FÍSICA 7. Física Cuántica. 1.Dificultades de la Física Clásica. 2.Cuantización de la energía; fotones. 3.Dualidad onda-corpúsculo; Hipótesis de De Broglie. 4.Principio de incertidumbre de Heisemberg; límites de validez de la Física Clásica.

1.Dificultades de la Física Clásica. A finales del s. XIX parecía que los conceptos fundamentales en Física estaban perfectamente determinados. Sin embargo, existían algunos fenómenos que no quedaban explicados; los más importantes eran: 1.La radiación térmica. 2.El efecto fotoeléctrico. 3.Los espectros atómicos.

Radiación térmica Radiación electromagnética que emite un cuerpo debido a su temperatura. Un cuerpo negro sería aquel capaz de: Absorber toda la radiación que incida sobre él sin producir ninguna reflexión. Emitir la máxima cantidad de radiación posible a cualquier temperatura. Modelo del cuerpo negro Ley de Wien: A mayor temperatura del cuerpo, la λ de la máxima radiación emitida es menor. Ninguna teoría clásica podía explicar este fenómeno a partir de la radiación UV (“catástrofe ultravioleta“).

Efecto fotoeléctrico Emisión de electrones por parte de un metal cuando sobre él incide radiación electromagnética. A estos electrones emitidos se les conoce como fotoelectrones. Fue descubierto por Hertz en 1887 al irradiar UVA sobre zinc.

Física clásica Los electrones van absorbiendo la energía de la onda electromagnética hasta que tienen suficiente para vencer la atracción del núcleo y saltar: 1.La emisión de los electrones no sería instantánea y debería darse a cualquier frecuencia de la onda incidente. 2.La energía cinética de los fotoelectrones debería depender únicamente de la intensidad de la radiación y no de su frecuencia. 1.La emisión de los electrones es instantánea. 2.Empleando radiación con una frecuencia inferior a una cierta frecuencia umbral, no se observa emisión de electrones.La frecuencia umbral depende únicamente del tipo de metal que utilicemos. 3.La energía cinética de los electrones depende de la frecuencia de la radiación, no de su intensidad. 4.La intensidad de corriente sí depende de la intensidad de la radiación. Hechos experimentales Estos hechos vuelven a plantear la naturaleza corpuscular de la luz.

Espectros Atómicos Espectros de emisión: imágenes obtenidas por la radiación de las ondas electromagnéticas con diferentes frecuencias provenientes de un cuerpo caliente. Espectros de absorción: imágenes tras la absorción de ondas electromagnéticas al incidir radiación sobre un cuerpo.

Física clásica Los espectros de emisión y de absorción deberían ser continuos. Hechos experimentales 1.Los espectros observados son discontinuos. 2.Cada elemento químico tiene su propio espectro característico. 3.La ecuación de Rydberg (ley empírica) muestra las líneas para el espectro del átomo de hidrógeno.

2. Cuantización de la energía; fotones. El concepto de cuantización de la energía establece las bases para dar explicación a los tres fenómenos anteriores: Física Cuántica AutorAñoExplica Max Planck1900Radiación térmica Albert Einstein1905Efecto fotoeléctrico Niels Böhr1913Espectros atómicos

Hipótesis de Planck La energía no se emite de forma continua, sino discreta, es decir, cuantizada en cuantos o paquetes de energía. La energía correspondiente a un cuanto depende de la frecuencia de vibración de los átomos del material: Por tanto, la energía emitida no puede tener cualquier valor, sino un número entero de cuantos de energía. La energía está cuantizada.

Efecto fotoeléctrico de Einstein Supone que la energía está cuantizada y que la propia radiación está constituida por partículas (fotones), que transportan los cuantos de energía. Al suponer que la luz se comporta como una partícula, transmitirá su energía instantáneamente a los electrones, parte de esta energía se utilizará en la extracción de éstos, y la energía sobrante se transformará en energía cinética de los electrones.

Desarrollo

Modelo atómico de Böhr La órbita del electrón no puede ser cualquiera, el momento angular está cuantizado. Si el electrón permanece en una órbita, su energía permanece constante. El átomo emite radiación cuando un electrón salta de una órbita de mayor energía a otra de menor, y absorbe en el caso contrario. Al estar permitidas solo ciertas órbitas, sólo están permitidos ciertos saltos, y por tanto, sólo se emitirá o absorberá radiación de ciertas frecuencias.

Desarrollo para el átomo de hidrógeno Demostración de la ecuación de Rydberg

3.Dualidad onda-corpúsculo; Hipótesis de De Broglie. En ciertos fenómenos (efecto fotoeléctrico) la luz se comporta como una partícula y en otros (difracción) se comporta como una onda. Parece que a nivel subatómico la diferencia entre onda y partícula no está tan clara. Comportamiento dual de la luz. Cualquier partícula puede comportarse como una onda en determinados experimentos. A cada partícula corresponde una onda asociada. Supone que toda la materia tiene un comportamiento dual. Hipótesis de De Broglie (1924)

4.Principio de incertidumbre de Heisemberg; límites de validez de la Física Clásica. Es imposible medir simultáneamente y con total exactitud la posición y la cantidad de movimiento de una partícula. La incertidumbre en la medida cumplirá: Heisemberg (1927) No existirán posición o velocidad exactas de una partícula, únicamente probabilidad de encontrarla en una determinada posición. El modelo atómico de Böhr queda inválido. Schrödinger, con su ecuación de onda para el electrón, proporciona la herramienta básica de la Física Cuántica.

Límites de validez de la Física Clásica Aplicable cuando no sea apreciable el carácter ondulatorio de la materia, es decir, cuando λ asociada es despreciable frente al tamaño del sistema (sistemas macroscópicos). Física Clásica Física Cuántica Aplicable a sistemas microscópicos y subatómicos. PartículaMasapEnergíaλ Fotón 0 Partículas clásicas m