La perspectiva de Einstein (1905)

Presentación del tema: "La perspectiva de Einstein (1905)"— Transcripción de la presentación:

1 La perspectiva de Einstein (1905)
Un punto de vista heurístico respecto a la creación y transformación de la luz 18 de marzo de Ann Phys. 17 (1905) 132.

2 La radiación misma está cuantizada. La luz son partículas
La perspectiva de Einstein (1905) La radiación misma está cuantizada. La luz son partículas

3 ¿Habrá otro fenómeno dónde esto se manifieste?
La perspectiva de Einstein (1905) ¡La radiación misma está cuantizada! La luz son partículas ¿Habrá otro fenómeno dónde esto se manifieste? ¡El efecto fotoeléctrico!

4 El efecto fotoeléctrico. Hertz 1887

5 El efecto fotoeléctrico

6 El efecto fotoeléctrico. Hertz 1887

7 El efecto fotoeléctrico
1. Los electrones son emitidos inmediatamente. 2. El aumento de la intensidad de la luz aumenta el número de electrones emitidos, pero no su energía cinética máxima. 3. La luz de baja frecuencia (roja), sin importar su intensidad, no causa eyección de electrones.. 4. La luz de alta frecuencia (ultravioleta), débil eyecta unos cuantos electrones, pero su energía cinética máxima es mayor que los obtenidos usando luz muy intensa de longitudes de onda mayores.

8 ¡La física clásica falla de nuevo!
El efecto fotoeléctrico La teoría ondulatoria de la luz (ondas electromagnéticas) es incapaz de explicar el efecto fotoeléctrico. ¡La física clásica falla de nuevo!

9 La perspectiva de Einstein (1905)
La teoría cuántica de la luz explica perfectamente el efecto fotoeléctrico

10 El efecto fotoeléctrico
1. Los electrones son emitidos inmediatamente 2. El aumento de la intensidad de la luz aumenta el número de electrones emitidos, pero no su energía cinética máxima 3. La luz roja, sin importar su intensidad, no causa eyección de electrones 4. La luz ultravioleta débil eyecta unos cuantos electrones, pero su energía cinética máxima es mayor que los obtenidos usando luz muy intensa de longitudes de onda mayores

11 La perspectiva de Einstein (1905)
La teoría cuántica de la luz explica perfectamente el efecto foto eléctrico Millikan (detractor de la idea) lo prueba contundentemente entre 1914 y 1916

12 La luz: Ondas vs Partículas
La reflexión. Las dos teorías La refracción. Las dos teorías La doble refracción. Las dos teorías La interferencia. Sólo la ondulatoria La difracción. Sólo la ondulatoria La luz es una onda electromagnética El cuerpo negro. Sólo la corpuscular Efecto fotoeléctrico. Sólo la corpuscular

13 Teoría cuántica elemental de la radiación.
Teoría fenomenológica de Einstein

14 Teoría fenomenológica de Einstein
En 1916, Einstein propuso que ocurren esencialmente tres procesos en la formación de las líneas espectrales atómicas: Emisión espontánea Emisión inducida Absorción Con cada uno de estos procesos hay asociado un coeficiente que mide su probabilidad de ocurrencia.

15 Teoría fenomenológica de Einstein
Emisión espontanea La emisión espontánea es el proceso mediante el cual un electrón “espontaneamente”, es decir, sin ninguna influencia externa, decae de un nivel de energia a un nivel más bajo

16 Teoría fenomenológica de Einstein
Emisión inducida La emisión inducida es el proceso mediante el cual un electrón brinca a un estado de menor energía por la presencia de radiación electromagnética de una frecuencia igual (o muy cercana) a la frecuencia de la transición

17 Teoría fenomenológica de Einstein
Absorción La absorción es el proceso mediante el cual un electrón brinca a un estado de mayor energía por la absorción de un fotón. El fotón es absorbido por el átomo

