Transcript radiación del cuerpo negro

Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Determinación de la constante de Rydberg
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 1
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 2
Gustav Robert Kirchhoff
(1824 - 1887)
En termodinámica, la ley de Kirchhoff de la radiación térmica, es un teorema de
carácter general que equipara la emisión y absorción en objetos calientes, propuesto
por Gustav Kirchhoff
en 1859, a raíz de las consideraciones generales
de equilibrio termodinámico.
La ley de Kirchhoff establece que si un cuerpo (o superficie) está en equilibrio
termodinámico con su entorno, su emisividad es igual a su absorbancia.
Junto con la demostración del teorema, propuso la búsqueda de una respuesta a un
nuevo planteo. La respuesta fue el descubrimiento de la teoría cuántica.
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Leyes de Kirchhoff
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 3
Las tres leyes de la espectroscopia de Kirchhoff que describen la emisión de luz
por objetos incandescentes:
Un objeto sólido caliente produce luz en espectro continuo.
Un gas excitado produce luz con líneas espectrales en longitudes de onda
discretas que dependen de la composición química del gas.
Un objeto sólido a alta temperatura rodeado de un gas a temperaturas inferiores
produce luz en un espectro continuo con huecos en longitudes de onda discretas
cuyas posiciones dependen de la composición química del gas.
La justificación de estas leyes fue dada más tarde por Niels Bohr, contribuyendo
decisivamente al nacimiento de la mecánica cuántica.
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Radiación de objetos calientes
Cuando se eleva la temperatura de un objeto,
este emite radiación electromagnética.
Primero se pone rojo, después
cada vez más blanco:
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 4
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Kirchhoff y la espectroscopía atómica
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 5
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Kirchhoff y la espectroscopía atómica
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 6
El descubrimiento de que cada elemento químico llevaba su propia firma espectral
tuvo enormes implicaciones en química, física y astronomía. A través del análisis
espectral, Bunsen y Kirchhoff identificaron los patrones característicos de la
líneas de emisión de colores de todos los elementos entonces conocidos.
Kirchhoff, por otra parte, tomó un espectro de una llama de sodio, en un fondo
oscuro, para producir las líneas de emisión amarillas dobles, características de este
elemento, y luego desplazó la llama hacia el recorrido de un rayo de luz solar. Las
líneas de absorción aparecieron más contrastadas y oscuras que antes.
Aparentemente, el gas estaba absorbiendo mucha más energía de la luz solar que la
que estaba emitiendo.
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Determinación de la constante de
Rydberg
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 7
Al principio del siglo XX los científicos habían hecho las siguientes
observaciones:
•Cuando una muestra de átomos gaseosos es sometida a una descarga
eléctrica, los átomos emiten radiación electromagnética.
•Al pasar a través de una ranura o a través de un prisma, la luz emitida
por los átomos es separada en sus componentes de longitud de onda.
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Determinación de la constante de
Rydberg
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 8
Sólidos y gases a alta temperatura emiten radiación.
La radiación emitida consiste de una banda continua de colores como un arco iris.
Esto es lo que se llama un espectro continuo.
Esto es típico de la materia cuando los átomos estan empaquetados en forma condensada.
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Determinación de la constante de
Rydberg
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 9
Los gases a baja presión se comportan diferentemente.
Los átomos excitados emiten solamente ciertas frecuencias.
Las lineas espectrales en una serie se aproximan
cuando se incrementa la frecuencia.
Cada elemento tiene un único
y propio espectro de emisión.
Las lineas espectrales existen en diferentes
regiones del espectro. (infrarrojo, visible y
ultravioleta)
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Determinación de la constante de
Rydberg
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 10
El espectro de lineas del elemento más simple, H
había sido estudiado por Angström. Este habia
medido en 1871 cuatro lineas en el espectro visible
(en nm):
656.279 , 486. 133, 434. 047, 410.174
En 1884, Balmer, logró expresar estos números
en términos de una constante "b":
9b 4b 25b 9b
, ,
,
5 3 21 8
Johann Jakob Balmer
(1825-1898)
Matemático suizo.
b  364.60 nm
Departamento de Física
Determinación de la constante de
Rydberg
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 11
9b 4b 25b 9b
, ,
,
5 3 21 8
9 16 25 36
, , ,
5 12 21 32
Johann Jakob Balmer
2
m
 b 2
m 4
m  3,4,5,6...
(1825-1898)
Matemático suizo.
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Determinación de la constante de
Rydberg
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 12
En 1890 Rydberg generalizo la fórmula de
Balmer y mostró que tenía una aplicabilidad
más amplia.
Introdujo el concepto de número de onda
1 
 1
   R 2  2 

m 
n
1
m y n son números enteros.
R= 10973731.534 m-1
Johannes R. Rydberg
1854 -1919
Matemático sueco
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Determinación de la constante de
Rydberg
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 13
Niels Bohr
Dinamarca
1885 - 1962
PN 1922
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
n = 1, Lyman 1916
n = 2, Balmer
n = 3, Paschen
n = 4, Brackett 1922
n = 5, Pfund
1925
Determinación de la constante de
Rydberg
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 14
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 15
Red de difracción
n  dsen 
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Espectrofotómetro
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 16
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Fotografía del arreglo
experimental
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 17
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Espectro del átomo de Hidrogeno
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 18
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Espectro del átomo de Hidrogeno
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 19
Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Fisica Experimental IV
Curso 2014
Clase 1
Página 20
Determinación de la constante de
Rydberg
1 1 
   R  2 

4 m 
1
1/
R
R
4
0.00
0.03
0.06
2
1/m
0.09
0.12