La crisis de la Física Clásica

Para la física has inicios del siglo pasado Las partículas son entes físicos con masa definida que pueden poseer carga eléctrica. Su comportamiento está descrito por las leyes de la mecánica clásica (Newton) Las ondas son entes físicos que al propagarse, transportan energía y cantidad de movimiento. Experimentan fenómenos como la reflexión, refracción, difracción y polarización, y quedan explicados en la teoría ondulatoria (Huygens) y en la teoría electromagnética (Maxwell)

La naturaleza se explica en parte con las leyes de Newton y en parte con las leyes de Maxwell … hasta que resultaron insuficientes… Científicos como Böhr, Heisenberg, Schröedinger, Born entre otros contribuyeron para elaborar una nueva física para explicar la naturaleza: la mecánica cuántica, capaz de aunar en un solo ente las partículas y las ondas

Radiación Cuantizada Cuerpo Negro Cuando un cuerpo se caliente emite energía en forma de ondas electromagnéticas Es la Radiación Térmica El estudio de la radiación puede verse influido por otros factores secundarios, por eso para conocer la radiación térmica se usa un objeto ideal denominado Cuerpo Negro El cuerpo negro absorbe toda radiación que reciba y puede emitir toda la energía en forma de radiación térmica. El cuerpo negro es un emisor y un absorbente perfecto

¿Qué relación existe entre temperatura del cuerpo y radiación emitida? Para ver la relación representamos la la intensidad de energía emitida frente a la longitud de onda de la radiación emitida a diferentes temperaturas Como ves para una temperatura dada el cuerpo negro emite en todas las longitudes de onda, pero predomina un valor de  para el que la energía emitida es máxima Las teoría de Maxwell no podía explicar este fenómeno.

Para conocer la energía total emitida es necesario sumar las energías correspondientes a cada longitud de onda. Empíricamente y teóricamente esto dio como resultado la ley de Stephan-Boltzman, que permite conocer la energía total emitida por un cuerpo al alcanzar una cierta temperatura

Ya tenemos una relación entre temperatura y energía emitida Pero el problema de la radiación térmica sigue ¿qué relación existe entre energía radiada y longitud de onda de la radiación correspondiente? W. Wien observó que existe una relación entre la frecuencia de máxima emisión y la temperatura Ley del desplazamiento de Wien

Los datos experimentales concuerdan con la hipótesis de Planck Planck trata de encontrar una relación entre energía emitida por un cuerpo negro y frecuencia de la radiación a la que es emitida. Sugiere que la radiación entrega la energía transportada a la materia no de forma contínua sino en forma de cantidades discretas de energía, los cuantos. El valor de la energía de un cuanto viene dado por h constante 6,626·10-34 J·s Si la radiación transfiriera su energía a la materia de forma continua, la energía irradiada por un cuerpo negro se incrementaría con la frecuencia Los datos experimentales concuerdan con la hipótesis de Planck

Efecto Fotoeléctrico En la segunda mitad del siglo XIX Hertz observó que determinados metales emitían electrones al ser iluminados con luz de determinada frecuencia. Este proceso por el cual se liberan electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico.

Para cada sustancia hay una frecuencia mínima (frecuencia umbral) de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación. La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal.

Entre cátodo (emisor de fotoelectrones) y ánodo (colector) mantenemos una diferencia de potencial que facilita el movimiento de electrones Sólo hay corriente cuando la frecuencia de luz incidente alcanza el valor de la frecuencia umbral. Si aumentamos la diferencia de potencial la intensidad aumenta hasta un valor máximo denominado corriente de saturación

Entre cátodo (emisor de fotoelectrones) y ánodo (colector) mantenemos una diferencia de potencial que se opone al movimiento de electrones Para un valor determinado de la diferencia de potencial se corta la corriente. Es el potencial de frenado Cuando esto ocurre la energía cinética de los electrones se convierte en trabajo eléctrico

En resumen: Existe una frecuencia umbral, la mínima necesaria para la emisión de fotoelectrones El potencial de frenado (y por tanto la energía de los electrones) solo depende de la frecuencia de la luz empleada Para la física clásica a mayor intensidad de una onda (potensia/superficie) mayor energía y por tanto los electrones arrancados debieran ser más energéticos…

Después de que Planck propusiera su hipótesis de cuantización en la transmisión de la energía, Einstein propuso que además…. La energía electromagnética se propaga de forma cuantizada. La energía de cada cuanto es E=h·f , donde f es la frecuencia de la radiación. Al cuanto de radiación se le llamó fotón En el efecto fotoeléctrico cada fotón interactúa con un electrón para arrancarlo de la superficie metálica. El efecto fotoeléctrico se interpreta como una interacción o choque entre paquetes de energía y electrones

Para que electrón escape del metal debe recibir una radiación con frecuencia superior a la umbral Los fotones necesitan una energía dada por We=h·fo Se denomina trabajo de trabajo de extracción Si el fotón lleva más energía el exceso de energía se convierte en energía cinética del electrón Ec= h·f - h·fo Sería la energía cinética máxima del electrón arrancado por una radiación de frecuencia f > fo

Espectros atómicos y Bohr La radiación térmica se caracteriza porque los cuerpos emiten en todas las longitudes de onda. Producen espectros continuos de emisión electromagnética. Sin embargo en el espectro del sol y elementos gaseosos emiten espectros discontinuos Y estos espectros son diferentes para elementos diferentes. Cada elemento químico presenta un espectro propio.

El espectro del hidrógeno es el más simple de estudiar, es un átomo con un solo electrón La expresión de Rydberg permite predecir todas las líneas espectrales del hidrógeno (RH = 1,097·107 m-1) Cada valor de m (m<n) describe una serie de líneas del espectro

El átomo según Bohr Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas estacionarias sin emitir ni absorber energía Los electrones solo emiten o absorben energía cuando cambian de órbita. Solo son posibles aquellas órbitas en las que el momento angular es múltiplo de un valor dado por h/2π El radio de la órbita se puede obtener teniendo en cuenta que también hay una fuerza de atracción eléctrica causante del movimiento circular del electrón

Esta expresión permite calcular el radio de las posibles órbitas del electrón en el átomo de hidrógeno. El número n es el llamado número cuántico principal, es un entero positivo Las órbitas de los electrones de un átomo están cuantizadas

Las órbitas están cuantizadas Las órbitas son estacionarias Cada órbita se caracteriza por una energía La energía en las órbitas está cuantizada El electrón en órbita posee energía cinética y potencial eléctrica. Su energía total es suma de ambas Energía cuantizada mediante el número cuántico principal

Hemos visto que n=1 indica el estado fundamental del electrón en el átomo de hidrógeno. Átomo sin excitar. El electrón puede absorber energía y saltar de una órbita a otra de mayor energía (mayor n). Cuando vuelve a una órbita inferior emitirá energía. Estos saltos cuánticos implican intercambios de energía y esta energía está cuantizada, según la hipótesis de Planck Supongamos que el electrón va de un etado con n=a hasta otro con n=b, de forma que b < a

Que coincide con la expresión de Rydberg m=3 m=2 Que ahora es fácil de interpretar: nos da las líneas espectrales correspondientes a los saltos electrónicos hasta el nivel m desde los distintos niveles n, por encima de m m=1 Solo explica el átomo de hidrógeno, no puede explicar el átomo de Helio