18 Teoría fenomenológica de Einstein

19 Teoría fenomenológica de Einstein
Emisión espontanea

20 Teoría fenomenológica de Einstein

21 Teoría fenomenológica de Einstein
La densidad de energía de la radiación

22 Teoría fenomenológica de Einstein
Los coeficientes diferenciales de Einstein

23 Teoría fenomenológica de Einstein

24 Teoría fenomenológica de Einstein

25 Teoría fenomenológica de Einstein

26 Teoría fenomenológica de Einstein

27 Teoría fenomenológica de Einstein

28 Teoría fenomenológica de Einstein

29 Teoría fenomenológica de Einstein

30 Teoría fenomenológica de Einstein

31 Teoría fenomenológica de Einstein

32 Teoría fenomenológica de Einstein

33 Teoría fenomenológica de Einstein

34 Teoría fenomenológica de Einstein

35 Teoría fenomenológica de Einstein

36 Teoría fenomenológica de Einstein

37 ¡¡¡Aceptación universal del cuanto (Fotón) de luz!!!
Efecto Compton. 1923 ¡¡¡Aceptación universal del cuanto (Fotón) de luz!!!

38 La luz: Ondas vs Partículas
La reflexión. Las dos teorías La refracción. Las dos teorías La doble refracción. Las dos teorías La interferencia. Sólo la ondulatoria La difracción. Sólo la ondulatoria El cuerpo negro. Sólo la corpuscular Efecto fotoeléctrico. Sólo la corpuscular Efecto Compton. Sólo la corpuscular Deducción fenomenológica de Einstein

39 ¿Por fin, que $#?%&¡" es la luz?
La luz es onda y partícula En unos fenómenos se manifiesta como onda y en otros como partículas. “Ella decide” En la propagación se comporta como onda En la interacción con la materia se comporta como partícula

40 La radiación del cuerpo negro El efecto fotoeléctrico
La física clásica fue incapaz de explicar los nuevos fenómenos La radiación del cuerpo negro El efecto fotoeléctrico El efecto Compton La teoría cuántica de la luz La cuantización de la energía

41 La dualidad onda-partícula. Einstein la inventó para la luz
Sobre el desarrollo de nuestras opiniones respecto a la naturaleza y estructura de la radiación Phys. Zs. 10 (1909) 817 Señala la necesidad de usar los conceptos ondulatorios y corpusculares a la vez, para describir el comportamiento de los sistemas cuánticos.

42 ¿Qué es el fotón?

43 ¿Qué es el fotón? Cerca del final de su vida Einstein escribió: Cincuentas años completos de cavilaciones profundas no me han acercado más a la respuesta a la pregunta: ¿Qué son los cuantos de luz? Desde luego, hoy cualquier granuja piensa que conoce la respuesta, pero se engaña.

44 ¡¡¡¡¡Finalmente, nadie ganó, ambos tenían razón!!!!!
“En cierto sentido” Que locura

45 O más bien, ambos estaban mal, porque quién sabe que sea el fotón

46 Physics is an extraordinarily difficult “job
Physics is an extraordinarily difficult “job.” To understand the underlying physical origin of many seemingly simple processes is sometimes all but impossible. Yet the satisfaction that one gets in arriving at that understanding can be exhilarating. Paul R. Berman and Vladimir S. Malinovsky in Principles of laser spectroscopy and quantum optics.

47 ¿Y la materia? Matter has always been and will always be one of the main objects of physics. Wolfgang Pauli

48 ¿De qué está hecha la materia?
¿Existen los átomos? Si existen, ¿cómo son? ¿Son verdaderamente indivisibles? ¿Cómo se manifiestan?

49 Los átomos antes de 1908 Los conocimientos generados por la Química, sugerían la existencia de los átomos. La teoría atómica no era universalmente aceptada La teoría cinética de los gases se basaba en la idea atómica (Boltzmann). Sin embargo, existían objeciones filosóficas profundas (Mach y Ostwald) Los espectros de las sustancias eran un misterio

50 La estructura de la materia. Los átomos
Hasta antes de 1908 no se había aceptado de manera general la teoría atómica a pesar de: Evidencias químicas Leyes de la química. Dalton et al Pesos moleculares y atómicos Tabla periódica de los elementos Evidencias físicas Teoría cinética de los gases y del calor Electrólisis

51 El movimiento browniano
En 1824, el botánico escocés Robert Brown observó con un microscopio granos de polen y esporas, y descubrió que realizaban un movimiento completamente errático sin que, al parecer, nada influyera sobre ellas. A este movimiento se le llamo browniano.

