Radiación Térmica
Autor: Cliffor Jerry Herrera Castrillo
Radiación Térmica
La
mayoría de los objetos se ven gracias a la luz que reflejan. Sin embargo a
temperaturas suficientemente elevadas, los cuerpos se vuelven autoluminosos y
se puede ver que brillan en la oscuridad. Los filamentos de una lámpara
incandescente y una fogata son ejemplos comunes. Si bien se ven tales objetos
por medio de la luz visible que emiten, no se tiene que quedar mucho tiempo
frente a una fogata para percatarse que también emite copiosamente en la región
del infrarrojo del espectro. Es un hecho curioso que la física cuántica, que
domina la visión moderna del mundo que nos rodea, surgió del estudio en
condiciones controladas de laboratorio de las radiaciones emitidas por cuerpos
calientes.
La
radiación emitida por un cuerpo a causa de su temperatura se le llama radiación
térmica. Los cuerpos no solo emiten tal radiación sino que también la absorben
de su entorno. Si un cuerpo está más caliente que su entorno emite más
radiación de la que adsorbe y tiende a enfriarse. Normalmente llegara a un
equilibrio térmico con su entorno, una condición en que sus velocidades de
absorción y emisión de radiación son iguales.
El
espectro de la radiación térmica de un cuerpo solido caliente es continuo,
dependiendo mucho sus detalles de temperatura. Si se quisiera elevar uniformemente
la temperatura de un cuerpo, se notarían dos cosas:}
§ Cuanto más elevada es la temperatura,
mayor radiación térmica se emite, al principio el cuerpo se ve oscuro, luego
resplandece.
§ Cuanto más elevada la temperatura, más
corta será la longitud de onda de aquella parte del espectro que irradia más intensamente,
El
color predominante del cuerpo caliente cambia del rojo oscuro al amarillo
naranja oscuro y al “blanco vivo”. Puesto que las características de su
espectro dependen de la temperatura, se puede calcular la temperatura de un
cuerpo caliente, como puede ser un lingote caliente de acero o una estrella, a
partir de la radiación que emite.
La
radiación emitida por un cuerpo caliente depende no solo de la temperatura sino
también del material del que está hecho, su forma y la naturaleza de su
superficie. Por ejemplo, a 2000 k una
superficie de tungsteno plana y pulida emite radiación a razón de 23,5 W/cm²;
sin embargo, en el molibdeno la cantidad correspondiente es de 19,2 W/cm². En
cada caso la cantidad aumenta un tanto cuando la superficie es rugosa.
El
“problema de radiación” puede hacerse manejable si se introduce un “radiador
ideal” en el que el espectro de la radiación térmica emitida depende sólo de la
temperatura del radiador y no del material, la naturaleza de la superficie, u
otros factores.
Teoría clásica de la
cavidad radiante
A
principios de 1900, Lord Rayleigh (1842-1919) y Sir James Jeans, (1877-1946), presentaron un
modelo clásico de la densidad de energía de la radiación de cavidad (cuerpo negro). La teoría, iniciada
por Lord Rayleigh y modificada posteriormente por Jeans usaba la equivalencia
matemática entre una onda estacionaria y un oscilador armónico. Suponga una
pieza metálica que contiene una cavidad, calentada uniformemente a temperatura
T. Los electrones de las paredes se agitan térmicamente y emiten radiación
electromagnética dentro de la cavidad. En la cavidad se establece y se mantiene
un equilibrio térmico mediante la absorción y re-radiación de la energía por
las paredes.
Rayleigh
y Jeans demostraron que la radiación dentro de cada cavidad de volumen V consta
de ondas estacionarias con nodos en las paredes: calcularon el número de ondas
estacionarias para un intervalo de frecuencias
La
irradiación, que es proporcional a la energía por unidad de volumen en la
cavidad, debe ser proporcional al producto del número de modos por unidad de
volumen y la energía media por modo.
Este
razonamiento nos conduce a la fórmula de Rayleigh-Jeans 
La fórmula de Rayleigh-Jeans está de acuerdo con la experiencia sólo a bajas frecuencias (o altas longitudes de onda); a frecuencias altas (o bajas longitudes de onda) claramente es errónea porque aumenta (como v2) sin alcanzar un máximo.
El aumento monótono con la frecuencia de la fórmula
de Rayleigh-Jeans se denominó la «catástrofe ultravioleta». Al comparar la
última ecuación con los resultados
experimentales queda de manifiesto un error
en la teoría clásica. Esta última
predice una energía infinita, lo que
difiere del resultado experimental.
Con esta
hipótesis, se deduce
una ley que
se adapta bastante
bien a la
curva observada
experimentalmente, como se ve en la, pero sólo en las zonas de bajas
frecuencias es decir, valores altos de longitudes de onda, pero fracasa estrepitosamente en la zona de
las altas frecuencias, donde prevé una emisión de energía infinita, lo que se
llamó la catástrofe ultravioleta, ya que ningún cuerpo puede emitir infinita energía.
En
definitiva, las leyes y teorías físicas de finales del siglo XIX eran incapaces
de explicar de modo completo y satisfactorio, la emisión de energía por
radiación.
