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19 octubre 2017

Max Planck; la Ley de la emisión del cuerpo negro (la Ley de Planck)

Comparto con el permiso del autor: "A hombros de gigantes. Ciencia y tecnología": https://www.facebook.com/pages/A-hombros-de-gigantes-Ciencia-y-tecnología/550658241716954?ref=hl



El 19 de octubre de 1900, en su casa de Grunewald, a las afueras de Berlín (Alemania), el físico alemán Max Planck descubría la radiación electromagnética emitida por un cuerpo a una temperatura dada, denominada Ley de Planck, que explica el espectro de emisión de un cuerpo negro
(Planck, M. (1900). "Über eine Verbesserung der Wien'schen Spectralgleichung". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2: 202–204 y Planck, M. (1900b). "Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2: 237–245).

Esta ley se convirtió en una de las bases de la mecánica cuántica, que emergió formalmente, también de la mano de Planck en diciembre del mismo año.

En 1918, Planck fue galardonado con el Premio Nobel de Física «por su papel jugado en el avance de la física con el descubrimiento de la teoría cuántica».

Max Karl Ernest Ludwig Planck (Kiel, Alemania, 23 de abril de 1858 – Gotinga, Alemania, 4 de octubre de 1947) se matriculó para el curso 1874/75 en la Facultad de Física de la Universidad de Múnich. Allí, bajo la tutela del profesor Jolly, Planck condujo sus propios experimentos (por ejemplo sobre la difusión del hidrógeno a través del platino caliente) antes de encaminar sus estudios hacia la física teórica.

El curso 1877/78 lo realizó en Berlín, en la Universidad Friedrich-Wilhelms, donde recibió las enseñanzas de los célebres físicos Hermann von Helmholtz y Gustav Kirchhoff.
Su tesis de doctorado, llevó por título «Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie» (Sobre el segundo principio de la termodinámica) y que presentó en 1879 en Múnich, con 21 años. Volvió a Múnich en 1880 para ejercer como profesor en la universidad. En 1889, volvió a Berlín, donde desde 1892 fue el director de la cátedra de Física teórica.

El 19 de octubre de 1900, descubrió la ley de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo a una temperatura dada, denominada Ley de Planck, que explica el espectro de emisión de un cuerpo negro (Planck, M. (1900). "Über eine Verbesserung der Wien'schen Spectralgleichung".

 Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2: 202–204 y Planck, M. (1900b). "Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2: 237–245).

Esta ley se convirtió en una de las bases de la mecánica cuántica.

La ley de Planck describe la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro en equilibrio térmico en una temperatura definida. Se trata de un resultado pionero de la física moderna y la teoría cuántica.

La intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro (o radiancia espectral) con una cierta temperatura T y frecuencia viene dada por la ley de Planck donde I(v,t) dv es la cantidad de energía por unidad de área, unidad de tiempo y unidad de ángulo sólido, h es una constante que se conoce como constante de Planck; c es la velocidad de la luz; y k es la constante de Boltzmann.

El trabajo de Planck supuso el comienzo de la mecánica cuántica, lo que llevó consigo un cambio de mentalidad en la manera de comprender los fenómenos de la naturaleza a escala atómica.

El 14 de diciembre del año 1900, Max Planck expuso sus ideas sobre la física cuántica en una reunión de la Sociedad de Física alemana, revolucionando la comprensión de los científicos de la época sobre la física.

Planck demostró que en ciertas situaciones la energía exhibe características de la materia física, algo impensable en ese momento. Sugirió la explicación de que la energía existe en paquetes discretos, a los que llamó "quanta".

Planck había descubierto una constante fundamental, la denominada constante de Planck, usada para calcular la energía de un fotón. Esto significa que la radiación no puede ser emitida ni absorbida de forma continua, sino solo en determinados momentos y pequeñas cantidades denominadas cuantos o fotones. La energía de un cuanto o fotón depende de la frecuencia de la radiación:
E = hv
donde h es la constante de Planck y su valor es 6,626 por 10 elevado a -34 julios por segundo o también 4,13 por 10 elevado a -15 electronvoltios por segundo. Denotada como h, es la constante que frecuentemente se define como el cuanto elemental de acción. Planck la denominaría precisamente «cuanto de acción» (en alemán, Wirkungsquantum), debido a que la cantidad denominada acción de un proceso físico (el producto de la energía implicada y el tiempo empleado) solo podía tomar valores discretos, es decir, múltiplos enteros de h.

