Emisión de luz

[Pola]

Buenos días. Abro este hilo para ver si alguien pudiera explicarme la manera en que el hilo al rojo vivo de una bombilla emite fotones.

Un saludo

[JCB]

Hola a tod@s.

Aunque quizás no es la respuesta que estás esperando, Pola, escribo el siguiente cálculo.

La luz roja tiene una longitud de onda $\lambda=700\ nm=7\cdot 10^{-7}\ m$

La energía de un fotón de luz roja es $E=h\nu=\dfrac{hc}{\lambda}=2,8377\cdot 10^{-19}\ J$

Suponiendo una bombilla de incandescencia de $60\ W$ de potencia (prohibidas en Europa desde el año 2012),

$P=\dfrac{nE}{t}$

$\dfrac{n}{t}=\dfrac{P}{E}=2,1143\cdot 10^{20}\ \text{fotones/s}$

Espero no haber escrito un disparate.

Editado para tener en cuenta que el rendimiento luminoso de una bombilla de incandescencia está entorno al 15 %: solo 9 W de los 60 W absorbidos se aprovechan para producir luz. De todas formas, la luz emitida no es monocromática (con una sola longitud de onda), así que no hagáis mucho caso de este mensaje.

$\dfrac{n}{t}=\dfrac{P}{E}=3,1715\cdot 10^{19}\ \text{fotones/s}$

Saludos cordiales,
JCB.

[javisot20]

Saludos una respuesta breve ( y no numérica), "Cuando se calienta un metal, se proporciona energía a sus átomos y esto hace que el metal emita fotones con longitudes de onda distintas desde infrarrojo (que no vemos), luego a rojo, si calentamos más se volverá amarillo, si calentamos mucho más azul. Por eso el metal va cambiando de color según cuánto lo calentemos."


Edison consiguió estabilizar este proceso al darse cuenta que debía aislar el filamento y favorecer unas condiciones para evitar su desgaste. (Sin entrar en la polémica de si es correcto considerarle el inventor)

[Richard R Richard]

Buenos días. Abro este hilo para ver si alguien pudiera explicarme la manera en que el hilo al rojo vivo de una bombilla emite fotones.

Un saludo

Hola todo cuerpo, por hallarse constituido por átomos, en todo momento, se encuentra por así decirlo excitado, es decir tiene una energía extra en su interior que llamamos energía interna, por el primer principio de la termodinámica intentará ceder su energía a otro cuerpo o al medio, hay tres formas de transmitir esa energía en forma de calor, conducción convección y radiación, esta última es la que nos ocupa ahora.

Entonces podemos decir que un cuerpo emite Radiación térmica, una parte del espectro de ondas de la radiación electromagnética (calor) al medio, y el medio también le devuelve calor al cuerpo del mismo modo a través de radiación electromagnética.

La cantidad de calor que transmite por unidad de tiempo un cuerpo es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta a la que se encuentra, es decir se rige por la Ley de Stefan-Boltzmann

Así un cuerpo a mas temperatura emite más radiación que uno a menor temperatura, todo el proceso continua hasta que el flujo neto de calor se iguala cuando las temperaturas son iguales (principio cero de la termodinámica),

la frecuencia o longitud de onda electromagnética es función directa de la temperatura, por eso podemos medir la temperatura de las estrellas en miles o millones grados o incluso la del fondo cósmico de microondas, que se corresponde con temperaturas de 3.75K ,convengamos que no todos los fotones son emitidos exactamente con la misma frecuencia, sino que siguen una curva de distribución y su máximo está ligado con la temperatura de acuerdo con la Ley de desplazamiento de Wien.


Entonces recapitulando, Una fuente de energía eléctrica por el medio que sea provoca la elevación del campo eléctrico en el interior de un conductor, ese campo mueve los electrones libres del conductor, en la dirección del campo, pero al no ser ideal el conductor, a la vez se opone en mayor o menor medida según su resistividad al flujo de electrones, de ese modo se excitan las capas electrónicas del átomo, que comenzará a vibrar con mayor intensidad a medida que aumenta su velocidad cuyo cuadrado que esta en relación directa con su energía interna , Es decir su resistencia al flujo de electrones provoca un aumento de temperatura.

