¿Por qué brilla un objeto?
¿Alguna vez se preguntó por qué y cómo un objeto caliente emite luz? Tal vez hayas visto cómo un herrero saca una pieza de metal, como una barra de metal de un fuego, solo para que brille con este color rojo intenso. Ves un color porque cuando un objeto caliente brilla, en realidad emite fotones , paquetes de radiación electromagnética, incluida la luz visible.
Un objeto caliente, como una persona que está furiosa por algo, está realmente agitado. Esa agitación produce colisiones y cambios de movimiento entre las partículas, incluidos los electrones, del objeto en cuestión. Esto hace que la energía se aleje del objeto en forma de radiación electromagnética. En esencia, el objeto realmente caliente es «desahogarse», aunque en forma de luz, para refrescarse un poco, como si una persona necesita desahogarse cuando está agitada.
La forma en que la temperatura de un objeto influye en su hermoso brillo va mucho más allá de este pequeño detalle. Pronto aprenderá por qué los objetos se vuelven más brillantes a medida que se calientan y por qué cambian de color con la temperatura cuando echemos un vistazo a la Ley de Wien y la Ley de Stefan-Boltzmann.
Radiación y temperatura del cuerpo negro
Un objeto teórico que puede ser perfectamente eficiente para absorber y emitir radiación se conoce como cuerpo negro y, por lo tanto, emite lo que se conoce como radiación de cuerpo negro.
Un cuerpo negro es negro a temperatura ambiente, de ahí el nombre. Sin embargo, a temperaturas más altas, en realidad puede brillar en longitudes de onda visibles. Por lo tanto, debe tener en cuenta que los astrónomos y físicos usan el término ‘cuerpo negro’ para referirse también a objetos que brillan.
¿Qué es la Ley de Stefan-Boltzmann?
Naturalmente, dado lo que hemos repasado hasta ahora, puede tender a pensar que la radiación del cuerpo negro es emitida solo por objetos calientes como esa barra de metal caliente o una estrella extremadamente caliente. No tan. La radiación de cuerpo negro es la radiación emitida por un objeto calentado. Pero «acalorado» es un término relativo. Lo que quiero decir es que se calienta en comparación con el cero absoluto : 0 Kelvin, -273.2 Celsius o -459.7 Fahrenheit.
Sabiendo esto, no le sorprenderá saber que la radiación de cuerpo negro es emitida por todo, desde estrellas y bombillas hasta cubitos de hielo. Esto se debe a que a temperaturas superiores al cero absoluto, las partículas de un objeto todavía tienen energía térmica y, por lo tanto, irradian fotones. Un cubo de hielo puede ser tan frío como un pepino, pero en comparación con el cero absoluto, está tan agitado y caliente como usted cuando su computadora se congela o el automóvil no enciende.
¿Por qué más caliente = más brillante?
Bien, ahora sabes por qué brillan las cosas. Ahora necesitamos aprender cómo interactúan la temperatura y el color del brillo de un objeto. Seguramente has visto cómo a medida que el metal se calienta cada vez más, en realidad cambia el color de la luz que emite de rojo a naranja y a amarillo a medida que se calienta. Ahora aprenderá por qué cambia de color y se vuelve más brillante a medida que se calienta, no solo por qué brilla.
En primer lugar, cuanto más caliente está un objeto, más radiación de cuerpo negro emite. ¿Por qué? Bueno, cuanto más loco estás, más agitado estás y más vapor tienes que desahogar. Cuanto más caliente es un objeto, más colisiones hay, más violentas son esas colisiones y más radiación se emite. Es por eso que a medida que las cosas se calientan, se vuelven más brillantes.
Ley de Wien y ley de Stefan-Boltzmann
Consulte los gráficos a continuación que representan las curvas de cuerpo negro para ver este concepto representado visualmente. Tenga en cuenta que estos gráficos tienen un eje y que indica la intensidad y un eje x que representa la longitud de onda.