Fue inicialmente propuesta como la constante de proporcionalidad entre la energía E de un fotón y la frecuencia f de su onda electromagnética asociada. Esta relación entre la energía y la frecuencia se denomina «relación de Planck»:
(Planck, Max. (1901). “Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum.” Annalen der Physik, vol. 309, issue 3 pp. 553–63 (1901).

La constante de Planck surgió tras un estudio experimental del cuerpo negro que condujo a una discrepancia entre los resultados experimentales y los obtenidos aplicando las leyes de la Física clásica.

Según la ley de Stefan-Boltzmann, la radiancia espectral de los cuerpos aumenta rápidamente con la cuarta potencia de la temperatura y, además, se desplaza hacia frecuencias mayores (ley de desplazamiento de Wien). El problema surgió al calcular la energía absorbida por el cuerpo negro a una temperatura dada mediante el teorema de la equipartición de energía, pues a medida que la frecuencia crecía la predicción teórica tendía a infinito mientras que los experimentos mostraban que la densidad de energía siempre es finita y tiende a cero para frecuencias muy altas.

Este comportamiento irreal de las teorías clásicas a las altas frecuencias es conocido como «catástrofe ultravioleta». Planck estaba interesado en dar sentido a este dilema; para lograrlo, decidió considerar la energía absorbida y emitida por el cuerpo negro en forma de «paquetes» discretos. Al realizar los cálculos de acuerdo con este procedimiento, y mediante un trabajo numérico, obtuvo una buena concordancia entre los resultados experimentales y los teóricos, introduciendo una constante que posteriormente fue conocida como la constante de Planck (h)

En 1905 se publicaron los primeros estudios del desconocido Albert Einstein acerca de la teoría de la relatividad, siendo Planck unos de los pocos científicos que reconocieron inmediatamente lo significativo de esta nueva teoría científica.

Planck también contribuyó considerablemente a ampliar esta teoría. La hipótesis de Einstein sobre la ligereza del quantum (el fotón), basada en el descubrimiento de Philipp Lenard de 1902 sobre el efecto fotoeléctrico, fue rechazada inicialmente por Planck, así como la teoría de James Clerk Maxwell sobre electrodinámica.

En 1910 Einstein precisó el comportamiento anómalo del calor específico en bajas temperaturas como otro ejemplo de un fenómeno que desafía la explicación de la física clásica. Planck y Walther Nernst para clarificar las contradicciones que aparecían en la física organizó la primera Conferencia Solvay, realizada en Bruselas en 1911. En esta reunión, Einstein finalmente convenció a Planck sobre sus investigaciones y sus dudas. A partir de aquel momento les unió una gran amistad, siendo nombrado Albert Einstein profesor de física en la universidad de Berlín mientras que Planck fue decano.

Desde 1905 hasta 1909, Planck fue la cabeza de la Deutsche Physikalische Gesellschaft (Sociedad Alemana de Física). En 1913, se puso a la cabeza de la universidad de Berlín.

En 1918 recibió el Premio Nobel de física por la creación de la mecánica cuántica. Desde 1930 hasta 1937, Planck estuvo a la cabeza de la Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (KWG, Sociedad del emperador Guillermo para el Avance de la Ciencia).

Durante la Segunda Guerra Mundial, Planck intentó convencer a Adolf Hitler de que perdonase a los científicos judíos.

Max Planck profundizó en el estudio de la teoría del calor y descubrió, uno tras otro, los mismos principios que ya había enunciado Josiah Willard Gibbs (sin conocerlos previamente, pues no habían sido divulgados). Las ideas de Clausius sobre la entropía ocuparon un espacio central en sus pensamientos.

Tras la muerte de Max Planck el 4 de octubre de 1947 en Gotinga, la KWG se renombró a Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (MPG, Sociedad Max Planck).

La Sociedad Max Planck para la Promoción de las Ciencias (en alemán Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.) (MPG) es una red de institutos de investigación científica en Alemania. El nombre honra la memoria de Max Planck, el físico alemán que inició la mecánica cuántica. Esta institución sustituyó a la Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft y es una organización independiente y sin ánimo de lucro fundada por los gobiernos federal y estatal de Alemania.

La Sociedad Max Planck tiene reputación mundial como organizanización de investigación de ciencia y tecnología. En 2006, las clasificaciones del Times Higher Education Supplement de instituciones de investigación no universitarias (basados en la revisión de sus pares internacionales) colocaron a la Sociedad Max Planck como la número 1 en investigación científica y la número 3 en investigación tecnológica a nivel mundial.


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