TEORÍA CUÁNTICA: la solución de Planck, el efecto fotoeléctrico y efecto Compton Xihomara Lizzet Casallas Cruz Grupo 9 N 7 D.I Física III

¿Cómo se comporta la Luz? A mediados del siglo XIX debido a la inconsistencia de los modelos de la física clásica aplicados al movimiento de los electrones como parte fundamental del átomo y de la materia, se vio la necesidad de crear una nueva teoría que explicara estos fenómenos: la mecánica cuántica. Consecuencia al estudio de la materia y para entender el comportamiento de esta, por medio del concepto de la luz se requiere un entendimiento adecuado de ésta última. Ese entendimiento cambió con Planck y su teoría cuántica de los cuerpos negros. La teoría cuántica dio paso a una revolución científica con ideas que reemplazaron la antigua física. En 1905 la aplicación de la teoría cuántica de Einstein concluyó en un paso fundamental seguido de Comptom, ideas que se tradujeron en la nueva física, la moderna mecánica cuántica.

Comportamiento ondulatorio En el auge de Isaac Newton era conocido que la luz era una corriente de partículas emitidas por fuentes de luz pero hasta 1665 se consideraron indicios de que la luz tenía comportamiento ondulatorio, pero sólo hasta mediados del siglo XIX se pudieron demostrar. Para 1873 Maxwell apareció con la teoría de las ondas y Hertz afirmó que la luz era una onda electromagnética.

Inicios del efecto fotoeléctrico En el experimento de Hertz 1887 la incidencia de luz sobre metal en el vacío, se observó lo siguiente: Bajo cierta frecuencia umbral de frecuencia, no había emisión de electrones; por encima de esa frecuencia había emisión. A una mayor intensidad no hacía que los electrones se emitieran más rápido, como se esperaba, sino que se emitían mayor número de electrones. A una frecuencia muy alta de luz provocaba mayor rapidez en la emisión de electrones.

El cuerpo negro Presenta características como: que son absorbedores y emisores perfectos y que la radiación dependía de la temperatura únicamente y no del material. Para modelar el comportamiento del cuerpo negro se hicieron una serie de experimentos, sobresalió el experimento de Rayleigh donde supuso que la energía de una onda luminosa es proporcional a su longitud de onda, propuso una ecuación que más tarde fue corregida por Jeans que describe la energía por unidad de volumen en función de la longitud de onda. Donde k es la constante de Boltzmann, Lambda la longitud de onda, T la temperatura absoluta.

Catástrofe ultravioleta El problema de la deducción de Rayleigh es que conforme disminuye la longitud de onda la densidad de energía tiende a infinito lo que no concordaba con los resultados experimentales de describían que la energía llegaba a un máximo y comenzaba a disminuir. Se dieron cuenta que esto sucedía cuando se encontraba en la región de la luz ultravioleta así el fenómenos se conoció como catástrofe ultra violeta.

Teoría de Planck Finalmente en 1900 Max Planck propuso una ecuación que predecía las intensidades de la radiación del cuerpo negro. Planck consideró que la luz interactuaba con oscilaciones eléctricas en la materia y que la energía de estas era proporcional a su frecuencia. Donde h es la constante de Planck 6,626x J.s y v es la frecuencia, esta se conoció como la energía de un cuanto. Por lo tanto se afirma que la energía de un oscilador está cuantizada, la distribución de energía se replantea de la siguiente manera: c es la velocidad de la luz 3x10 8 m/s.

Efecto Fotoeléctrico La relación entre la energía de la luz y la del electrón se expresa de la siguiente manera: Planck utilizó la teoría cuántica aplicada a osciladores, mientras que Einstein en 1905 la aplicaba a la luz misma: afirmó que un cuanto de luz era la energía que posee la luz y que esa energía es proporcional a la frecuencia de la luz. Einstein supuso algunas afirmaciones con respecto al efecto fotoeléctrico antiguamente explorado pero sin éxito alguno: La luz es absorbida por los electrones en un metal y la energía de la luz es directamente proporcional a la energía del electrón. El electrón esta enlazado al metal por una energía de enlace, cuando la luz incide sobre el metal debe vencer esa energía antes de que el electrón sea expulsado del metal. Esta energía se conoce como función de trabajo W. El exceso de energía después de la función trabajo se convierte en energía cinética que lleva el electrón.

Efecto Compton Entonces la longitud de onda de los fotones incidentes 0, la longitud de onda de los fotones dispersados están relacionadas y dependen del ángulo de dispersión θ. Donde h y c ya fueron descritas, m 0 es la masa en reposo del electrón. = es la longitud de onda de Compton y tiene un valor de 0,0242 A°. El efecto Compton es una ampliación del efecto fotoeléctrico, este científico demostró y convenció a todos los científicos de la validez de los argumentos de Einstein, paso definitivo que animó a los científicos de la época a estudiar y ampliar el conocimiento de la naturaleza desde la física cuántica, porque todavía faltaban preguntas por resolver ejemplo de esto son: ¿Cómo es la estructura atómica? ¿Cómo plantear la mecánica cuántica si esta es diferente a la mecánica clásica?

Conclusiones La teoría cuántica de Planck resolvió una de las grandes incógnitas de la física antigua, la radiación del cuerpo negro, esa teoría es considerada como la puerta a la física moderna, a partir de 1900 los descubrimientos realizados se consideran de la física moderna. Nada se hubiera demostrado sin la creación de una nueva teoría ya que la física antigua no pudo especificar la naturaleza de la Luz. Bibliografía SEARS Zemansky Física Tomo II Ed. Mc Graw Hill. M. García y J. Ewert, Introducción a la física moderna, Unibiblos, Bogotá. BALL David Fisicoquímica. Ed. Thompson, México, 2004 LEVINE, Fisicoquímica Tomo I, Ed Mc Graw Hill. Mexico