EPÓNIMOS RELACIONADOS CON LA FÍSICA

 

Anillos de Newton.

La configuración de la lente.

Los anillos de Newton en mica.

El fenómeno de los anillos de Newton es un patrón de interferencia causado por la reflexión de la luz entre dos superficies, una curva y la otra plana.

Etimología

Los anillos de Newton son llamados así en honor al físico Isaac Newton.

Historia

Este fenómeno fue descrito por primera vez por Robert Hooke en su libro Micrographia aunque su nombre deriva del físico Isaac Newton, quien fue el primero en analizarlo en 1717.

Explicación

Con una luz monocromática el patrón se observa como una serie de anillos concéntricos que alternan entre brillantes y oscuros, estos anillos tienen su centro en el punto de contacto entre las dos superficies. Cuando se coloca la luz blanca se forma un patrón de anillos concéntricos con los colores del arcoíris. Esto, porque los rayos de distinta longitud de onda que componen la luz blanca hacen interferencia en grosores distintos del aire entre el lente y la superficie plana.

Los anillos blancos son formados por interferencia constructiva entre las luces reflejadas de ambas superficies, mientras que los anillos negros son causados por interferencia destructiva. Como la pendiente de la superficie de la lente aumenta a medida que nos alejamos del punto de contacto, los anillos están cada vez menos separados a medida que se alejan del centro. Si nos alejamos de un anillo oscuro a otro, por ejemplo, aumenta la diferencia de trayectoria en una cantidad, longitud de onda (${\displaystyle \lambda }$), correspondiendo con el mismo incremento del grosor del nivel del aire (${\displaystyle \lambda /2}$).

Simbología

Simbología

Símbolo	Nombre	Unidad
${\displaystyle x_m}$	Radio del m-ésimo anillo de Newton	m
${\displaystyle m}$	Designa el anillo (0,1,2,3...)
${\displaystyle R}$	Radio de la curvatura del lente	m
${\displaystyle \lambda }$	Longitud de onda de la luz	m

Descripción

La ecuación es:

${\displaystyle x_m={\left[\left(m+\frac{1}{2}\right)\lambda R\right]}^{1/2}}$

De la ecuación se deduce que para poder observar los anillos de Newton es necesario que el radio de la superficie curva sea muy grande, o mejor dicho, que dicha superficie sea casi plana, puesto que la longitud de onda de la luz visible es del orden de los nanómetros. De ahí que el fenómeno pueda apreciarse juntando dos placas planas transparentes, y presionando una sobre la otra con una punta; de esa manera si la placa sobre la que se ejerce la presión es delgada se deformará adquiriendo la ligera curvatura necesaria y suficiente para poder ver los anillos de Newton.

Una de las aproximaciones fundamentales de la mecánica cuántica es el desacoplamiento de los movimientos electrónico y nuclear, conocida como aproximación de Born-Oppenheimer.

Al ser la masa del núcleo mucho mayor que la de los electrones, su velocidad es correspondientemente pequeña. De esta forma, el núcleo experimenta a los electrones como si estos fueran una nube de carga, mientras que los electrones sienten a los núcleos como si estos estuvieran estáticos. De esta forma, los electrones se adaptan 'instantáneamente' a cualquier posición de los núcleos.

Sin este acoplamiento, resulta prácticamente imposible el trabajo en física molecular o física del estado sólido, por ser irresolubles problemas de más de dos cuerpos.

La consideración explícita del acoplamiento de los movimientos electrónico y nuclear (generalmente, a través de otro tipo de simplificaciones), se conoce como acoplamiento electrón-fonón en sistemas extendidos o acoplamiento vibrónico en sistemas cero-dimensionales.

No debe confundirse con Ley de desplazamiento de Wien.

Comparación de la distribución de Wien con la Ley de Rayleigh-Jeans y la Ley de Planck, para un cuerpo con una temperatura de 8 mK.

La ley de Wien, o también llamada aproximación de Wien es una ley de la física utilizada para describir el espectro de la radiación térmica (a menudo llamada la función de cuerpo negro). Esta ecuación encaja con precisión los fenómenos, en una longitud de onda corta (de alta frecuencia) del espectro de emisión térmica de los objetos. Pero no describe con exactitud los datos experimentales para longitudes de onda larga (baja frecuencia) de emisión.

Etimología

Esta ley fue propuesta por Wilhelm Wien en 1896.

Historia

Con base en las investigaciones experimentales de Josef Stefan y la derivación termodinámica de Ludwig Boltzmann, se conoció que la potencia radiante emitida térmicamente por un cuerpo negro con la temperatura absoluta (${\displaystyle T}$) aumenta con la cuarta potencia de la temperatura (ley de Stefan-Boltzmann). Aún se desconocía la distribución de la energía de la radiación en las distintas longitudes de onda emitidas.