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Verá áreas más grandes debajo de las curvas que representan objetos más calientes, donde el área debajo de la curva es proporcional a la energía total emitida. Entonces, un objeto más caliente emite más radiación (incluida la luz visible). Este concepto se refiere a la Ley de Stefan-Boltzmann , que dice, en términos simples, que la energía total irradiada por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura.
En segundo lugar, la longitud de onda de los fotones que emite un objeto depende de la temperatura del objeto. La mayoría de los electrones en un objeto viajan a velocidades intermedias, mientras que algunos viajan muy rápido o muy lento, al igual que la mayoría de las personas viajan a velocidades promedio en la carretera y solo unos pocos locos o cuidadosos conducen más rápido o más lento.
Esta es la razón por la que la radiación de cuerpo negro consta de fotones que tienen una amplia distribución de longitudes de onda. Dado que las velocidades intermedias son las más comunes, las longitudes de onda medias también lo son. En consecuencia, al observar los gráficos, debería ver que, independientemente de la temperatura de un objeto, las curvas tienen picos más altos en el medio que en cualquier extremo de la curva.
Además, la longitud de onda de máxima intensidad que emite un objeto, la longitud de onda que un objeto emite la mayor parte de su luz, se conoce como lambda max . Asegúrese de no tropezar aquí. Lambda max no se refiere a la longitud de onda máxima que emite un objeto. Se refiere a la longitud de onda de máxima intensidad, haciendo referencia al eje y en los gráficos que ve.
Con solo mirar los gráficos, puede decir que la longitud de onda de intensidad máxima depende de la temperatura. Un objeto más caliente tiene una longitud de onda más corta de máxima intensidad. Esto se debe a que las longitudes de onda más cortas son de mayor energía y, como resultado, solo se pueden emitir con colisiones realmente violentas que ocurren bajo temperaturas más altas. Y así, un objeto más caliente emitirá más luz azul y se verá azul. Por otro lado, un objeto más frío emitirá más luz roja y se verá rojo.
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Esta idea se refiere a la Ley de Wien , que, en pocas palabras, es la relación entre la longitud de onda de máxima intensidad que emite un cuerpo negro (la lambda max) y su temperatura.
Resumen de la lección
Repasemos todo muy rápido. Un objeto brillante y caliente emite fotones , paquetes de radiación electromagnética, y un objeto teórico que puede ser perfectamente eficiente para absorber y emitir radiación se conoce como cuerpo negro y, por lo tanto, emite lo que se conoce como radiación de cuerpo negro. La radiación de cuerpo negro es emitida por cualquier objeto calentado, es decir, uno que tiene una temperatura por encima del cero absoluto , que es 0 Kelvin, -273,2 Celsius o -459,7 Fahrenheit.
Sabiendo todo esto, es necesario recordar dos cosas clave.
En primer lugar, cuanto más caliente está un objeto, más radiación de cuerpo negro emite. Esta afirmación se refiere a la ley de Stefan-Boltzmann , que dice que la energía total irradiada por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura. Entonces, cuanto más caliente esté algo, más brillante brillará, debido al hecho de que irradia más energía (energía que incluye luz visible).
En segundo lugar, la longitud de onda de los fotones que emite un objeto depende de la temperatura del objeto. Esto se conoce como Ley de Wien , que es la relación entre la longitud de onda de máxima intensidad que emite un cuerpo negro (lambda max) y su temperatura. De nuevo, la longitud de onda de máxima intensidad que emite un objeto se conoce como lambda max .
Todo lo que esto nos dice es básicamente que a medida que un objeto se calienta, emite longitudes de onda de luz más cortas, lo que hace que el color de su brillo cambie en el proceso.
Los resultados del aprendizaje
Una vez finalizada esta lección, debería poder:
- Discutir el proceso que hace que un objeto brille
- Indique qué se usa para describir el término ‘cuerpo negro’
- Describe la radiación del cuerpo negro
- Interpretar un gráfico de curva de cuerpo negro
- Recordar y explicar la ley de Stefan-Boltzmann y la ley de Wien
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