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1º En el siglo XIX se sabía, en base al electromagnetismo de Maxwell y la termodinámica, que cualquier cuerpo con una determinada temperatura emitiría radiación electromagnética. Experimentalmente se encontró que un cuerpo caliente emitía en todas las frecuencias, teniendo un máximo de emisión a una frecuencia característica función de la temperatura, pero emitiendo en el resto de frecuencias:
2º La gente se puso a intentar justificar, con el electromagnetismo y la termo la forma de esa curva. Es decir, se pretendía encontrar la función de emisión frente a frecuencia que tenía como gráfica esa curva.
3º Lo que se encontró fue que la teoría clásica predecía que conforme se aumentaba la frecuencia la emisión se haría infinita. A esto se le llama catástrofe ultravioleta o catástrofe Rayleigh-Jeans:
Nota: En las gráficas estamos poniendo potencia de emisión/longitud de onda
Longitud de onda corta = alta frecuencia
Se ha de cumplir que .
4º Pero además se encontró que ocurría lo mismo si uno empezaba a describir el espectro desde frecuencia largas y iba a frecuencias bajas: La catástrofe infraroja:
5º Osea que la situación con la física clásica era la siguiente: Podíamos estudiar frecuencias altas (pero la radiación se iba a infinito al ir a frecuencias bajas) o estudiar frecuencias bajas (pero la radiación se iba a infinito a ir a frecuencias altas). Para entendernos, la teoría clásica era incapaz de obtener el pico de emisión, la joroba de la curva.
6º Entonces Planck, que era un experto termodinámico y que no estaba de acuerdo con las teorías mecánico estadísticas (Boltzmann) que daban una interpretación de la entropía como el (logaritmo del) numero de estados microscópicos que dan el mismo estado macroscópico, se empeño en sacar la curva completa, incluida la joroba.
Para ello tuvo que hacer lo siguiente:
Interpolar entre la rama de Rayleigh-Jeans y la de Wien. Si, justo eso, interpolar ni más ni menos. Y obtuvo la curva.
¿Qué precio tuvo que pagar?
a) Tuvo que asumir en su cálculo la versión estadística de la termodinámica que no le gustaba nada en absoluto.
b) Se encontró que la única forma de justificar la interpolación desde un punto de vista físico era diciendo lo siguiente: La energía que un sistema físico puede emitir o absorber en forma de radiación ha de ser un múltiplo entero de hf.
Esa h, que Planck introdujo esa constante indeterminada para ajustar su valor para reproducir la curva experimental, tuvo que asumir que era una constante universal que regía los intercambios energéticos de los sistemas microscópicos.
Bien, hemos de recordar que antes de Planck no había cuántica, por lo que era difícil que hubiera llegado de otra forma, "esta aparentemente es chapucera", pero claro tras la introducción de h por parte de Planck se pudo explicar:
- Efecto fotoeléctrico
- Efecto Compton
- Modelo Atómico de Bohr
- Modelo Atómico de Bohr-Somerfeld
- Y la mecánica cuántica....
Pero, ¿qué es un cuerpo negro?
Es un cuerpo que toda la radiación que absorbe la emite, osea que es un cuerpo que emite en todas las frecuencias y absorbe todas las frecuencias, encontrándose en un equilibrio entre la absorción y la emisión.
Evidentemente tales cuerpos no existen son idealizaciones. Pero idealizaciones no muy ideales, un horno, una estrella, o el universo se amoldan bien a cuerpo negro.