Un cuerpo negro es un cuerpo fisico ideal que absorbe toda la energia electromagnetica incidente, sin importar la frecuencia o el angulo de incidencia. El nombre de " cuerpo negro " se le da debido a que absorbe todos los colores de la luz que incide en su superficie. Esta absorcion da como resultado una agitacion termica que provoca la emision de Radiacion termica . Esa energia electromagnetica emitida por un cuerpo negro recibe el nombre de radiacion de cuerpo negro . ^{[ 1 ]} ​ La denominacion de cuerpo negro fue introducida por Gustav Kirchhoff en 1860

Todo cuerpo emite energia en forma de ondas electromagneticas , incluso en el vacio. Sin embargo, la energia radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda mas largas que las de la luz visible, (es decir, de menor frecuencia ). Al elevar la temperatura no solo aumenta la energia emitida sino que lo hace a longitudes de onda mas cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que lo hacen siguiendo la ley de Planck .

A igualdad de temperatura, la energia emitida depende tambien de la naturaleza de la superficie; asi, una superficie mate o negra tiene un poder emisor mayor que una superficie brillante. Asi, la energia emitida por un filamento de carbon incandescente es mayor que la de un filamento de platino a la misma temperatura. La ley de Kirchhoff establece que un cuerpo que es buen emisor de energia es tambien buen absorbente de dicha energia. Asi, los cuerpos de color negro son buenos absorbentes.

Modelos clasico y cuantico de cuerpo negro [ editar ]

Los principios fisicos de la mecanica clasica y la mecanica cuantica conducen a predicciones mutuamente excluyentes sobre los cuerpos negros o sistemas fisicos que se les aproximan. Las evidencias de que el modelo clasico hacia predicciones de la emision a pequenas longitudes de onda en abierta contradiccion con lo observado llevaron a Planck a desarrollar un modelo heuristico que fue el germen de la mecanica cuantica. La contradiccion entre las predicciones clasicas y los resultados empiricos a bajas longitudes de onda, se conoce como catastrofe ultravioleta .

Ley de Planck (modelo cuantico) [ editar ]

${\displaystyle I(\nu ,T)={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}}}{\frac {1}{e^{\frac {h\nu }{kT}}-1}}}$

donde ${\displaystyle \scriptstyle I(\nu ,T){\text{d}}\nu \,}$ es la cantidad de energia por unidad de area, unidad de tiempo y unidad de angulo solido ; ${\displaystyle \scriptstyle h}$ es una constante que se conoce como constante de Planck ; ${\displaystyle \scriptstyle c}$ es la velocidad de la luz; y ${\displaystyle \scriptstyle k}$ es la constante de Boltzmann .

Se llama poder emisivo de un cuerpo ${\displaystyle \scriptstyle E(\nu ,T)}$ a la cantidad de energia radiante emitida por la unidad de superficie y tiempo:

${\displaystyle E(\nu ,T)=4\pi I(\nu ,T)={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{2}}}{\frac {1}{e^{\frac {h\nu }{kT}}-1}}}$

La longitud de onda en la que se produce el maximo de emision viene dada por la ley de desplazamiento de Wien ; por lo tanto, a medida que la temperatura aumenta, el brillo de un cuerpo va sumando longitudes de onda, cada vez mas pequenas, y pasa del rojo al blanco segun va sumando las radiaciones desde el amarillo hasta el violeta. La potencia emitida por unidad de area viene dada por la ley de Stefan-Boltzmann .

Ley de Rayleigh-Jeans (modelo clasico) [ editar ]

Antes de Planck, la Ley de Rayleigh-Jeans modelizaba el comportamiento del cuerpo negro utilizando el modelo clasico. De esta forma, el modelo que define la radiacion del cuerpo negro a una longitud de onda concreta:

${\displaystyle B_{\lambda }(T)={\frac {2ckT}{\lambda ^{4}}}}$

donde c es la velocidad de la luz , k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta. Esta ley predice una produccion de energia infinita a longitudes de onda muy pequenas. Esta situacion que no se corrobora experimentalmente es conocida como la catastrofe ultravioleta .

Aproximaciones fisicas a un cuerpo negro [ editar ]

El cuerpo negro es un objeto teorico o ideal, pero se puede aproximar de varias formas entre ellas una cavidad aislada y otros sistemas algo mas complejos.