52 El movimiento browniano
om/watch?v=p5F1d YDql08

53 La estructura de la materia. Los átomos
Einstein desarrollo en 1905 la teoría del movimiento browniano. Einstein, de pasada, inventó la teoría de los procesos estocásticos. También se le da crédito a Marian Smoluchowski.

54 El movimiento browniano
3HRiDc&feature=related _mEWo&feature=related

55 La estructura de la materia. Los átomos
Con la teoría de Einstein, para el movimiento browniano, Perrin (1908) fue capaz de determinar experimentalmente el número de Avogadro A partir de ese momento la teoría atómica de la materia fue universalmente aceptada

56 Otra vez Einstein. 1907 ¿Es la cuantización un fenómeno exclusivo de la luz o es un fenómeno universal? La teoría de la radiación de Planck y la teoría de los calores específicos 9 de noviembre de 1906 Ann Phys 22 (1907) 180

57 El calor específico

58 El calor específico

59 Los calores específicos de los sólidos
Resultado clásico Resultado experimental T

60 Otra vez Einstein. 1907 Teoría del calor
¿Es la cuantización un fenómeno exclusivo de la luz o es un fenómeno universal? Teoría del calor Contradicción entre la teoría cinética y la experiencia Cuantización de los osciladores de la materia Calores específicos de los sólidos

61 Solución de Einstein al problema
de los calores específicos de los sólidos

62 ¡Fundación de la teoría cuántica del estado sólido!
Solución de Einstein al problema de los calores específicos de los sólidos El sólido está formado por osciladores cuya energía está cuantizada ¡Fundación de la teoría cuántica del estado sólido!

63 La dualidad onda-partícula
La radiación del cuerpo negro El efecto fotoeléctrico El efecto Compton La dualidad onda-partícula para la luz

64 La cuantización de la materia
La variación de los calores específicos de los sólidos La cuantización de los osciladores armónicos La teoría cuántica del estado sólido

65 Los átomos no son tan átomos en el sentido de que son divisibles
Las leyes de la química Tabla periódica (1869) Descubrimiento de los rayos X (1895) Descubrimiento de la radioactividad (1896) Descubrimiento del electrón (1897) Los espectros de líneas de las sustancias

66 El espectro de las sustancias

67 El espectro de las sustancias

68 El espectro de las sustancias

69 El espectro de las sustancias

70 El espectro de las sustancias

71 El espectro de las sustancias

72 El espectro del Hidrógeno

73 El espectro del Hidrógeno
Lyman Balmer Paschen Brackett n λ (nm) 2 122 3 103 4 97.2 5 94.9 6 93.7 91.1 n λ (nm) 5 4050 6 2630 7 2170 8 1940 9 1820 1460 n λ (nm) 3 656 4 486 5 434 6 410 7 397 365 n λ (nm) 4 1870 5 1280 6 1090 7 1000 8 954 820

74 El espectro del Hidrógeno La serie de Balmer

75 El espectro del Hidrógeno
Lyman Balmer Paschen Brackett n λ (nm) 2 122 3 103 4 97.2 5 94.9 6 93.7 91.1 n λ (nm) 5 4050 6 2630 7 2170 8 1940 9 1820 1460 n λ (nm) 3 656 4 486 5 434 6 410 7 397 365 n λ (nm) 4 1870 5 1280 6 1090 7 1000 8 954 820

76 El espectro del Fierro

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78 El átomo de Rutherford. 1911

79 Átomo de Rutherford (1911)

80 Átomo de Rutherford (1911)

81 Átomo de Rutherford (1911)

82 Átomo de Rutherford (1911)

83 Átomo de Rutherford (1911)

84 Velocidad y aceleración ortogonales

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86 Átomo de Rutherford (1911) Otra vez una catástrofe. El átomo es inestable. Se colapsa en ≈10-9 segundos El espectro sería continuo No hay forma de definir un tamaño de átomo, ya que todas las órbitas son igualmente válidas clásicamente

87 El átomo de Bohr (1913)

88 El átomo de Bohr (1913)

89 El átomo de Bohr (1913)

90 El átomo de Bohr (1913)

91

92 El átomo de Bohr

93 Problemas del átomo de Bohr
No da la intensidad de las líneas espectrales Solo sirve para el átomo de hidrógeno Era un juego de ingenio, intuición y adivinanza

94 La hipótesis de de Broglie (1923)
Louis-Victor-Pierre-Raymond, séptimo duque de de Broglie

95 La hipótesis de de Broglie (1923)
Si las ondas electromagnéticas resultaron ser también partículas, ¿por qué no ha de suceder una cosa similar con la materia?

96 La hipótesis de de Broglie (1923)

97 La hipótesis de de Broglie (1923)

98 La onda de de Broglie

99 La hipótesis de de Broglie y los estados estacionarios
del átomo de Bohr

100 El electrón está estacionario alrededor del núcleo

101 ¿dónde andamos? ¿cómo están las cosas?
Recapitulemos…

102 La mecánica cuántica de Bohr (1913-1924)
Átomo de Rutherford (1911) Átomo de Bohr (1913) La mecánica cuántica de Bohr ( ) Hipótesis de de Broglie (1923)

103 Las cosas estaban maduras, y la fruta cayó, ó más bien las frutas cayeron….

104 Werner Heisenberg

105 Los observables Hay que abandonar de la descripción todas las variables dinámicas irrelevantes. Es necesario crear una teoría en la que sólo aparezcan las cantidades físicas que son observables.

106 Werner Heisenberg y su alergia
El 7 de junio de 1925…

107 Cantidades que NO conmutan

108 En la Física Clásica, las variables dinámicas conmutan

109 En la Física Clásica, las variables dinámicas conmutan

110 …y nació la Mecánica Matricial

111 Multiplicación de matrices

112 La Mecánica Matricial Heisenberg, Born y Jordan resolvieron integra y limpiamente el problema del átomo de hidrógeno y algunos otros problemas. Los resultados son perfectamente correctos La teoría se basa únicamente en observables Desaparece la imagen de partícula y de onda. Desaparece la idea de trayectorias (órbitas).

113 Las cosas estaban maduras, y la fruta cayó, ó más bien las frutas cayeron….

114 La ecuación de Schrödinger

115 … la Mecánica Ondulatoria

116 Schrödinger estacionaria
La ecuación de Schrödinger estacionaria

117 La ecuación de Schrödinger

118 La ecuación de Schrödinger estacionaria

119

120

121 La ecuación de Schrödinger estacionaria

122 La ecuación de Schrödinger estacionaria

123 La ecuación de Schrödinger estacionaria en una dimensión

124 La ecuación de Schrödinger estacionaria

125 La ecuación de Schrödinger estacionaria

126 Pozo unidimensional infinito

127 Pozo unidimensional infinito

128 Pozo unidimensional infinito

129 Pozo unidimensional infinito

130 Pozo unidimensional infinito

131 Pozo unidimensional infinito

132 Pozo unidimensional infinito

133 Pozo unidimensional infinito

134 Pozo unidimensional infinito

135 Pozo unidimensional infinito

136 El electrón volt eV El electronvoltio, abreviado como eV, es una unidad de energía equivalente a la energía cinética que adquiere un electrón al ser acelerado por una diferencia de potencial en el vacío de 1 voltio. Dicho valor se obtiene experimentalmente por lo que no es una cantidad exacta. 1eV = 1, × J

137 El electrón volt eV El electronvoltio es una unidad de energía, equivalente a la energía cinética que adquiere un electrón al ser acelerado por una diferencia de potencial en el vacío de 1 voltio. A single atom is such a small thing that to talk about its energy in joules would be inconvenient. But instead of taking a definite unit in the same system, like 10−20 J, [physicists] have unfortunately chosen, arbitrarily, a funny unit called an electronvolt (eV) ... I am sorry that we do that, but that's the way it is for the physicists.

138 Pozo unidimensional infinito

139 Pozo unidimensional infinito

140 Pozo unidimensional infinito

141 Pozo unidimensional infinito

142 Pozo unidimensional infinito

143 Pozo unidimensional infinito

144 Pozo unidimensional infinito

145 Pozo unidimensional infinito

146 Pozo unidimensional infinito

147 La ecuación de Schrödinger

148 La ecuación de Schrödinger estacionaria

149 Pozo unidimensional infinito