La temperatura de equilibrio será aquella en que la potencia resistida sea igual a la potencia disipada por radiación a esa temperatura. Y si la temperatura es lo suficientemente elevada, la frecuencia de la emisión electromagnética pasara del infrarrojo al espectro visible, donde reconoceremos toda clase de colores o bien su mezcla (luz blanca) ya que como dije no siempre todos los fotones emitidos tienen la misma frecuencia. Cuando la diferencia de potencial entre los bornes del filamento es lo suficientemente grande como para que este no pueda emitir toda la potencia que resiste, aumentara tanto su temperatura que pasara la de su punto de fusión y se fundirá, dejando de funcionar. Como a mayor temperatura todos los elementos conductores son propensos a combinarse químicamente con el oxígeno atmosférico variando drásticamente así sus propiedades y fundiendo más rápido, es que se opta por rodear el filamento de una atmósfera libre de oxígeno, así el nacimiento de la bombilla o ampolla de vidrio.

Los letreros de neón, xenón, y otros gases nobles, no tienen filamento, y se basan en el proceso de excitación del gas por una gran diferencia de potencial, y su posterior desexitación, emitiendo fotones todos dentro de un rango de frecuencia muy corto y dentro del rango de la luz visible.
Los LASER y los LED son sistemas donde se aprovechan otras propiedades de cristales y semiconductores, para emitir fotones en las frecuencias deseadas...

Este es un pantallazo divulgativo, si hilas fino verás que todo tiene su trasfondo más complejo, pero espero haberte dado un idea básica del proceso.

[Pola]

Muchas gracias por las respuestas.

Creo que he sido muy poco concreto con la pregunta.

La luz son fotones. Así que pensé que para emitir luz, un cuerpo tiene que emitir fotones. Mi duda es de dónde salen ésos fotones.

Sé que un átomo simple (de hidrógeno) solo tiene un electrón que se encuentra en su estado fundamental de mínima energía. Y que se puede excitar con un rayo láser y hacer que el electrón salte momentáneamente a un nivel superior absorbiendo ésa energía. Luego la pierde, decae de nuevo a su estado fundamental y emite entonces un fotón.

Me preguntaba si ésa es la manera de emitir fotones de la resistencia de una bombilla: si al recibir la energía de la corriente eléctrica, hace que los electrones de todos sus átomos estén constantemente saltando a capas superiores y decayendo con una frecuencia muy elevada de manera que en cada ciclo se emita un fotón o si la emisión de luz se produce de otra manera.

Gracias

[Richard R Richard]

Muchas gracias por las respuestas.
Me preguntaba si ésa es la manera de emitir fotones de la resistencia de una bombilla: si al recibir la energía de la corriente eléctrica, hace que los electrones de todos sus átomos estén constantemente saltando a capas superiores y decayendo con una frecuencia muy elevada de manera que en cada ciclo se emita un fotón o si la emisión de luz se produce de otra manera.

Hola Pola , no es el mismo mecanismo, la energía interna se almacena en todo el átomo como energía cinética (ver Teoría cinética de los gases), para el modelo del hidrógeno tanto en el protón como en el electrón, pero como la masa del electrón es pequeña respecto del protón, es este ultimo y en general los núcleos y no lo electrones los que se estarán moviendo y almacenando la energía térmica, en redes cristalinas estos oscilan alrededor de una posición de equilibrio determinada, mas vibración mas temperatura, el estado 0K de temperatura se teoriza imposible de alcanzar , requiere ralentizar el movimiento de las partículas que componen el átomo, se ha logrado hasta la millonésima de kelvin pero no el cero absoluto.