Cavidad aislada [ editar ]

Es posible estudiar objetos en el laboratorio con comportamiento muy cercano al del cuerpo negro. Para ello se estudia la radiacion proveniente de un agujero pequeno en una camara aislada. La camara absorbe muy poca energia del exterior, ya que esta solo puede incidir por el reducido agujero. Sin embargo, la cavidad irradia energia como un cuerpo negro. La luz emitida depende de la temperatura del interior de la cavidad, produciendo el espectro de emision de un cuerpo negro. El sistema funciona de la siguiente manera:

La luz que entra por el orificio incide sobre la pared mas alejada, donde parte de ella es absorbida y otra reflejada en un angulo aleatorio y vuelve a incidir sobre otra parte de la pared. En ella, parte de la luz vuelve a ser absorbida y otra parte reflejada, y en cada reflexion una parte de la luz es absorbida por las paredes de la cavidad. Despues de muchas reflexiones, toda la energia incidente ha sido absorbida.

Aleaciones y nanotubos [ editar ]

Segun el Libro Guinness de los Records , la sustancia que menos refleja la luz (en otras palabras, la sustancia mas negra) es una aleacion de fosforo y niquel , con formula quimica NiP . Esta sustancia fue producida, en principio, por investigadores indios y estadounidenses en 1980, pero perfeccionada (fabricada mas oscura) por Anritsu ( Japon ) en 1990. Esta sustancia refleja tan solo el 0,16 % de la luz visible; es decir, 25 veces menos que la pintura negra convencional.

En el ano 2008 fue publicado en la revista cientifica Nanoletters un articulo con resultados experimentales acerca de un material creado con nanotubos de carbono que es el mas absorbente creado por el hombre, con una reflectancia de 0,045 %, casi tres veces menos que la marca lograda por Anritsu. ^{[ 2 ]} ​

Cuerpos reales y aproximacion de cuerpo gris [ editar ]

Los objetos reales nunca se comportan como cuerpos negros ideales. En su lugar, la radiacion emitida a una frecuencia dada es una fraccion de la emision ideal. La emisividad de un material especifica cual es la fraccion de radiacion de cuerpo negro que es capaz de emitir el cuerpo real. La emisividad depende de la longitud de onda de la radiacion, la temperatura de la superficie, acabado de la superficie (pulida, oxidada, limpia, sucia, nueva, intemperizada, etc.) y angulo de emision.

En algunos casos resulta conveniente suponer que existe un valor de emisividad constante para todas las longitudes de onda, siempre menor que 1 (que es la emisividad de un cuerpo negro). Esta aproximacion se denomina aproximacion de cuerpo gris . ^{[ 3 ]} ​ ^{[ 4 ]} ​ La Ley de Kirchhoff indica que en equilibrio termodinamico , la emisividad es igual a la absortividad , de manera que este objeto, que no es capaz de absorber toda la radiacion incidente, tambien emite menos energia que un cuerpo negro ideal.

Aplicaciones astronomicas [ editar ]

En astronomia , la emision de las estrellas se aproxima a la de un cuerpo negro. ^{[ 5 ]} ​ La temperatura asociada se conoce como Temperatura Efectiva , una propiedad fundamental para caracterizar la emision estelar.

La radiacion cosmica de fondo de microondas proveniente del Big Bang se comporta casi como un cuerpo negro. Las pequenas variaciones detectadas en esta emision son llamadas anisotropias y son muy importantes para conocer las diferencias de masa que existia en el origen del universo.

La radiacion de Hawking es la radiacion de cuerpo negro emitida por agujeros negros .

La emision de gas, polvo cosmico y discos protoplanetarios tambien se asocia con cuerpos negros, principalmente en la region infrarroja y milimetrica del espectro electromagnetico. Son importantes herramientas para buscar sistemas planetarios.

Vease tambien [ editar ]

• Radiacion termica
• Ley de Planck
• Ley de Wien
• Conveccion termica
• Conduccion termica
• Horno cuerpo negro
• Punto Draper
• Emisividad
• Temperatura de color
• Vantablack
• Constante de Stefan-Boltzmann
• Ley de Stefan-Boltzmann
• Catastrofe ultravioleta
• Foton
• Efecto fotoelectrico

Referencias [ editar ]

Bibliografia [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

• Keesey, Lori J. (Dec 12, 2010). ≪Blacker than black≫ . NASA . Archivado desde el original el 14 de junio de 2020 . Consultado el 15 de junio de 2022 . ≪Engineers now developing a blacker-than pitch material that will help scientists gather hard-to-obtain scientific measurements... nanotech-based material now being developed by a team of 10 technologists at the NASA Goddard Space Flight Center ≫.   (en ingles)
• ≪Corps Noir≫ - Sitio del Observatoire de Paris (en frances)
• Gabrielle Bonnet, Le corps noir , sitio CultureSciences-physique de l'ENS Lyon (en frances)