Basándose en consideraciones termodinámicas, Wien pudo derivar su ley de desplazamiento, que estableció entre las distribuciones de longitud de onda a diferentes temperaturas:

"Si imagina [...] la energía a una temperatura graficada en función de la longitud de onda, esta curva permanecería sin cambios a una temperatura cambiada si la escala del dibujo se cambiará de modo que las ordenadas se reduzcan en la relación (${\displaystyle 1/{\theta }^4}$) y las abscisas serían aumentando en la proporción ${\displaystyle (\theta )}$." ^{[cita requerida]}

La distribución de la longitud de onda de la radiación todavía era desconocida, pero se encontró una condición adicional a la que la distribución de la longitud de onda real tenía que estar sujeta a un cambio de temperatura. Hoy en día, esta forma general de la ley del desplazamiento ya no juega un papel, porque la ley de radiación de Planck describe el desplazamiento espectral en caso de un cambio de temperatura de manera muy específica. Solo el cambio relacionado con la temperatura del máximo de radiación, que ya se deriva de la ley de cambio, ha sobrevivido bajo el nombre de ley de cambio de Wien.

Con la ayuda de algunas suposiciones adicionales, Wien pudo derivar una ley de radiación que se comporta como lo requiere la ley de desplazamiento en caso de cambios de temperatura.

Simbología

Simbología

Símbolo	Nombre	Unidad
${\displaystyle I_{\lambda }}$	Radiancia espectral en longitud de onda	W / m3
${\displaystyle I_{\nu }}$	Radiancia espectral en frecuencia	W s / m2
${\displaystyle T}$	Temperatura absoluta	K
${\displaystyle \lambda }$	Longitud de onda	m
${\displaystyle \nu }$	Frecuencia	s-1
	Constantes
${\displaystyle C_1}$	Primera constante de radiación	J m2 / s
${\displaystyle C_2}$	Segunda constante de radiación	m K
${\displaystyle c}$	Velocidad de la luz	m / s
${\displaystyle h}$	Constante de Planck	J s
${\displaystyle k}$	Constante de Boltzmann	J / K

Descripción

Definición de la ley de radiación de Wien dada por Wilhelm Wien en 1896:

${\displaystyle I_{\lambda }(\lambda ,T)=(\frac{C_1}{{\lambda }^5})e^{-(\frac{C_2}{\lambda T})}}$

La definición de radiancia espectral garantiza que al integrar esta función entre dos valores de longitud de onda ${\displaystyle {\lambda }_1}$ y ${\displaystyle {\lambda }_2}$, se obtiene la radiancia emitida por un cuerpo negro.

${\displaystyle I_{{\lambda }_1}^{{\lambda }_2}(T)={\int }_{{\lambda }_1}^{{\lambda }_2}{I}_{\lambda }(\lambda ,T)d\lambda }$

Para obtener una expresión en términos de la frecuencia ${\displaystyle \nu }$, debe realizarse la sustitución ${\displaystyle \nu =\frac{c}{\lambda }\Rightarrow d\nu =-\frac{c}{{\lambda }^2}d\lambda }$.

${\displaystyle I_{{\lambda }_1}^{{\lambda }_2}(T)=-{\int }_{\frac{c}{{\lambda }_1}}^{\frac{c}{{\lambda }_2}}{I}_{\lambda }\left(\frac{c}{\nu },T\right)\frac{c}{{\nu }^2}d\nu }$

Dado que , haremos ${\displaystyle {\nu }_1=\frac{c}{{\lambda }_2}}$ y ${\displaystyle {\nu }_2=\frac{c}{{\lambda }_1}}$.

${\displaystyle I_{{\nu }_2}^{{\nu }_1}(T)=-{\int }_{{\nu }_2}^{{\nu }_1}{I}_{\lambda }\left(\frac{c}{\nu },T\right)\frac{c}{{\nu }^2}d\nu ={\int }_{{\nu }_1}^{{\nu }_2}{I}_{\lambda }\left(\frac{c}{\nu },T\right)\frac{c}{{\nu }^2}d\nu }$

El integrando entonces, es la radiancia espectral en términos de la frecuencia.

${\displaystyle I_{\nu }(\nu ,T)=I_{\lambda }(c/\nu ,T)\frac{c}{{\nu }^2}=\left(\frac{C_1{\nu }^3}{c^4}\right)e^{-\left(\frac{C_2\nu }{cT}\right)}}$

Relación con la ley de Planck

Artículo principal: Ley de Planck

La aproximación de Wien fue originalmente propuesta como una descripción de todo el espectro de radiación térmica, aunque no describe con exactitud la longitud de onda larga (baja frecuencia) de emisión. Esta, pronto fue reemplazada por la ley de Planck, desarrollado por Max Planck. A diferencia de la aproximación Wien, ley de Planck describe el espectro completo de radiación térmica. La ley de Planck puede darse como:

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

La aproximación de Wien puede obtenerse a partir de la ley de Planck asumiendo que ${\displaystyle h\nu \gg kT}$. Cuando esto es cierto, entonces, puede decirse que:

${\displaystyle \frac{1}{e^{(\frac{h\nu }{kT})}-1}\approx e^{-(\frac{h\nu }{kT})}}$

Obteniendo

${\displaystyle I_{\nu }(\nu ,T)\approx (\frac{2h{\nu }^3}{c^2})e^{-(\frac{h\nu }{kT})}}$

Con lo que se puede evaluar ${\displaystyle C_1=2h{c}^2}$ y ${\displaystyle C_2=\frac{hc}{k}}$. De este modo, la ley de Planck es igual a la aproximación de Wien para altas frecuencias.