Temperatura y radiación

Todos los átomos tienen cargas eléctricas y están en agitación constante. Por esta razón los átomos de los cuerpos emiten radiación electromagnética.

En los materiales calientes, los átomos se agitan en diferentes direcciones y chocan entre sí, sus electrones se alejan o se acercan a los núcleos atómicos de maneras muy variadas. En estos procesos, un poco de energía electromagnética escapa al espacio con una frecuencia que depende del tipo de proceso en el que se origina. Un mismo cuerpo puede emitir ondas electromagnéticas de distintas frecuencias, conjunto que se llama espectro de emisión.

El espectro de emisión en cada cuerpo varía con la temperatura. Cuando un material recibe calor y su temperatura aumenta, comienza a emitir ondas en frecuencias del infrarrojo cercano, perceptibles por nuestra piel. Si la temperatura supera los 700ºC, el cuerpo comenzará a brillar porque emite ondas de frecuencias visibles. Si la temperatura siguiera en aumento, la luz emitida por el cuerpo pasaría del color rojo al anaranjado y, luego, al amarillo. Si la temperatura de un cuerpo aumenta todavía más, emitirá luz de todas las frecuencias visibles, y como resultado brillará con luz blanca.

Si la temperatura sigue aumentando, empieza a emitir radiaciones de mayor frecuencia que las visibles, como la radiación ultravioleta. Y si está lo suficientemente caliente; de manera que ya no hay ni siquiera moléculas, porque se han roto, ni tampoco átomos, porque las cargas eléctricas se han separado; emite rayos X.

En 1964, los astrónomos Arno Penzias y Robert Wilson comenzaron a usar una gran antena para medir las ondas de radio emitidas por distintas zonas de la Vía Láctea. Para su sorpresa, descubrieron que, cualquiera fuera la dirección en que orientaban la antena, detectaban un ruido de fondo de microondas de unos 7,35 cm de longitud de onda, correspondiente a la que emite un cuerpo a una temperatura de unos – 270 ºC. Esta radiación eran los restos de la que había producido en el origen del Universo, y que hoy todavía, mucho más enfriada, lo recorre en todas direcciones.

Explicación de la radiación de un cuerpo negro:

A medida que se iba develando la compleja estructura del átomo, los investigadores veían que estaba más cerca la explicación de los procesos por los cuales la materia emitía o absorbía radiación. Sin embargo, al intentar explicar la radiación térmica emitida por un cuerpo caliente, los físicos se encontraron con un problema que se resistía a encuadrarse dentro de los conocimientos de la Física clásica (la Mecánica de Newton y el electromagnetismo de Maxwell). Fue el comienzo del fin de una forma de ver el mundo.

En las cercanías de un objeto muy caliente, como una estufa o un leño encendido nuestra piel percibe el calor que nos llega en forma de ondas infrarrojas. Pero no sólo los cuerpos muy calientes emiten ondas electromagnéticas: en realidad, todo cuerpo cuya temperatura sea superior al cero absoluto lo hace. Para las temperaturas que percibimos cotidianamente, la mayor parte de la energía se emite en el rango infrarrojo y un poco en el visible. En general, un cuerpo sólido emite todo un espectro de ondas.

Tengamos en cuenta que lo que se quiere investigar es la radiación que emite un cuerpo y no la que refleja al ser iluminado.

El espectro de dos cuerpos cualesquiera, a la misma temperatura, difiere dependiendo del material y de la forma que tengan. Para estudiar el problema de la radiación se eligió un cuerpo patrón ideal, que emitía y absorbía energía con eficiencia máxima, llamado cuerpo negro.

Consistía en una cavidad con un pequeño orificio por donde salía la radiación a analizar, cuando las paredes se calentaban hasta una temperatura determinada. Independientemente del material con que estén fabricados, los espectros de los cuerpos negros a la misma temperatura son idénticos.

Experimentalmente se habían hallado los espectros de emisión de cuerpos negros a diversas temperaturas. Y se observaron dos características importantes:

E aumenta proporcionalmente con  T4

1. A medida que la temperatura aumenta, la cantidad de energía emitida es mayor. En particular, la energía aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (ley de Stefan-Boltzmann):

2. Un cuerpo emite mayor cantidad de energía en una longitud de onda determinada. A medida que la temperatura aumenta esta longitud de onda se hace más pequeña, cumpliéndose la ley de Wien:

µmáxima T = constante

Ley de Wein: Energía radiante por un objeto caliente a distintas longitudes de onda