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Desviaciones a la ley de Planck

Área: Física — lunes, 10 de septiembre de 2012

Unos investigadores estudian el comportamiento frente a la radiación electromagnética de partículas nanométricas.

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Podemos aprovechar esta noticia para contar un poco sobre la historia del nacimiento, o uno de los nacimientos, de la Mecánica Cuántica. A finales del siglo XIX parecía que la Física estaba terminada o así lo creía lord Kelvin.
Sin embargo, en 1894 Max Planck se fijó en el espectro del cuerpo negro. Esto es, la radiación que emitía un sistema ideal consistente en un cuerpo que absorbe toda la radiación electromagnética que le llega y cuya emisión sólo depende de su temperatura. Se puede usar una buena aproximación a un cuerpo negro empleando un recipiente hueco cuyo interior es negro y que está calentado por unas resistencias. Si se le hace un agujero que comunique el exterior y el interior por el que pueda entrar y salir radiación, entonces este agujero se comporta como un cuerpo negro, o casi. Puede entrar casi cualquier radiación y la que sale sólo depende de la temperatura del sistema.
La teoría electromagnética de aquel entonces no podía explicar la emisión del cuerpo negro, es decir, el espectro, o cantidad de cada color que el cuerpo negro emitía. Planck, a su pesar, tuvo que introducir el concepto de cuanto de energía para poder llegar a explicarlo. Su trabajo, publicado en 1901, contenía lo que se conoce hoy como ley de Planck, que describe ese espectro continuo del cuerpo negro. La ley de Planck proporciona el perfil de las curvas de emisión según la longitud de onda para una temperatura dada, tal y como se ve en el gráfico de cabecera.
Obsérvese que la emisión a baja temperatura es principalmente infrarroja y que sólo se emite un poco en el rojo. Al subir la temperatura la emisión principal se centra en la gama visible. Si se aumenta aún más la temperatura (no representado en el gráfico) el pico de emisión se centraría en el ultravioleta.
Si sabemos la temperatura de las estrellas es gracias a esta ley, pues una estrella se puede aproximarse a un cuerpo negro (por favor, no confundir cuerpo negro con agujero negro). La emisión continúa de cualquier objeto material a una temperatura dada sigue, más o menos, la ley de Planck. Así por ejemplo, un hierro al rojo es rojo precisamente por esa emisión de cuerpo negro. Por debajo de esa temperatura sólo emite infrarrojo y por encima emite principalmente en amarillo. Si el metal resiste los 3000 grados sin fundirse, como el wolframio de una bombilla, entonces se puede calentar aún más y la emisión se hace en todos los colores del visible, de tal modo que la emisión se aproxima bastante a la luz blanca.
Así que el cuerpo negro y la ley de Planck explican el color de las estrellas, el color del hierro en la fragua o el toque amarillento de nuestras bombillas. También explica la luz blanca del Sol (menos amarillenta que la de las bombillas debido a la mayor temperatura del Sol), con su pico de emisión centrado en esta parte del espectro. Nuestra visión ha evolucionado bajo esa emisión y por eso esa parte del espectro donde está el pico de emisión del cuerpo negro es denominada espectro visible (más o menos entre 400 y 700 nm) y la mezcla de los colores que la compone se nos antoja de color blanco.
Básicamente, en este tipo de casos la emisión se debe a que es la superficie la que actúa como cuerpo negro. Pero, como ninguno de estos objetos se comporta como un cuerpo negro ideal normalmente se aplica un factor de corrección denominado emisividad espectral, que depende de las propiedades de la superficie del objeto.
Sin embargo, la aplicabilidad de la ley de Planck tiene que tener sus límites, pese a las correcciones que introduzcamos. No deberíamos poder usarla en todos los objetos que se nos antojen, sobre todo si son muy pequeños. A fin y al cabo, recordemos que la mejor aproximación que tenemos a un cuerpo negro es un agujero practicado en una cavidad caliente.
El efecto de la superficie está claro para objetos macroscópicos, pero ¿qué pasa cuando el objeto es muy pequeño? Si el objeto tiene un tamaño del orden de la longitud de onda de trabajo unos investigadores han descubierto que la ley de Planck no es aplicable.
Christian Wuttke y Arno Rauschenbeutel, de la Universidad Tecnológica de Viena han investigado este asunto usando nanofibras de silicio de 500 nm de diámetro. En este caso, la longitud de onda de la radiación que emiten debido a su temperatura es del orden del objeto emisor. No solamente es la superficie la que emite, sino que la radiación producida en el interior puede escapar fácilmente al exterior. Debido a esta contribución del interior una partícula emitirá una radiación que dependerá además de su tamaño y geometría.
La ley de Planck falla en este caso aunque se corrija, por lo que los autores han tenido que usar la teoría de la electrodinámica fluctuacional para modelar el problema de la emisión de radiación por parte de partículas pequeñas. En esta teoría se tiene en cuenta la geometría del objeto y permite describir bien su emisión.
¿Y para qué sirve esto? Se podría usar para hacer bombillas más eficientes, pero los sistemas LED parece que van ser los que nos iluminen en el próximo futuro y las bombillas tradicionales van a ser ilegalizadas pronto. Así que no parece que por ahí haya muchas aplicaciones. El interés está más bien en los modelos climáticos.
Resulta que entre las cosas que no se entienden bien en climatología está el papel de las partículas y aerosoles de la atmósfera. Su efecto como objetos que absorben y emiten radiación puede tener una contribución importante al clima, sobre todo ahora que hay interés en el cambio climático. Saber cómo se comportan es, por tanto, crucial.
Un ejemplo del efecto de las partículas lo tenemos en la erupción del volcán Pinatubo, que eyectó 20 millones de toneladas de dióxido de azufre en la atmósfera, compuesto que reaccionó con otras sustancias produciendo partículas de aerosol. Estas partículas interaccionaron con la luz del sol de tal modo que la temperatura media del planeta bajó medio grado durante dos años.
Esperemos que este tipo de resultados no de alas a aquellos que pretenden hacer geoingeniería climática introduciendo todo tipo sustancias en la atmósfera para así rebajar la temperatura del planeta. Al fin y al cabo, solucionar con emisiones humanas algo causado por las emisiones humanas no parece que tenga consistencia lógica, salvo la que da el beneficio económico de unos cuantos, que envenenan al sano para luego vender la medicina salvadora al paciente recién conseguido.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3912

