¿Qué es la luz?
¿De qué está hecha la luz? ¿Cómo interactúa con los objetos que golpea? ¡Resulta que estas son preguntas muy complicadas! Durante cientos de años, los científicos han intentado comprender la luz.
A principios de la década de 1900, un científico alemán llamado Max Planck dio un gran paso adelante en nuestra comprensión de qué es la luz y cómo funciona. En el proceso, también avanzó en nuestra comprensión de la estructura atómica. Por estos notables descubrimientos, ahora se le reconoce como uno de los científicos más influyentes del siglo XX. ¿Cómo sucedió exactamente todo esto?
¿Quién era Max Planck?
En 1858, Max Planck nació en la ciudad alemana de Kiel, donde su padre trabajaba como profesor de derecho en la Universidad de Kiel. Cuando tenía nueve años, la familia se mudó a Munich. Después de graduarse de la escuela secundaria, Planck se inscribió en la Universidad de Munich para obtener un título en física. Creía que solo la física le permitiría descubrir la verdadera naturaleza del universo, ¡y encontró esa idea muy emocionante! Se graduó con un Ph.D. en Física en 1879, ya la edad de veintiún años, se propuso dejar su huella en el mundo.
Ley de Planck y radiación de cuerpo negro
Planck se mudó a Berlín después de graduarse y comenzó a trabajar como profesor de física en la Universidad de Berlín, donde pasaría el resto de su carrera. Incluso cuando era estudiante, estaba fascinado por la energía y cómo se conserva en los procesos físicos, y continuó estudiando la conservación de la energía en Berlín.
En 1900, descubrió algo extraordinario que cambiaría el mundo de la ciencia para siempre. Unos años antes, otro científico que trabajaba en Berlín llamado Gustav Kirchhoff descubrió que algunos objetos, a los que llamó cuerpos negros, absorbían y luego emitían toda la energía que los golpeaba. Llamó a este fenómeno radiación de cuerpo negro.
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Planck decidió estudiar la radiación del cuerpo negro con más detalle y encontró algo muy interesante. Los cuerpos negros siempre irradiaban una cantidad de energía proporcional a la frecuencia de las ondas electromagnéticas que absorbían. Se sorprendió al descubrir que la energía siempre se emitía en paquetes diminutos y discretos. Cada pequeño paquete de energía se llama cuanto de energía. Este fue el comienzo de un nuevo campo de la ciencia, llamado mecánica cuántica , que estudia la naturaleza de pequeñas partículas elementales como protones y electrones.
Esta fue la primera vez que alguien notó que la energía se cuantificó de esta manera, y el descubrimiento de Planck desencadenó una revolución en la física. Demostró que existía una relación simple entre la cantidad de energía emitida y la frecuencia de la radiación electromagnética. Esta relación se conoce ahora como ley de Planck y la constante, h , se llama constante de Planck .
Como puede ver en esta fórmula que aparece aquí, la relación se escribe como:
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Fotones y la naturaleza de la luz
La ley de Planck se aplica a la luz ya que es una forma de radiación electromagnética. Gracias al descubrimiento de Planck, ahora sabemos que la unidad más pequeña de luz es un fotón diminuto , que es una partícula elemental sin masa que tiene algunas propiedades tanto de partícula como de onda. Los científicos llaman a esto dualidad onda-partícula , y resulta que varias partículas elementales, incluidos fotones y electrones, tienen dualidad onda-partícula.
Cada fotón transporta exactamente un cuanto de energía y, según la ley de Planck, la cantidad de energía contenida en cada fotón depende de la frecuencia de la luz. La luz violeta tiene la frecuencia más alta, mientras que la luz roja tiene la frecuencia más baja, por lo que un fotón de luz violeta contiene más energía que un fotón de luz roja.
Teoría atómica
La ley de Planck también proporciona una mejor comprensión de lo que sucede dentro de un átomo. Al igual que los fotones, los electrones también exhiben dualidad onda-partícula y emiten energía en cantidades discretas. En 1913, Niels Bohr utilizó el descubrimiento de Planck para desarrollar un nuevo modelo del interior de un átomo. Dijo que los electrones existen en órbitas específicas, llamadas capas de energía, alrededor del núcleo de un átomo.
En el modelo de Bohr, cuando un electrón se mueve desde una órbita de mayor energía a una órbita de menor energía, emite un fotón. Hoy en día, sabemos aún más sobre la estructura atómica, pero la idea de que los electrones orbitan en distintas capas de energía sigue siendo una parte importante de la teoría atómica moderna.
Resumen de la lección
Dediquemos un par de minutos a revisar lo que hemos aprendido. Max Planck fue un científico alemán que descubrió por primera vez que un cuerpo negro emite energía en cantidades discretas. Estas cantidades discretas se denominan cuantos . Mostró que la cantidad de energía era proporcional a la frecuencia de la radiación que era absorbida por el cuerpo negro, una relación ahora conocida como Ley de Planck .
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La ley de Planck pintó una nueva imagen de la naturaleza de la luz. Ilustró que la luz existe como pequeñas partículas sin masa llamadas fotones que exhiben dualidad onda-partícula , que tienen algunas propiedades tanto de partícula como de onda. Los electrones también exhiben dualidad onda-partícula y su energía también está cuantificada. El estudio de partículas elementales como fotones y electrones se conoce como mecánica cuántica , ¡y todo comenzó con Max Planck!
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