n=3
mientras más lejos del nucleo es un nivel de mayor energía
eL EFECTO FOTOELECTRICO
Un foton incidente transfiere su energia hf a un electrón en el metal, los electrones expulsados de la superficie del metal y que no entran en colición con otros atommos tiene una energía cinetica maxima que depende de la frecuencia de la luz y la función de trabajoes y es independiente de la intensidad de la luz,
En 1905 Eisnten supuso que el campo electromagnetico esta cuantizado y con ello explico el efecto fotoeléctrico
Fotoelectrones
Al incidir radiación electromagnetica en un metal, este emite electrones
Si la energía de un foton no es suficiente no es posible expulsar un electrón, sin importatr la intensidad luminosa.
Ciertos colores liberaban carga eleéctrica de un material y otros no, aun con intensidades grandes
Es en este trabajo donde donde realiza la representación moderna del concepto de fotón, concepto clave para el desarrollo del láser
Los fotones son particulas elementales sin carga, sin masa y estables que solo existen a la velocidad C.
Foton-electrón
n=1
n=2
Absorción
Un electrón absorbe energía y pasa a un nivel de mayor energía.
nímeros cuanticos
n=4
n=2
Emisión Espontanea
n=1
n=1
n=2
Un electrón exitado emite radiación
n=1
n=2
n=1
n=2
Entonces la radiación de cuerpo negro
El proceso de emision estimulada ocurre siempre y las relaciones entre los coeficientes A y B son validad independientemente de que el sistema este o no en equilibrio
En 1917 Eimstein presenta una nueva derivaci{on de la fo mula de radiacón de Planck
n=1
n=2
Emisión estimulada
Un fotón estimula un electrón exitado a emitir.
Esta derivaci{on merece consideraci{on no solo por su simplicidad sino especialmente porque parece clarificar los procesos de absorción y emisión de la radiaci{on por la materia
El proceso de emision estimulada ocurre siempre y las relaciones entre los coeficientes A y B son validad independientemente de que el sistema este o no en equilibrio
Einstein 1917
Resumen
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