Fuentes y referencias:
Artículo en ArXiv.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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13 Comentarios

  1. tomás:

    Me consuela que el hueco sea interior.
    Dice que el agujero similar al cuerpo negro deja entrar y salir radiación, pero no especifica que la que entra es de cualquier frecuencia y el agujero no es perpendicular a la superficie, de modo que lo que entra, en la práctica, no puede salir, mientras que el calor de las resistencias, sí pueden escapar.
    “Solucionar con emisiones humanas algo causado por emisiones humanas…” es una argumentación espúrea. Como lo sería si se dijera de un intoxicado por medicación que no se le puede salvar con otra medicación o que la aación humana de Chernobil no puede minorarse con otra acción humana de recubrimiento. Aunque estoy de acuerdo en que todo ha de estudiarse con gran detalle antes de decidirse a una aventura de ese u otro tipo, como lo del hierro en los océanos, p. e.

  2. Miguel Angel:

    ¿Qué ha pasado con los LED baratos de silicio? Según esta noticia ya tendrían que estar disponibles:

    http://neofronteras.com/?p=1228

    Saludos/abrazos

  3. NeoFronteras:

    Se podían comprar en grandes superficies a precios muy baratos hace más de un año.

  4. tomás:

    ¡Pero qué antipático soy en mi 1, estimado Neo! No debí comenzar bien ese día y sin embargo no suelo ser tan desagradable como para sacarle punta a todo lo que encontré en el artículo. Mil perdones.

    Es que tanta hipocresía en lo de la diada, tanta cortina de humo para ocultar una bancarrota, tan pésima administración, tanto xoriço amb seny, tanto chovinismo, tanto votar con la cartera y con el egoismo, me inerva hasta el humor. ¿Por qué es tan fácil engañar a la gente? ¿Cómo es posible que seamos tan inocentes, tan tontos?

    De todas formas, de tu 3, te ruego me aclares si hace más de un año se podían comprar y ahora no o si se pueden comprar desde hace más de un año.

    Un abrazo muy cordial y sincero.

