Profesor Jaime Villalobos Velasco Departamento de Física Universidad Nacional de Colombia Marzo 7 2016 ______________________________________________.

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1 Profesor Jaime Villalobos Velasco Departamento de Física Universidad Nacional de Colombia Marzo 7 2016 ______________________________________________

2 PREGUNTA 1 Qué entiende por el término Radiación del Cuerpo Negro, RCN? El cuerpo negro es un sistema físico (ideal)donde un cuerpo por el hecho de estar a una determinada temperatura, emite radiación. Se sabe que la radiación es emitida en todas las frecuencias pero emite más intensamente para una frecuencia específica que se puede calcular sabiendo su temperatura. La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro. La superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el interior es emitida. Según Plank, la intensidad de radiación para cada longitud de onda depende únicamente de la temperatura del cuerpo en questión. longitud de onda G2N29Eliana

3 PREGUNTA 2 Cuáles fueron las principales teorías, y protagonistas, que explicaron el fenómeno de la RCN en el siglo XIX? Desde la antigüedad se había podido observar en la vida cotidiana que los cuerpos calientes emitían luz de diferentes colores en función de su temperatura. Sin ir más lejos, los alfareros contaban con una guía que determinaba las diferentes tonalidades que se obtenían conforme calentaban los materiales. El físico prusiano Gustav Kirchhoff fue quien, en 1859, dio el pistoletazo teórico de salida introduciendo el concepto de “cuerpo negro”, un cuerpo que era un perfecto absorbente y emisor de radiación. cuerpo negro El cuerpo negro imaginario de Kirchhoff era un simple recipiente oscuro con un pequeño orificio en una de sus paredes. Una vez en el interior, la radiación sufre diversas reflexiones en las paredes de la cavidad hasta que acaba siendo completamente absorbida Josef Stefan propuso en 1879 una relación que establecía que la densidad de energía de la radiación del cuerpo negro era proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. El gran físico austríaco Ludwig Edward Boltzmann fue el encargado de conferir cuerpo teórico a la ley de Stefan basándose en el segundo principio de la termodinámica y en la teoría electromagnética de la luz de Maxwell. Por esta razón, la ley obtenida por Stefan se conoce como ley de Stefan-Boltzmann.segundo principio de la termodinámica G2N29Eliana

4 PREGUNTA 2 Cuáles fueron las principales teorías, y protagonistas, que explicaron el fenómeno de la RCN en el siglo XIX? En febrero de 1893, el físico alemán Wilhelm Wien, con 29 años, no dio con la fórmula pero descubrió una sencilla relación matemática que describía el efecto del cambio de temperatura en el espectro de la radiación emitida por el cuerpo negro. En un principio empleó “experimentos mentales” pero viendo que no le aportaban información suficiente, incorporó el uso de métodos y conceptos estadísticos. Como resultado de su estudio encontró que conforme el cuerpo negro se va calentando, el máximo del espectro de la distribución se desplaza hacia longitudes de onda más cortas. Esto significaba, algo tan revelador como que la longitud de onda del máximo de radiación multiplicada por la temperatura de un cuerpo negro es siempre una constante. Es decir, que una vez calculada la constante numérica, midiendo la longitud de onda del pico de emisión a una determinada temperatura, podía calcularse la longitud de onda máxima para cualquier otra temperatura. El resultado de Wien se denomina ley del desplazamiento porque muestra cómo la curva de densidad de energía se desplaza a medida que cambia la temperatura de la cavidad.

5 PREGUNTA 3: Una superficie metálica de 10 cm 2 de área, se encuentra a una temperatura de 2500 K y emite durante un minuto una energía térmica de 4 10 4 J. Encuentre: a) Qué Ley aplica para resolver este problema? b) la energía emitida por la superficie si fuera un cuerpo negro. c) la razón de la Radiancia de esta superficie a la de un cuerpo negro de igual área y a la misma temperatura

6 PREGUNTA 4: Por qué se le denomina Catástrofe UV al modelo de Raleigh-Jeans? Entre 1900 y 1905 lord Rayleigh y James Jeans generaron un cálculo decisivo para definir la densidad de energía en función de la frecuencia. “Era elegante, se deducía de manera lógica a partir de las teorías conocidas… y predecía que un cuerpo negro debería emitir una energía infinita”. A partir del razonamiento termodinámico, pudieron explicar la forma de la curva para frecuencias pequeñas; Wilhelm Wien, físico interesado también en el problema del denominado cuerpo negro, hizo lo mismo para frecuencias grandes, aunque ninguno de los tres, Rayleigh-Jeans y Wien, pudo obtener la forma completa de la curva. La línea punteada representa la teoría clásica, la línea continúa los datos experimentales. Debido a que dicha curva a partir de la fórmula de Rayleigh-Jeans no se ajustaba para longitudes de onda cortas, como se observa en la gráfica 1, la fórmula teórica era inadmisible, a pesar de que su deducción haya sido fundamentada de manera lógica y precisa con el uso de toda la potencia de las ecuaciones de Maxwell. Esto representaba un problema real, la incongruente contradicción con la experiencia a que condujo la estadística clásica, llevó a los contemporáneos a llamar a la situación que así se producía "catástrofe ultravioleta", pues la divergencia se producía para pequeñas longitudes de onda, en la región ultravioleta. Históricamente fue éste el primer caso bien estudiado de completa inadecuación de los conceptos clásicos. La catástrofe ultravioleta, término sugestivo a la importancia de la falla y al inconveniente de los ámbitos académicos, al comprobar cómo un problema se resistía al cálculo más poderoso de la física G2N29Eliana La catástrofe ultravioleta, es un fallo de la teoría clásica del electromagnetismo al explicar la emisión electromagnética de un cuerpo en equilibrio térmico con el ambiente. De acuerdo con las predicciones del electromagnetismo clásico, un cuerpo negro ideal en equilibrio térmico debía emitir energía en todos los rangos de frecuencia; de manera que a mayor frecuencia, mayor energía.teoría clásicaelectromagnetismoemisión electromagnéticacuerpo negro Así lo mostraron Rayleigh y Jeans, por quienes la catástrofe de ultravioleta también se conoce como catástrofe de Rayleigh-Jeans.Rayleigh

7 Qué es la ionosfera Cómo se origina, cómo se estudia, qué se mide, … La ionósfera o termósferaes la parte de la atmósfera terrestre ionizada permanentemente debido a la fotoionización que provoca la radiación solar.atmósfera terrestreionizadafotoionizaciónradiación solar En promedio se extiende aproximadamente entre los 80 km y los 500 km de altitud. La ionosfera también se conoce como termosfera por las elevadas temperaturas que se alcanzan en ella debido a que los gases están en general ionizados.termosferatemperaturasionizados Los gases aparecen ionizados porque esta capa absorbe las radiaciones solares de menor longitud de onda (rayos gamma y rayos X) que son altamente energéticos.rayos gammarayos X Entre las propiedades de la ionosfera, encontramos que esta capa contribuye esencialmente en la reflexión de las ondas de radio emitidas desde la superficie terrestre, lo que posibilita que éstas puedan viajar grandes distancias sobre la Tierra gracias a las partículas de iones (cargadas deelectricidad) presentes en esta capa. ondasradioTierraioneselectricidad