FÍSICA CUÁNTICA.

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1 FÍSICA CUÁNTICA

2 Índice Introducción Radiación térmica. Teoría de Planck.
Efecto fotoeléctrico. Teoría de Einstein. Cuantización de la energía. Modelo atómico de Bohr. Mecánica cuántica. Hipótesis de De Broglie. Dualidad partícula – onda. Principio de incertidumbre de Heisenberg.

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5 Introducción Las leyes de Newton son la base de la Física Clásica.
A principios del siglo XX otras leyes que han propiciado el nacimiento de la Física Cuántica. Los trabajos de Max Planck, Niels Bohr, Albert Einstein fueron los pioneros de la Física Moderna. Vamos a contestar preguntas como: ¿ Por qué al calentar los cuerpos adquieren un color rojo-amarillo? ¿ En qué se basa el funcionamiento de las células fotoeléctricas? ¿ Es cierto que toda partícula en movimiento lleva asociada una onda? ¿ En qué se diferencia la luz de un láser de la luz ordinaria? ¿ Cómo funciona un microscopio electrónico? Tres hechos fundamentales obligan a revisar las leyes de la Física Clásica y propician el nacimiento de la Física Cuántica: la radiación térmica, el efecto fotoeléctrico y el carácter discontinuo de los espectros atómicos.

6 Radiación térmica. Teoría de Planck.
Se llama radiación térmica de un cuerpo a la energía electromagnética que emite debido a su temperatura La longitud de onda de la radiación emitida decrece a medida que aumenta la temperatura y, en consecuencia, aumenta la frecuencia de la radiación emitida. Se conoce como CUERPO NEGRO, aquel que es capaz de absorber todas las radiaciones que llegan a él, sin emitir nada de lo que absorbe. No se debe confundir el concepto de cuerpo negro con su color.

7 Cuerpo negro La radiación de un cuerpo negro sigue las leyes de:
Wien: La longitud de onda, para la cual la intensidad emitida es máxima, disminuye al aumentar la temperatura: lmáx T = 2, mK Stefan – Boltzman: La intensidad de la radiación, a una temperatura determinada, es directamente proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta: Itotal = s T4 siendo s = 5, W/m2 K-4

8 CUERPO NEGRO

9 HIPÓTESIS DE PLANCK Planck afirma que la energía emitida por un cuerpo negro no es continua, sino discontinua, formada por cuantos, paquetes, de energía de frecuencia determinada. La energía de un cuanto viene dada por: E = h f donde h es la constante de Planck h = 6, J . s

10 Efecto fotoeléctrico

11 Efecto fotoeléctrico. Teoría de Einstein.
Se conoce con el nombre de efecto fotoeléctrico a la emisión de electrones ( fotoelectrones) por las superficies metálicas cuando se iluminan con luz de frecuencia adecuada. Fue observado por Hertz, en 1887, al comprobar que la descarga entre dos electrodos aumentaba si se iluminaban con luz ultravioleta El estudio cuantitativo del efecto fotoeléctrico ha conducido a las siguientes conclusiones: - Para cada metal existe una frecuencia mínima ( frecuencia umbral) por debajo de la cual no se produce el efecto fotoeléctrico, independientemente de la intensidad de la radiación luminosa. - Sólo cuando la frecuencia de la luz incidente es mayor que la frecuencia umbral, la intensidad de la corriente fotoeléctrica es proporcional a la intensidad de la radiación luminosa. - La energía cinética de los electrones aumenta al hacerlo la frecuencia de la luz incidente, pero es independiente de su intensidad luminosa. - La emisión de electrones es prácticamente instantánea.

12 Efecto fotoeléctrico. Teoría de Einstein.
Según Einstein, toda la energía de un fotón se trasmite a un electrón del metal, y cuando éste salta de la superficie metálica posee energía cinética, cumpliéndose la ecuación: h f = We + Ec h f = We + 1/2 m v2 Energía del fotón = Trabajo de extracción + Energía cinética del electrón We = h f0 Si la energía del fotón es mayor que el trabajo de extracción, el electrón escapa del metal con una velocidad determinada ½ mv2 = h ( f – f0 ) f0 es la frecuencia umbral que es distinta para cada metal. La energía cinética máxima Ecmáx = ½ m v2 = e V0

13 Cuantización de la energía. Modelo atómico de Bohr.
Todos sabemos que cuando se excitan los átomos en estado gaseoso, estos emiten energía electromagnética que recogida en un espectroscopio forman un espectro discontinuo formado por rayas que corresponden a las diferentes longitudes de onda. En el caso del hidrógeno podemos conocer las l de acuerdo a la siguiente fórmula 1 / l = R ( 1 / n12 – 1 / n22 ) Donde n1 y n2 son números enteros y R la constante de Rydberg. Serie de Lyman n1 = 1 n2 = 2,3,4… Serie de Balmer n1 = 2 n2 = 3,4,5… Serie de Paschen n1 = 3 n2 = 4,5,6… Serie de Brackett n1 = 4 n2 = 5,6,7… Serie de Pfund n1 = 5 n2 = 6,7,8 …

14 Mecánica cuántica. El átomo de Borh explicó el espectro del átomo de hidrógeno pero no consiguió explica los espectros de átomos con varios electrones. Para explicar estos átomos unos físicos teóricos ( Erwin Schrödiger, Werner Heisenberg) desarrollaron una nueva mecánica, llamada Mecánica Cuántica. La Física Clásica se fundamenta en dos principios: el determinismo y la causalidad. Determinismo – se puede determinar cualquier fenómeno en función de ciertas leyes. Causalidad – todo fenómeno se debe a una causa concreta. La Física Mecánica sustituye el determinismo por la probabilidad y la causalidad por el azar. La física Cuántica es la mecánica de lo pequeño y tiene tres principios: Hipótesis de De Broglie Principio de Indeterminación de Heisenberg Ecuación de Schrödinger.

15 Hipótesis de De Broglie. Dualidad partícula – onda.
Hemos visto que la luz tiene doble naturaleza. A veces se comporta como onda y a veces como partícula. En 1924 Louis De Broglie extendió el carácter dual a los electrones, protones, neutrones, átomos, moléculas y en general a todas las partículas materiales. “ Toda partícula material lleva asociada una onda” La longitud de onda l = h / mv = h / p Donde h es la constante de Planck y p la cantidad de movimiento Para los cuerpos ordinarios, la longitud de onda es tan pequeña que no se observa la naturaleza ondulatoria, en cambio para las partículas como los electrones, neutrones, etc si es apreciable. En 1927 Davisson y Germer realizaron experimentos de difracción de electrones que confirmó la teoría de De Broglie.

16 Principio de incertidumbre de Heisenberg.
“No es posible determinar, simultáneamente de un modo preciso, la posición y la cantidad de movimiento de una partícula” Esta limitación se conoce con el nombre de Principio de Incertidumbre o de Indeterminación de Heisenberg. Si x es la coordenada de posición de un electrón y p es su momento lineal, dichas magnitudes sólo pueden determinarse simultáneamente con unas indeterminaciones de x y p, que según Heisenberg cumplen la relación incremento de x por el incremento de p > h / 2p Esta incertidumbre se mantiene para otras magnitudes como son el tiempo y la energía. Las consecuencia de esta incertidumbre es que debemos hablar de probabilidades.