La Radiación del cuerpo negro y la puesta en marcha de la Mecánica Cuántica

Breve historia y sus principales protagonistas

Las primeras pasos se dieron para explicar un problema candente de finales del siglo XIX: el espectro de radiación del cuerpo negro.

Un objeto en equilibrio térmico con su entorno a una temperatura T, en parte absorbe (para luego emitir) y en parte refleja la radiación que recibe de su entorno en forma de ondas electromagnéticas de distintas frecuencias. Si la superficie de tal cuerpo fuera capaz de absorber toda la radiación electromagnética que incidiera sobre el sin reflejar nada se vería de color negro y por este motivo se denomina cuerpo negro. Las predicciones teóricas para el espectro de emisión de la radiación del este objeto dadas por la física clásica no podían ajustar los resultados experimentales y daban lugar a una predicción completamente errónea en la región de las altas frecuencias que se conoció como catástrofe ultravioleta.

El problema fue explicado por Planck en octubre de 1900, basándose en que la energía no toma valores continuos sino que está cuantificada:

E=n h f donde f es la frecuencia, h la constante de Planck, y n=0,1,2,3,…, son números naturales, logrando reproducir con absoluta fidelidad los resultados experimentales. Esta idea de Planck condujo luego a Einstein en 1905 a dar una explicación teórica del efecto fotoeléctrico: considerando a la luz compuesta por partículas (fotones) cada uno con energía hf. El efecto fotoeléctrico se produce cuando luz de una determinada frecuencia incide sobre un metal y arranca electrones del mismo generando una corriente electrica medible. El efecto había sido descubierto por Hertz en 1887, pero no se había podido explicar mediante la física clásica.

En 1913 Bohr extiende estas ideas de Planck y Einstein y sobre la base del modelo atómico propuesto por Rutherford introduce el llamado Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno con el que logra explicar los niveles de energía y espectros atómicos De Broglie en su tésis doctoral en 1924 postula que la materia se comporta también como una onda, dando un gran paso adelante. En 1927 Heisenberg introduce Principio de Incertidumbre: Cuanto más preciso sea el conocimiento de la posición de una partícula, más impreciso será el de su velocidad (o impulso P= m V) aquí.

La formulación general de la Teoría Cuántica la realizan Heisenberg-Schrodinger y Dirac entre 1925 y 1926 dando un Marco general para describir sistemas físicos, desde partículas elementales, núcleos y átomos.... y hasta estructura estelar. La teoría implica limitaciones a la precisión con que se puede caracterizar el estado de un sistema, pero realiza predicciones muy precisas sobre los valores medibles de cantidades físicas (energía, spin, etc.) asignando valores discretos (en lugar de continuos)