  5. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Yo compré una de esas “bombillas” LED (de rosca y 220 V de fabricación china) por un precio ridículo en una gran superficie. Consume 5 vatios y alumbra como una bombilla tradicional de 25w. Desde entonces está en mi salón y me arrepentí de no haber comprado más porque al parecer importaron sólo un lote. Querrán dar salida al stock de tradicionales y fluorescentes porque ya no se encuentran en ese mismo hipermercado, quizás sí en otros.

    En cuanto al tema político, es fácil manipular a la gente, sobre todo si es ignorante frente a muchas cosas y se apelan y fomentan sus instintos más básicos. Básicamente los políticos crean el problema y pretender ser los depositarios de la solución, cuando en realidad lo que hacen es empeorar aún más el problema. Sólo hay que ver cómo se hacen con el control de los medios de comunicación públicos para manipular la información que llega a la gente. Ya no hay información veraz y objetiva, todo está manipulado.
    Aunque se sale del tema de este hilo, un análisis de la situación (aunque con solución propuesta discutible) se puede leer aquí:

    http://politica.elpais.com/politica/2012/09/08/actualidad/1347129185_745267.html

  6. tomás:

    El artículo de C. Molinas no tiene desperdicio. No me aclaro muy bien con el tema de las renovables; quizá -al menos para mi- debiera explicarlo más ampliamente.
    Gracias por la información. Lo pasaré a algún amigo que está tan indignado como yo.
    Por curiosidad ¿por qué suele subrayarse como falta -en rojo- aquello que termina en “mente”?

  7. Miguel Angel:

    También he leído el enlace que nos brinda Neo, pero no creo que la solución que se propone mejore sustancialmente el panorama. Tal vez hagan falta unas gotitas del espíritu de políticos como el recientemente fallecido Vaclav Havel (ex-presidente de la antigua Checoslovaquia), autor de estas bellas palabras que recoge Punset en uno de sus libros:

    “La política es una actividad humana que requiere, más que otras, sensibilidad moral; reflexionar críticamente sobre uno mismo; asumir sin subterfugios las responsabilidades que incumben a los políticos; desplegar elegancia y tacto; ponerse en el lugar de los demás; ser humilde y moderado; ser responsable de algo que está por encima de mi familia, de mi país, de mi empresa, de mi propio éxito”.

  8. lluís:

    ” si el objeto tiene un tamaño de la longitud de onda de trabajo”. ¿Longitud de onda de trabajo?, ¿que signifíca esto?.¿Se refiere al objeto muy pequeño con el que se “trabajó” en esta investigación?.

  9. NeoFronteras:

    Viene a decir que el tamaño del objeto es de un tamaño comparable a la longitud de onda del pico de emisión que debería emitir un cuerpo negro a la temperatura de trabajo.
    Se podría trabajar con un experimento a 3K, pero entonces estaríamos en la gama de microondas ya no hablaríamos de nanofibras.

  10. JavierL:

    Muchas gracias por el enlace neo, me encanto

  11. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Pues sí, ese asunto de las renovables habría que aclararlo porque es bastante confuso. Pero parece que nadie tiene realmente información veraz sobre el tema, aunque sí muchas opiniones. Parece que incluso con el asunto de la energía solar (y en España) lo hacemos mal.
    Básicamente España tiene excedentes en energía eléctrica porque se instalaron demasiadas centrales de ciclo combinado y ahora no son rentables. Y la solar creció a base de unas subvenciones mal planificadas.
    Al final, pese a producir mucho se paga la electricidad más cara de Europa.

    No entiendo lo que quiere decir con eso de las correcciones de las palabras acabadas en “mente”.

  12. tomás:

    Estimado Neo:
    Ahora estoy tratando de escribir algunas: correctamente, ampliamente, sorprendentemente, circunstancialmente, etc., y todas, salvo “correctamente” me salen subrayadas en rojo. Hasta me ha extrañado esa excepción. Y siempre ha sido así.
    Un cordial saludo.

  13. NeoFronteras:

    Eso depende del corrector utilizado. Ninguno es perfecto y los que se instalan en los navegadores son demasiado sencillos. Si se usa word o similares también el corrector comete errores. Es de suponer que no entiende el conjunto “palabra+mente” sólo entiende la palabra acabada en mente si está en la lista.
    En todo caso NeoFronteras no tiene instalado ningún corrector, aunque haya algunas web que lo tengan.

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