Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica

Presentación del tema: "Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica"— Transcripción de la presentación:

1 Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica
INAOE

2 Propedéutico de la coordinación de Óptica

3 Teoría electromagnética

4 Teoría electromagnética
Introducción La carga eléctrica El campo eléctrico El potencial eléctrico La ley de Gauss La capacitancia y la corriente eléctrica Los campos eléctricos en la materia El campo magnético Los campos magnéticos en la materia La ley de Ampere La inducción y la inductancia Las ecuaciones de Maxwell Las ondas electromagnéticas

5 Introducción

6 La Óptica La ÓPTICA es la rama de la Física que estudia el comportamiento y las propiedades de la luz, incluyendo sus interacciones con la materia y la construcción de instrumentos que la usan o la detectan. Wikipedia

7 ¿Qué es la luz?

8 Las ecuaciones de Maxwell en el vacío

9 La luz es una onda electromagnética que se propaga en el éter.
¿Qué es la luz? La luz es una onda electromagnética que se propaga en el éter.

10 La física a finales del siglo XIX
Mecánica (y todas sus derivaciones) Continuidad. Invención y aplicación del cálculo diferencial e integral y del análisis matemático Concepto de partícula Óptica Electromagnetismo Termodinámica Teoría cinética de los gases

11 La física a finales del siglo XIX
William Thomson Kelvin (Lord Kelvin): Dos pequeñas nubes en el horizonte El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley El problema del cuerpo negro

12 El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley

13 El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley

14 El problema del cuerpo negro

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16 Absorción y emisión de radiación

17 La radiación del cuerpo negro
Todos los cuerpos en el Universo emiten radiación La intensidad y el “color” de la radiación depende de la temperatura a la que esté el cuerpo Los cuerpos más calientes emiten radiación más azul Los cuerpos más fríos emiten radiación más roja

18 Radiación térmica o calor de radiación
La radiación térmica o calor de radiación es radiación electromagnética de un objeto causada por su temperatura. Es la radiación emitida por un objeto en virtud de su temperatura

19 La ley de Kirchhoff de la radiación térmica
En equilibrio termodinámico, la emisividad de un cuerpo o superficie es igual a su absorbencia

20 El cuerpo negro Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la radiación electromagnética que incide sobre él. Ninguna radiación pasa a través de él y ninguna radiación es reflejada. Un cuerpo negro es un absorbedor y un emisor perfecto

21 La radiación del cuerpo negro
El emisor y absorbedor perfecto

22 La radiación del cuerpo negro
La radiación electromagnética y la cavidad se dejan mucho tiempo hasta que se alcance el equilibrio termodinámico

23 La radiación del cuerpo negro
La radiación electromagnética y la cavidad se dejan mucho tiempo hasta que se alcance el equilibrio termodinámico. Se observa la radiación de la cavidad a través de un pequeño hoyo. Se mide la energía por unidad de volumen por unidad de frecuencia.

24 El cuerpo negro. Propiedades termodinámicas
Kirchhoff mostró, con puros argumentos termodinámicos (con la segunda ley), que la radiación dentro de una cavidad: Es isotrópica; es decir, el flujo de radiación es independiente de la dirección. Es homogénea; es decir, es la misma en todos los puntos. Es la misma en todas las cavidades que tienen la misma temperatura; es decir, es independiente del recipiente (material y forma).

25 La radiación del cuerpo negro
Experimentalmente se encontró: La energía está en electrón volts por metro cúbico por Hertz. Las curvas están hechas con Maple. El archivo está en: Documentos/Teoria de radiacion/2009/La ley de radiacion de Planck ?.mws 2,000 K

26 La radiación del cuerpo negro

27 La radiación del cuerpo negro
La física clásica Resultado experimental La energía está en electrón volts por metro cúbico por Hertz 2,000 K

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29 La radiación del cuerpo negro
¡¡¡La teoría ondulatoria de la luz (ondas electromagnéticas) es incapaz de explicar el espectro del cuerpo negro!!!

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31 … y se inicia la revolución cuántica …

32 La hipótesis cuántica Max Planck. 1900

33 La hipótesis cuántica. Planck 1900
El intercambio de energía entre la radiación y las paredes del recipiente se efectúa de manera cuantizada; es decir, la energía no se intercambia de manera continua sino en paquetes, llamados cuantos

34 La hipótesis cuántica. Planck 1900
El intercambio de energía entre la radiación y las paredes del recipiente se efectúa de manera cuantizada, es decir, la energía no se intercambia de manera continua sino en paquetes, llamados cuantos

35 La radiación del cuerpo negro
La energía está en electrón volts por metro cúbico por Hertz 2,000 K

36 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.

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

38 ¿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!

39 El efecto fotoeléctrico. Hertz 1887

40 El efecto fotoeléctrico

41 El efecto fotoeléctrico. Hertz 1887

42 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.

43 ¡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!

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

45 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

46 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

47 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

48 Aceptación universal del cuanto (Fotón) de luz
Efecto Compton. 1923 Aceptación universal del cuanto (Fotón) de luz

49 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

50 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 La teoría cuántica de la luz La cuantización de la energía

51 ¿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

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

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

54 ¿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.

55 Otra vez la doble rendija

56 La doble rendija con partículas

57 La doble rendija con ondas

58 La doble rendija con luz

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60 La doble rendija con luz de muy baja intensidad

61 La doble rendija con luz de muy baja intensidad

62 La doble rendija con luz de muy baja intensidad

63 La doble rendija con luz de muy baja intensidad

64 La doble rendija con luz de muy baja intensidad

65 La doble rendija con luz de muy baja intensidad

66 con luz de muy baja intensidad
La doble rendija con luz de muy baja intensidad

67 La doble rendija con luz

68 ¿Por dónde pasa el fotón?

69 Which-Way Marker

70 Quantum Erasure

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74 ¿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.