Catástrofe ultravioleta | Definición | Solución | 2 leyes importantes

CATÁSTROFE ULTRAVIOLETA

Contenido: Catástrofe ultravioleta

¿Qué es una catástrofe ultravioleta?

Catástrofe ultravioleta, también conocido como Catástrofe de Rayleigh-Jeans se refiere a la desviación de la derivación estadística del Vaqueros Rayleigh ley en longitudes de onda cortas. De acuerdo con la ley de Rayleigh-Jeans, un cuerpo negro en equilibrio térmico irradiaría en todo el rango de frecuencia y emitiría más energía a medida que la longitud de onda disminuye. En otras palabras, establece que a medida que aumenta la frecuencia, el cuerpo negro comienza a irradiar una cantidad de energía arbitrariamente grande. Sin embargo, este patrón no se ve físicamente. El error entre la cantidad de radiación de energía predicha y la cantidad de radiación de energía obtenida es mucho más pronunciado en longitudes de onda más cortas. Por lo tanto, se denomina catástrofe ultravioleta.

¿Qué es la luz ultravioleta?

La luz ultravioleta es radiación electromagnética que tiene una frecuencian entre 8 × 1014 y 3 × 1016 Rango de Hz y longitud de onda entre 0.4 x 10-6 - 10-8 metro, por lo que la luz ultravioleta no cae en el rango visible de las miras del ojo humano. La catástrofe ultravioleta es prominente en estas longitudes de onda. Los rayos ultravioleta se utilizan ampliamente para anular macrobacterias y esterilizar equipos médicos, aunque la sobreexposición a los rayos ultravioleta podría no ser buena para los seres humanos y podría causar diversas infecciones de la piel. Los sensores o detectores ultravioleta (UV) se utilizan para detectar la radiación ultravioleta emitida durante el tiempo de ignición. Los sensores de llama UV son capaces de detectar incendios y explosiones en un período de tiempo de 3 a 4 milisegundos.

¿Qué es un cuerpo negro?

En 1860, Gustav Kirchhoff dio la primera idea de un cuerpo negro. Dijo que

... la suposición de que pueden imaginarse cuerpos que, para espesores infinitamente pequeños, absorben completamente todos los rayos incidentes, y no reflejan ni transmiten ninguno. Llamaré a tales cuerpos perfectamente negroo, más brevemente, cuerpos negros

"Sobre la relación entre los poderes de radiación y absorción de diferentes cuerpos de luz y calor"

Un cuerpo negro es un material que es capaz de absorber y emitir luz de cualquier longitud de onda o frecuencia, es decir (e = a = 1). En la naturaleza, no se puede encontrar el 100% de cuerpos negros. Un material conocido como negro de carbón es el más cercano a un cuerpo negro real en la Tierra. El sol es uno de los principales cuerpos negros del universo y emite luz de todas las longitudes de onda. Cuando un cuerpo negro está en equilibrio térmico, emite radiación de cuerpo negro. La radiación de cuerpo negro se refiere a la radiación emitida por un cuerpo negro en todas las longitudes de onda de luz posibles. También se conoce como radiación de cavidad.

Declaración de la ley de Rayleigh-jeans

TEl físico británico Lord Rayleigh y Sir James Jeans ha medido la emisión espectral de un cuerpo negro en la base de la física clásica y múltiples factores empíricos, que se podrían afirmar como.

“Un cuerpo negro en equilibrio térmico emitirá radiación en todas las frecuencias. rangos y como la frecuencia. aumentar la energía de emisión de radiación aumentar ”.

~ Lord Rayleigh y Sir James Jeans

La ecuación matemática de la ley de Rayleigh-jeans es

Aquí, u(\ nu) es la densidad de energía radiante, \ nu es la frecuencia, T es la temperatura en kelvin, c es la velocidad de la luz, K es la constante de Boltzmann. (catatrofe ultravioleta)

De acuerdo con la expresión que se muestra arriba, la densidad de energía radiante es directamente proporcional a la frecuencia, es decir, con el aumento de frecuencia, la energía radiante también debería aumentar divergiendo hacia el infinito ya que la longitud de onda tiende a cero. Esta ley demostró un gran error en la teoría clásica de la física.

Problema con la ley de Rayleigh-Jeans

Todos los modos de oscilador armónico o grados de libertad de un sistema de cuerpo negro en equilibrio deben tener una energía promedio igual a KT según lo establecido por el teorema de equipartición de la mecánica estadística clásica. De acuerdo con la ley de Rayleigh-Jeans, la energía radiante diverge hacia el infinito cuando la longitud de onda tiende a cero. Esto significa que la potencia radiada es ilimitada en un cierto rango de alta frecuencia. Esto claramente viola las leyes de la física que establecen que un objeto nunca puede poseer una cantidad infinita de poder o energía, como lo demostró Albert Einstein.

Además, cuando se midieron físicamente, los valores de energía obtenidos fueron muy diferentes de los valores predichos. El error entre la cantidad de radiación de energía predicha y la cantidad de radiación de energía obtenida es mucho más pronunciado en longitudes de onda más cortas que conducen a la catástrofe ultravioleta.

CATÁSTROFE ULTRAVIOLETA
La curva negra denota los valores predichos por la ley de Rayleigh-Jeans, aquí, las curvas azul, verde y roja denotan los valores medidos por la ley de Planck en diferentes longitudes de onda. Fuente de imagen: Darth KuleCuerpo negro, marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons (catástrofe ultravioleta.

Este fue un gran inconveniente de la ley de Rayleigh-Jeans. Este problema de la catástrofe ultravioleta fue resuelto más tarde por Max Planck y Albert Einstein formando la ley de Planck y la ecuación de Einstein, respectivamente.

Declaración de la ley de Planck

En la década de 1900, Max Planck trabajó extensamente en radiaciones electromagnéticas y formuló una de las leyes más importantes y controvertidas del siglo. Según él, la energía de la radiación venía en pequeños paquetes discretos llamados cuantos que son proporcionales a la frecuencia de la radiación. Su declaración fue:

La energía de la radiación electromagnética se limita a paquetes indivisibles (conocidos como 'cuantos'), uno de cada paquete tiene energías iguales al producto de la constante de Planck y la frecuencia de la radiación.

~ Max Planck

La ecuación matemática de la función de distribución espectral de la ley de intensidad de Planck es

h es la constante de Planck, \ nu es frecuencia, c es la velocidad de la luz, λ es la longitud de onda.

Esto condujo a la formulación de la forma correcta de las funciones de distribución espectral (como se muestran a continuación, formulaciones) estimadas por el científico popular Einstein (en el año 1905) y Satyendra Nath Bose (en el año 1924). Este factor de distribución no depende totalmente de forma proporcional a la frecuencia. La proporcionalidad inversa con el factor exponencial contribuye a limitar los valores de energía obtenidos a longitudes de onda más cortas o frecuencias más largas. Esta ecuación podría predecir los valores de energía de radiación obtenidos experimentalmente a una longitud de onda dada, eliminando la catástrofe ultravioleta.

Aquí, u(\ nu) es la densidad de energía radiante, \ nu es la frecuencia, T es la temperatura en kelvin, c es la velocidad de la luz, K es la constante de Boltzmann, h es la constante de Planck.

La ley de Planck también condujo a la formulación de la teoría detrás del efecto fotoeléctrico de Einstein. Un electrón presente en un estado de menor energía tiende a absorber energía externa en forma de luz (fotones) para alcanzar un estado de mayor energía y ocurre solo cuando la energía presente en el fotón es idéntica a las diferencias de energía entre los dos niveles. .

Para saber más sobre la luz visite aquí

Sobre Sanchari Chakraborty

Soy un estudiante entusiasta, actualmente invertido en el campo de la Óptica Aplicada y la Fotónica. También soy miembro activo de SPIE (Sociedad internacional de óptica y fotónica) y OSI (Sociedad óptica de India). Mis artículos tienen como objetivo sacar a la luz temas de investigación científica de calidad de una manera simple pero informativa. La ciencia ha ido evolucionando desde tiempos inmemoriales. Por lo tanto, intento aprovechar la evolución y presentarla a los lectores.

Conectemos a través de https://www.linkedin.com/in/sanchari-chakraborty-7b33b416a/

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.Los campos obligatorios están marcados *