Es justamente el hecho de que el medio siempre le envía energía al sistema lo que no permite llegar a ese valor absoluto. la radiación es la forma natural que tienen lo átomos de liberar su energía interna con el objeto de alcanzar el equilibrio térmico con el resto del universo., los paquetes de energía que se emiten tienen un valor energético proporcional a la frecuencia emitida , y esta una distribución de valores muy cercana a un pico , o máximo de la ley de Planck. cada vez que se emite un fotón, el estado energético interno general del átomo disminuye, y esto es función exclusiva de la temperatura, es decir cada vez que un cuerpo radia fotones su temperatura disminuye, y los subsiguientes fotones emitido serán en promedio menos energéticos (concecuencia vez mas difícil de extraerle energía, se necesitan mas fotones para extraer el mismo contenido energetico), el medio por su parte le irradia otros fotones, los cuales puede absorber o reflejar, si los absorbe aumenta su energía interna, y por lo tanto su temperatura.
Existe entonces un flujo neto de fotones entre el medio y el cuerpo, si se pierde mas de lo que se gana, entonces la temperatura cae y viceversa. En el caso que el medio y el cuerpo alcancen la misma temperatura , la intensidad de radiación en ambos sentidos es la misma, sus contribuciones se suman ,resultando en que el flujo total es cero,( que no significa que no haya emisión) y la temperatura no varia, a esto le llamamos equilibrio térmico.

Recuerda que en ciencia solo sabemos y en partes los "como" suceden las cosas y no lo "porque" suceden las cosas. El tratamiento cuántico de la radiación electromagnética me excede.

[Pola]

Gracias de nuevo por tu atención y por tu paciencia, Richard.

Si he entendido bien, la corriente eléctrica calienta más al núcleo y a los protones que a los electrones y su manera de eliminar temperatura es emitir fotones. Lo que no entiendo es cómo ésa vibración se transforma en fotones.

[javisot20]

Para entender eso hay que entender la radiación de cuerpo negro, intentaba copiar el enlace de wikipedia pero no puedo..

[Pola]

Pues he estado mirando en wikipedia y en hyperphysics pero la verdad, no soy capaz de encontrar la explicación.

Gracias Javisot

[Richard R Richard]

Para entender eso hay que entender la radiación de cuerpo negro, intentaba copiar el enlace de wikipedia pero no puedo..

Creo te refieres a esto

https://es.wikipedia.org/wiki/Radiac...plicaci%C3%B3n

pero no aporta mas profundidad que


"Es un proceso espontáneo de distribución radiativa de la entropía."

Es decir se sabe que la materia radia térmicamente, en una determinada banda del espectro electromagnético, con que frecuencia, en que cantidad y los medios que utiliza, pero la respuesta a como y el porque lo hace es mas complejo de explicar.... y si es que se sabe , al menos yo no lo sé, mas de lo que explique, creo que sería lo que Pola busca.
como y porque la materia emite fotones?
como y porque los refleja?
como y porque los absorbe?
Porque es un proceso espontaneo,? se lo puede parar de modo alguno?

Las consecuencias las observamos continuamente, vemos luz y color cuando se calientan, detectamos ondas de radio, radiación infrarroja, ultravioleta. X y gamma en función de la temperatura.

Hay que distinguir que el color de los objetos de la vida diaria, no se debe solo a la luz que emiten, sino tambien a la que reflejan, una pared refleja luz amarilla, por ejemplo pero no implica que por su temperatura radie esa luz, sino que absorbe el azul y refleja el amarillo de una fuente que emitió a mayor temperatura(sol por ejemplo), la temperatura de radiación de los objetos cotidianos (la pared) esta en la banda el infrarrojo, por eso existen u usamos pirómetros para medir temperatura a distancia, o gafas de visión nocturna, basados ambos en la recolección de fotones en la banda del infrarrojo, y no el rango de la luz visible.

