Cuerpo negro y teoría de la radiación de cuerpo negro

Radiación electromagnética

La temperatura de la superficie de un planeta está controlada principalmente por dos factores. El primero es el calentamiento del planeta a medida que absorbe energía de la luz solar. Al igual que la luz del sol calienta su rostro en un día cálido, también calienta la superficie de un planeta. El segundo es el enfriamiento por radiación. Esto es algo así como cómo se enfría una estufa muy caliente después de apagar el gas o la electricidad.

Entonces, cuando se trata de un planeta, claramente tiene que haber algún tipo de relación entre la absorción y la emisión de radiación que debe continuar, una que determina la temperatura de la superficie de un planeta. Para descubrir cómo ocurre este proceso de calentamiento y enfriamiento, primero tenemos que entender cómo la radiación electromagnética (EM) (es decir, la luz) es absorbida y emitida por la materia misma. La radiación electromagnética (luz) es una forma de energía, con propiedades ondulantes, que consiste en campos eléctricos y magnéticos que varían rápidamente.

¿Qué es un cuerpo negro?

Para entender todo lo que acabamos de repasar, usaremos dos ejemplos: nieve y una superficie asfaltada (es decir, hormigón asfáltico). La luz que golpea un objeto será absorbida o reflejada por él, y la porción de luz que sea absorbida por un objeto la calentará.

La nieve absorbe mal la luz pero la refleja bien. Por eso es frío y deslumbrantemente brillante al mismo tiempo. También es la razón por la que puede sufrir una quemadura de sol en invierno cuando hay mucha nieve, a pesar de que hace frío afuera. Es porque la nieve refleja la radiación, incluida la luz ultravioleta que causa las quemaduras solares, directamente hacia usted.

Pero un asfalto es totalmente lo opuesto a la nieve. Es un muy buen absorbente de luz y un pobre reflector de la misma. Es por eso que puedes tocar un asfalto en un día soleado y sentir que hace mucho calor. Pero a diferencia de la ceguera de la nieve, nunca has oído hablar de la ceguera del asfalto, ¿verdad? Eso es porque es un pobre reflector de luz.

Sin embargo, incluso un asfalto no puede absorber perfectamente todas las longitudes de onda de la luz. Sin embargo, un objeto hipotético e idealizado, que es un absorbente perfecto de todas las longitudes de onda de radiación que caen sobre él, se llama cuerpo negro . Es un cuerpo negro porque no refleja ninguna luz, y como no refleja ninguna luz, es totalmente negro.

Un objeto que es un buen absorbente de radiación también es un buen emisor de radiación. Esto significa que un cuerpo negro es el mejor emisor de radiación. ¿Por qué también es el mejor emisor de radiación? En términos muy simples pero directos, cualquier cuerpo emitirá radiación a una temperatura y frecuencia establecidas con precisión, así como absorbe esta radiación. Entonces, un absorbedor perfecto tiene que ser un emisor perfecto y viceversa.

Para un poco más de detalle, considere esto. Sabemos que la energía debe fluir de un objeto caliente a un objeto frío oa su entorno más frío (gracias a la segunda ley de la termodinámica). En pocas palabras, esta es la razón por la que los cubitos de hielo se derriten frente al sol.

Si un cuerpo negro, al ser un absorbente perfecto de radiación, fuera algo menos que un emisor perfecto de radiación al mismo tiempo, teóricamente podría continuar absorbiendo energía neta de su entorno (lo que significa que se calentará más) incluso si ya estaba más caliente. que sus alrededores para empezar. Si no hubiera una especie de equilibrio entre la absorción y la emisión, el agua colocada cerca del sol se convertiría en hielo en lugar de evaporarse a medida que el sol se calentara aún más. Este escenario imposible contradice claramente las leyes de la termodinámica. En resumen, esta es la razón por la que un cuerpo negro debe ser el mejor emisor de radiación.

¿Qué es la radiación de cuerpo negro?

Aunque ese asfalto que discutimos antes no es un verdadero cuerpo negro, podemos crear un objeto lo más cerca posible de un cuerpo negro. Esto se hace usando una esfera hueca con un agujero muy pequeño. El interior de la esfera, como solo puede imaginar, está ennegrecido y rugoso. Cuando la luz pasa a través del agujero, golpea el lado opuesto de la esfera.

La mayor parte de la luz se absorbe, pero parte se refleja. Sin embargo, a diferencia de un asfalto expuesto al mundo más amplio, la luz aquí no tiene adónde ir más que reflejarse en otros puntos ennegrecidos dentro de la esfera. De esta manera, cuando la luz restante rebota dentro de la esfera, la mayor parte se absorbe. Básicamente es una especie de trampa de luz, ya que prácticamente toda la luz que entra en la esfera se absorbe antes de que tenga la oportunidad de reflejarse fuera del agujero.

Como resultado, el agujero en esta esfera es como un cuerpo negro porque básicamente toda la radiación que pasa a través de este agujero es absorbida. Eso, y la radiación dentro de la esfera, también se emite a través de este agujero. La radiación electromagnética emitida por un radiador teóricamente perfecto (un cuerpo negro) se conoce como radiación de cuerpo negro .

Resumen de la lección

Los conceptos muy importantes de esta lección están relacionados con la Ley de Wien y la Ley de Stefan-Boltzmann, que se tratan en otra parte, pero debemos simplemente revisar lo que ya hemos aprendido.

La radiación electromagnética (EM) (luz) es una forma de energía, que tiene propiedades ondulantes, que consta de campos eléctricos y magnéticos que varían rápidamente. La luz que golpea un objeto será absorbida o reflejada por él, y la porción de luz que sea absorbida por un objeto la calentará.

Un objeto hipotético e idealizado, que es un absorbente perfecto de todas las longitudes de onda de radiación que caen sobre él, se llama cuerpo negro . Un objeto que es un buen absorbente de radiación también es un buen emisor de radiación, lo que significa que un cuerpo negro es el mejor emisor de radiación. Esta radiación, denominada radiación de cuerpo negro, se define como radiación electromagnética emitida por un radiador teóricamente perfecto (es decir, un cuerpo negro).

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya completado esta lección, podrá:

• Definir radiación electromagnética
• Explicar cómo los objetos absorben o reflejan la luz y cómo esto se relaciona con el calor.
• Describe qué son un cuerpo negro y la radiación de un cuerpo negro.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador