Constante de Planck

Inicios de la mecánica cuántica: A diferencia de otras muchas constantes físicas universales la constante de Planck tiene su día de nacimiento el 14 de diciembre de 1900. ese día Max Planck daba un discurso en la Sociedad Física Alemana. En el figuraba la magnitud h, nueva para los físicos, que servía de explicación de la capacidad emisiva de un cuerpo negro. Planck calculó su valor partiendo de los datos experimentales:

h = 6.62E-27 ergíos.seg

Todos los cuerpos al calentarlos, emiten energía. Esto puede ser la radiación infrarroja de una estufa bien calentada, la luz de una resistencia eléctrica o la luz deslumbrante que emite el filamento de un foco. A la Tierra llega la radiación luminosa y térmica del Sol, en cuyo centro la temperatura alcanza los 20 millones de K. Los cuerpos que absorben bien la luz, parecen negros. El resplandor deslumbrante de la nieve que refleja la luz solar en las montañas, obliga incluso a los alpinistas a usar lentes protectores.
Los físicos no pudieron pasar de largo ante este problema del poder absorbente y emisivo de diferentes cuerpos y al hacerlo chocaron con dificultades inesperadas: las fórmulas teóricas no podían explicar los datos experimentales obtenidos.

RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO
Uno de los pioneros en el estudio de este problema, el físico alemán G.R. Kirchhoff en 1859, estableció una regla que dice: “Cuando cualquier sistema alcanza el estado de equilibrio térmico, la energía que absorbe el cuerpo y la que entrega en forma de emisión, son iguales”. En la vida cotidiana utilizamos esta regla con mucha frecuencia inconscientemente , por ejemplo; el equilibrio entre la energía térmica emitida y absorbida mantiene la temperatura constante en un horno. La Ley matemática de Kirchhoff tiene la siguiente forma:

E(n, T) = x(n ,T) /A(n, T)

Donde E(n, T) es el poder emisivo del cuerpo, que depende de la frecuencia de radiación n a la temperatura T; A(n, t) es el poder absorbente del cuerpo y x(n ,T) Cierta constante universal h.
Kirchhoff introdujo el concepto de cuerpo negro, es decir de un cuerpo que absorbe toda la energía que llega a él, independientemente de la frecuencia de radiación. Es obvio que para esos cuerpos : A(n, T) = 1
Semejantes cuerpos no existen en la naturaleza, pero en calidad de análogos puede usarse una caja con un orificio muy pequeño, cuyas paredes internas son buenas conductoras del calor.

LA SUGERENCIA DE BOLTZMANN
Las tentativas iniciales de Max Plank de deducir la ley de radiación desde el punto de vista teórico no se coronaron con el éxito. Boltzmann le comento a Plank que no se podía construir una teoría correcta de la radiación térmica sin introducir en los procesos de radiación el elemento, desconocido hasta ese momento, de la discontinuidad de la radiación.
Max Plank le dio vida a la idea de Boltzman. El supuso que los átomos emiten y absorben la energía electromagnética en porciones, a las que dio el nombre de cuantos. La energía de un cuanto de radiación E esta relacionada con una frecuencia mediante la expresión:
E = hn
Donde h es cierta constante nueva introducida por Planck. En lo sucesivo, después de aclarar su sentido físico, se le denomino constante de Planck y bajo ese nombre se introdujo en la tabla de las constantes físicas universales.
La introducción de la discontinuidad de los procesos de radiación le permitió a Plank obtener la fórmula para x(n ,T) que correspondía estupendamente con los datos experimentales.
Con la ayuda de la constante de Plank (h) cálculo los valores de otras constantes físicas universales como la constante de Bolzmann k, la constante del número de Abogador N y la carga del electrón e . Parecía que el éxito excedía todas las esperanzas.
Planck comprendía perfectamente que su hipótesis acerca de los cuantos de energía no se sometían a los márgenes de la Física del siglo XIX : En vano intento introducir la constante h en las leyes clásicas de la electrodinámica. “El fracaso de todos los intentos de tender un puente entre el abismo aparecido aniquilo poco tiempo después todas las dudas: o el cuanto de acción h era una magnitud imaginaria, entonces toda la deducción de la ley de radiación era ilusoria en principio y era un juego de fórmulas sin contenido alguno, o la idea física en la que fundamento la deducción de dicha ley era correcta, entonces el cuanto de acción debe desempeñar un papel importante en la Física, su aparición proclamaba algo completamente nuevo, hasta entonces inaudito, lo que al parecer exigía la transformación de los principios y fundamentos de nuestra mentalidad, basada desde los tiempos de Newton y Leibnitz en la suposición de la continuidad de todas las cualidades. Ello es precisamente la esencia de la cuestión. La fórmula de Planck que describía perfectamente bien la realidad física , obligaba a meditar de nuevo sobre la naturaleza de la luz. Según Planck los procesos de absorción y emisión eran procesos discontinuos, discretos, mientras que según la opinión de Maxwell, la propagación de la luz era un proceso continuo. Durante unos cuantos años Planck intentaba en vano introducir la constante h en los márgenes de la Física Clásica.
En 1911 planteo una nueva teoría: la radiación es un proceso discreto, mientras que la absorción es un proceso continúo. Pero ni el propio autor, ni a otros investigadores les satisfacía esta suposición. Un representante de la Física en ese entonces era el alemán A. Sommerfeld quien decía: “Creo que la hipótesis de los cuantos de emisión, como la hipótesis inicial de los cuantos de energía, es necesario considerarlos más bien como una forma de explicación, sin darle realidad física. Para la física moderna no puede ser mas actual que el esclarecimiento de esta cuestión. Aquí se halla la clave no solo de la teoría de la radiación, sino de la estructura atómica de la materia y por ahora esa clave esta muy lejos guardada”.
Mientras tanto nadie discutía el sentido teórico de la formula de Planck. La teoría de los cuantos aún no estaba reconocida por los físicos . Algunos historiadores de la Física consideran que un papel primordial de la desatención del descubrimiento de los cuantos por parte de los círculos científicos de entonces lo tenía la ausencia de interés a los problemas atómicos en aquellos tiempos.
Sin embargo, el trabajo de Planck sugería que la Física Clásica no era la última palabra en la Ciencia. El no reconocer los cuantos de energía llevaba aparejada la comprensión intuitiva de la importancia de la hipótesis de Planck. El no reconocimiento de los cuantos de energía ya no podía quitar del escenario la constante H, ese “misterioso mensajero del mundo real”.
Existían otros fenómenos que tampoco podían explicarse a la luz de la Física Clásica como son: El efecto fotoeléctrico, los Espectros de Emisión Atómica, los Calores Específicos, de los Sólidos, las Propiedades Atómicas, etc. Lo cual hacía suponer que era posible una forma alterna de pensamiento dentro de la Física.
En virtud de lo dicho, puede deducirse, como debería ser Físico, el primero que aceptase el desafío lanzado por el trabajo de Plank. Este investigador debería interesarse no por la esfera de aplicación de la ley física, sino por las ideas que constituyesen su base. Debía enfocar desde el punto de vista critico estas ideas y, sin temor , lanzarse a la defensa de los problemas que rebasan los márgenes de la Física Clásica.
El debía mirar a fondo las cosas. Todas estas cualidades las poseía Albert Einstein. Que fue el primero en ampliar el contenido físico del concepto de los cuantos de energía y les dio una nueva interpretación física.