[javisot20]

Sobre todo le daba importancia a esta parte, "La radiación térmica emitida espontáneamente por muchos objetos ordinarios puede aproximarse a la radiación de cuerpo negro."

Pero efectivamente todo ello conduce a saber de proporciones , no el como y el porque sucede..

Después de buscar "¿ como emite luz una bombilla?" y ver que varias explicaciones inciden en la importancia de la radiación de cuerpo negro os remití a ello, pero reconozco no entenderlo en profundidad y no ver un porque claro.



¿ No es la típica duda que se resuelve apelando a la conservación de la energía?

Si la energía no se conservase no habría motivo para emitir fotones, ¿no?

[Pola]

Pues muchas gracias a los dos de nuevo por vuestras respuestas. A mi también me llamó la atención la frase que comenta Richard...y me fijé en la de Javisot. Pero la verdad es que no me aclaraban nada en la respuesta que buscaba, que trataba de encontrar el "cómo".

Aunque me da mucha rabia quedarme sin saber la respuesta, me consuela ver que comparto las dudas con otras personas.

Tengo otra pregunta que tiene bastante que ver con ésta; pero como me avisaron que sólo pusiera una pregunta en cada hilo, la pondré en el siguiente.

Un saludo.

[Richard R Richard]

Lo que digo ahora , no estoy 100% seguro que sea el mecanismo correcto pero entiendo que si algo esta vibrando, esta sometido a aceleración y una carga acelerada emite radiación electromagnética, sea esta la del núcleo lo hace de acuerdo a las ecuaciones de Maxwell, ese sería el motivo, por el que la cinetica del núcleo, sería la causa de la emisión,
Pero el mecanismo en sí a nivel atómico, por el cual el fotón es emitido, creo que esta explicado en la teoría cuántica , la que tengo poco fundamento y prefiero evitar introducir errores que otro tuviera que aclarar.

[Pola]

Gracias Richard.

[carroza]

Hola.

Aqui merece la pena aclarar algún concepto de la termodinámica, y su no-relación con los mecanismos.

Termodinámica:

En el equilibrio térmico, todos los grados de libertad del sistema tienen la misma energía, que es $1/2 k T$. A la termodinámica no le preocupa cuál es el mecanismo por el cual se transfiere energía de un grado de libertad a otro. Sea cual fuere el mecanismo, el resultado final, una vez que se alcanza el equilibrio térmico, es que todos los grados de libertad tienen la misma energía.

Con esta idea, podemos dar una primera respuesta a la pregunta de Pola. Un filamento incandescente, debe estar en equilibrio con los grados de libertad asociados al campo electromagnético que le rodea. Y si hay campo electromagnético, hay luz. No es necesario que hablemos de fotones ahora. Los fotones son los cuantos del campo electromagnético, pero no es necesario, por ahora, hablar de cuántica ni hablar de fotones.

Mecanismos:

Si ahora queremos hablar de mecanismos, es decir, de la causa de la transferencia de la energía de unos grados de libertad a otros, nos salimos de la termidinámica, que solo estudia el equilibrio térmico (o sistemas localmente cercanos a el).

Vamos al filamento, inicialmente apagado. Tenemos la energía en la red eléctrica, en forma de una diferencia de potencial entre los polos del enchufe. Damos al interruptor, con lo que se permite que potencial eléctrico genere un campo eléctrico, que actúa sobre los electrones de los cables. Los electrones se aceleran, y van colisionando con los iones de la red cristalina de metales que forman los cables, y en especial con los que están en el filamento, por donde se concentra mayor densidad de corriente. Se estaclece un equilibrio en la corriente eléctrica, dada por la ley de Ohm, $V=I R$. Las frecuentes colisiones de electrones con iones, provocan aceleraciones de cargas eléctricas, tanto de los electrones como de iones. Según nos dicen las ecuaciones de Maxwell, las aceleraciones de cargas eléctricas producen campos electromagnéticos, y esos campos electromagnéticos son la luz que vemos.

Saludos