Orígenes de la Física Moderna

La crisis de la física clásica A principios del S. XX evidencias experimentales contradicen las teorías clásicas (la mecánica newtoniana y el electromagnetismo de Maxwell). Se necesita una reformulación de la Física Si la fisica clásica está en contradicción con los experimentos, por qué se continúa estudiando y utilizando? Porque las violaciones de la física clásica sólo son apreciables a distancias muy pequeñas ( atomo, ~10-10 m) o a velocidades muy grandes (cercanas a c ~ 3 108 m/s).

GRAVITACION UNIVERSAL Física Clásica (<1900) F  m a MECANICA Newton 1686 Ec. del movimiento GRAVITACION UNIVERSAL ELECTROMAGNETISMO Maxwell 1865

Fin del XIX – Inicio del XX Estudio de Fenómenos a Escala Atómica: ACCION h=6.6  10-34 J s VELOCIDAD’ c=3  108 m/s Dualismo Onda-Partícula Relaciones de Indeterminación Probabilismo … c: velocidad absoluta Dilatación del Tiempo No-conservación de la Masa … MECANICA CUANTICA RELATIVIDAD

Limites de la Fisica Clasica Origen de la Fisica Moderna 1900: Limites de la Fisica Clasica Origen de la Fisica Moderna A escala macroscópica: velocidad << c acción >> h La física clásica describe bien la realidad del mundo macroscópico Niels Bohr, 1927: “Quien no se sorprende ante la mecánica cuántica evidentemente no la entiende” Richard Feynman, 1967: “Nadie entiende la mecánica cuántica”

Constante de Planck Experimentalmente h = 6.63 x 10-34 Joule sec Una nueva constante de la naturaleza, que resulta de importancia fundamental en la nueva teoría cuántica.

Efecto Fotoeléctrico Hertz Cuando incide luz sobre algunas superficies metálicas se emiten partículas cargadas (Hertz 1887) Thomson demostró (1899) que son electrones: Efecto fotoeléctrico Los electrones emitidos se llaman fotoelectrones Einstein en 1905 dio una explicación satisfactoria del efecto fotoeléctrico y recibió en 1921 el premio Nobel por ello J.J. Thomson

EFECTO FOTOELÉCTRICO Predicciones clásicas Light, frequency ν El campo eléctrico de la luz E ejerce una fuerza F=-eE sobre los electrones. Al aumentar la intensidad de la luz la fuerza aumenta, luego la EC de los electrones emitidos aumentará. Mientras E sea suficientemente grande se deben emitir electrones, independientemente de la ν de la luz. Para intensidades muy bajas, se espera un tiempo de retardo entre exposición y emisión, mientras los electrones absorben energía suficiente para escapar del material Predicciones clásicas Light, frequency ν Vacuum chamber Collecting plate Metal plate I Ammeter Potentiostat http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm

Amplitud fija, se varía la longitud de onda Método “Clásico” Amplitud fija, se varía la longitud de onda Y si…..? Se aumenta la energía aumentando la amplitud se emiten electrones? se emiten electrones? No No No Sí, con EC baja No If light was really a wave, it was thought that if one shined light of a fixed wavelength on a metal surface and varied the intensity (made it brighter and hence classically, a more energetic wave), eventually, electrons should be emitted from the surface. Sí, con EC alta No No se emite ningún electrón mientras la frecuencia de la luz no supere un valor crítico

Predicciones del modelo ondulatorio (clásicas) A intensidades suficientemente altas el ritmo de emisión de electrones será proporcional a la intensidad de la luz A intensidades muy bajas debe haber un retraso entre la iluminación y la emisión de electrones (hasta varios segundos) La EC máxima de los electrones expulsados aumentará con la intensidad de la luz http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm

Problema: cálculo del tiempo de retardo Se coloca una fuente luminosa de potencia 1 W a 1 m de una placa de potasio. Se supone que el electrón emitido puede recibir energía en un área circular de radio 10-10 m. La energía necesaria para extraer un electrón de la superficie de potasio es 2.1 eV. ¿Cuánto tiempo le llevaría al electrón absorber esa energía de la fuente luminosa? S: 134 s

