Por Alfonso Abascal Fontecha
Un termómetro en las estrellas
Todos habremos oído en alguna ocasión que la superficie del Sol está 5500ºC. La cuestión es que nadie ha ido hasta allí y ha puesto un termómetro en su superficie, ni siquiera hemos enviado sondas no tripuladas. Tan solo hemos depositado naves espaciales en siete cuerpos celestes[1], sin contar la Tierra, y ninguno de ellos es el Sol.
No solo conocemos la temperatura del Sol, sino también la de otras muchas estrellas. Por ejemplo Betelgeuse (a 642.5 años luz) tiene una temperatura promedio de 3200ºC en su superficie, y Rigel, que está más lejos aún, tiene una temperatura de 10 700ºC.
Todo lo que conocemos de las estrellas es gracias a la luz que nos llega de ellas, no tenemos mucho más para intentar determinar su composición, tamaño, distancia, temperatura, edad, etc.
¿Cómo conocemos entonces la temperatura de las estrellas?.
Si la luz es lo único que tenemos, tendremos que conocer más a fondo qué es la luz.
La composición de la luz
La luz está compuesta de partículas que llamamos fotones. Depende de la energía que podamos extraer de un fotón individual (la energía que transporta) lo clasificamos como un fotón de rayos ultravioleta, o un fotón de rayos X, o un fotón de microondas, de ondas de radio, de infrarrojos, de luz visible[2], etc… Todas estas formas de radiación son lo mismo, fotones.
Hasta principios del siglo XX había un gran debate sobre si la luz estaba compuesta por partículas o era algún tipo de onda, ya que podemos diseñar experimentos en los que se comporta de una forma o de la otra. Esto planteó nuevos debates sobre la naturaleza de la luz, su propagación, etc.
Actualmente sabemos que la luz es las dos cosas a la vez, una onda y una partícula. Por eso, cuando hablamos de la luz, hablamos tanto de fotones (al modo de partículas) como de longitudes de onda. Y es que nuestra intuición no vale de mucho cuando hablamos de fenómenos a escala atómica y subatómica.
Cada fotón transporta una cierta cantidad de energía y tiene asociada una onda, la famosa radiación electromagnética. Sabemos también que la frecuencia de esta onda depende de la energía que transporta el fotón. Cuanta más energía transporta un fotón, más alta es la frecuencia de la radiación electromagnética.
Dos fórmulas que explican mucho
La energía de un fotón (E), se relaciona con la frecuencia de oscilación de su onda electromagnética (ν) mediante la siguiente igualdad:
E es la energía del fotón, medida en julios (J)
h es la constante de Planck, y vale 6,626x10-34 J·s
ν es la frecuencia de la onda en hercios (Hz)
En la fórmula vemos que cuanta más energía tiene un fotón, más frecuencia ha de tener la onda asociada a ese fotón, porque ‘h’ es una cantidad fija.
Muchas veces hablamos de longitudes de onda (λ) en vez de frecuencias (ν). Esto es porque en el caso de la radiación electromagnética están relacionadas mediante la velocidad de la luz:
ν es la frecuencia de la onda en Hertzios (Hz)
c es la velocidad de la luz en el vacío 299792458 m/s
λ es la longitud de onda en metros (m)
En la fórmula vemos que cuanta más frecuencia tiene una onda electromagnética, menor es su longitud de onda y viceversa.
Ejemplo 1:
Tengo un puntero LASER de color verde que tiene una pegatina en la que dice que la longitud de onda λ que emite es de 532nm (un nm son 10-9 m). ¿Cuál es la frecuencia de oscilación ν asociada a los fotones emitidos por mi puntero?.
Directamente tenemos una relación entre la longitud de onda y la frecuencia.
Así que la frecuencia es 564 billones de hercios, o en unas unidades de medida más usuales, 564THz (terahercios).
Ejemplo 2:
En la pegatina de mi puntero LASER también viene que la potencia de emisión es de 5mW. Y yo me pregunto, ¿cuántos fotones emite mi puntero cada segundo que pulso el botón?. Como pista diremos que la potencia es lo mismo que la cantidad de energía emitida cada segundo, donde 1W = 1 J/s.
La potencia del LASER es toda la energía que transportan los fotones emitidos cada segundo, luego esos 5mW son lo mismo que 0.005J/s.
Si uno solo de mis fotones tiene la siguiente energía:
para emitir 0,005J en un segundo necesitaré todos estos fotones:
que son unos 13 400 billones de fotones.
La luz es una onda y una partícula a la vez. Cuanta más energía tiene una partícula de luz, más frecuencia tiene su onda. CONTINUARÁ.
[1] La Luna, Venus, Marte, Titán, 433 Eros (asteroide), Itokawa (asteroide) y más recientemente el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko.
[2] Incluso dentro de la luz visible, un fotón de luz verde tan solo se diferencia de un fotón de luz roja en la cantidad de energía que transporta.
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