Gráfico Corriente/Voltaje La corriente aumenta con la intensidad, pero llega a saturar para ΔV’s grandes Al disminuir la ΔV entre las placas disminuye el nº de electrones que alcanzan el ánodo No hay corriente para voltajes inferiores a –ΔVs, el potencial de frenado Hay una relación directa entre potencial de frenado y ECmáx de los electrones El potencial de frenado es independiente de la intensidad de la radiación

Resultados experimentales Para Intensidad (I) y frecuencia de la luz fijas el nº de electrones emitidos es proporcional a I (como se predecía) Por muy baja que sea la intensidad de la luz los electrones se emiten instantáneamente (retraso <10-8 s) Si f<fcorte (propia de cada metal) no se emite ningún electrón, independientemente de la intensidad de la luz Para f cte. La ECmáx de los electrones es independiente de la intensidad de la luz La ECmáx de los electrones es directamente proporcional a f , con igual pendiente para todos los metales

La Física Clásica no explica… Cuando la frecuencia de la luz incidente es inferior a una frecuencia de corte característica del material iluminado , no se emiten electrones La energía cinética máxima de los fotoelectrones es independiente de la intensidad de la luz La EC máxima de los electrones aumenta al aumentar la frecuencia de la luz Los electrones se emiten desde la superficie casi instantaneamente, incluso a bajas intensidades

Explicación de Einstein Einstein en 1905 explica el efecto fotoeléctrico: Los electrones están ligados a los átomos en el metal Se necesita un mínimo de energía, (función trabajo W0, ) para sacar a los electrones del átomo Cuando un fotón choca con un átomo,puede ser absorbido. Si la energía E=hf del fotón es suficiente (mayor o igual que W0,) se rompe el enlace atómico y se libera el electrón

Explicación de Einstein “función trabajo”, depende del material hf=KEmax+W0 energía mínima para liberar al electrón energía del fotón incidente Energía cinética máxima del fotoelectrón

Si E>W0 , sobra energía que se emplea como energía cinética del electrón, energía térmica del metal, etc. La enegía cinética máxima del electrón ECmax se da cuando E-W0 se transforma en energía cinética Como la EC no puede ser negativa, la frecuencia mínima de la luz que puede originar efecto fotoeléctrico es

Explicación de los Problemas Clásicos Por debajo de la frecuencia de corte (sea cual sea la intensidad de la luz) no se observa el efecto porque la energía de la luz debe superar la función trabajo La EC máxima depende sólo de la frecuencia y de la función trabajo, y no de la intensidad de la luz. Además aumenta al aumentar la frecuencia. El efecto es instantáneo porque hay una interacción directa fotón-electrón

PROBLEMA: Cuando incide luz de λ = 625 nm sobre una superficie metálica se observa que se emiten electrones con velocidad máxima de 4.6 × 105 m/s. (a) Cuál es la función trabajo de la superficie? (b) Cuál es la frecuencia de corte? Sabiendo que ECmax=hf – W0. Luego = 1.4 eV La frecuencia de corte es

27.3 Application: Photocells Photocells are an application of the photoelectric effect When light of sufficiently high frequency falls on the cell, a current is produced Examples Streetlights, garage door openers, elevators

Verification of Einstein’s Theory fc=/h is the cutoff frequency Experimental observations of a linear relationship between KE and frequency confirm Einstein’s theory The x-intercept is the cutoff frequency c=hc/ is the cutoff wavelength

PHOTOELECTRIC EFFECT (cont) Einstein Maximum KE of ejected electrons is independent of intensity, but dependent on ν For ν<ν0 (i.e. for frequencies below a cut-off frequency) no electrons are emitted There is no time lag. However, rate of ejection of electrons depends on light intensity. Actual results: Einstein’s interpretation (1905): Light comes in packets of energy (photons) An electron absorbs a single photon to leave the material Millikan The maximum KE of an emitted electron is then Work function: minimum energy needed for electron to escape from metal (depends on material, but usually 2-5eV) Verified in detail through subsequent experiments by Millikan Planck constant: universal constant of nature

The photoelectric effect Why could classical theory not explain the photoelectric effect? because classically the energy of light is not related to the frequency of the light wave, so what should have turned the photoelectric effect “on” was merely having light with sufficient intensity in the quantum explanation, the intensity of the light is related to the number of photons. But if an individual photon doesn’t have enough energy, it doesn’t matter how many of these you throw at the atom, they won’t be able to overcome the work function

Applet de efecto fotoeléctrico ( A. Franco) http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm