Fisica Cuantica

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION

UNIDAD EDUCATIVA COLEGIO VICENTE EMILIO SOJO

CAICARA DEL ORINOCO ESTADO BOLIVAR

5TO AÑO SECCION “A”

CAICARA DEL ORINOCO, DICIENBRE 2012

INTRODUCCION

En su mundo, las leyes habituales de la Física dejan de funcionar: los acontecimientos pasan a estar gobernados por probabilidades. La Relatividad y la Mecánica Cuántica constituyen las teorías básicas de la Física moderna; independientemente del grupo de Gotinga, Dirac descubrió que las ecuaciones de la Mecánica Cuántica tienen la misma estructura matemática que las ecuaciones de la Mecánica clásica, y que ésta es un caso particular de la Cuántica correspondiente a grandes números cuánticos o a dar el valor 0 a la constante de Planck.

La Mecánica Cuántica es como una catedral que se levanta dentro del gran edificio de la Física, de la Ciencia entera. Su construcción arranca con la genial idea de un fundador, Max Planck, un gran seguidor, Bohr, un revolucionario, De Broglie, unos padres, Schrödinger y Heidelberg, un gran matemático, Dirac, y muchos continuadores.

FISICA CUANTICA:

A finales del siglo XIX e inicios del siglo XX, la física se encontró con resultados experimentales para los cuales el cuerpo teórico desarrollado hasta el momento no tuvo explicación. Hasta el siglo XIX con las leyes de newton para la dinámica y las ecuaciones de maxwell para los fenómenos electromagnéticos, se podía explicar satisfactoriamente la mayoría de los fenómenos conocidos. Sin embargo esta física conocida como física clásica, resulto insuficiente para explicar ciertos fenómenos tales como era el comportamiento de los átomos y las partículas subatómicas. Ciertos tópicos de la física, como la radiación térmica de del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico, la medición de la velocidad de la luz y los espectros atómicos crearon tal incertidumbre en la física que impulsaron el desarrollo de nuevos modelos par explicar el fenómeno de lo muy pequeño.

La física moderna, a partir de esa etapa se intento desplegar en tres apasionantes direcciones: teoría de la relatividad, la mecánica cuántica y la física nuclear.

De esta manera la ciencia física fue haciendo una construcción de nuevos modelos o concepciones del espacio-tiempo, propuestos en la teoría especial de la relatividad por el físico Albert Einstein. Esta teoría, según la cual el universo de cuatro dimensiones, ( tres espaciales y el tiempo) se deforma en presencia de la masa, es decir, la gravitación es un cuerpo geométrico de la curvatura del espacio-tiempo.

Esta nueva física es conocida con el nombre de física moderna o física cuántica. En ella se habla del concepto de energía y la cuantizacion de la carga, revolucionando así el desarrollo de la historia de la física.

La física cuántica permite describir el comportamiento de la metería, la luz y de los acontecimientos a la escala atómica y subatómica, por eso de dice que la mecánica cuántica es la parte de la física que estudia el movimiento de las partículas muy pequeñas. Así pues, aunque la mecánica cuántica pueda parecernos extraña y alejada de la vida cotidiana, sus aplicaciones están presentes en la sociedad en forma de células fotoeléctricas, microscopios electrónicos y rayos laser. Ella es, conjuntamente con la teoría de la relatividad, uno de los grandes triunfos de la física del siglo XX.

Decía Niels Bohr: todo aquel que no quede fuertemente impresionado por la teoría cuántica es porque no la ha entendido. Entre los grandes artífices de la física cuántica se encuentran los físicos, Albert Einstein, Max Planck, Niels Bohr (1885-1962), Erwin Schrödinger (1887-1961), Paul Dirac (1902-1984) y Louis de Broglie (1892-1987).

EL EFECTO FOTOELECTRICO

El efecto fotoeléctrico fue descubierto por el físico alemán Heinrich Hertz en 1887, quien realizo unos experimentos que confirmaron la existencia del espectro electromagnético, observó que ciertos metales, bajo la acción de la luz (visible o ultravioleta), desprendían electrones, (llamados fotoelectrones), siendo mayor la descarga cuando se iluminaban dichos electrodos con luz ultravioleta, este fenómeno es conocido como efecto fotoeléctrico, en el cual existe una con-versión de la energía luminosa en la energía eléctrica.

Se llama efecto fotoeléctrico al proceso de emisión de electrones en la superficie de un metal alcalino cuando inciden sobre el las radiaciones de la luz (visibles y ultravioleta).

LA HIPOTESIS DE PLANCK

A inicios del año 1900 dos físicos ingleses, Lord W. Rayleigh (1842-1919) y Sir James H. Jeans (1877-1946), hicieron uso de los principios del electromagnetismo y la termodinámica clásica para describir la radiación del cuerpo negro. Obtuvieron una expresión matemática (ley de Rayleigh-Jeans) en la que la energía de la radiación disminuye al aumentar la longitud de onda, pero aumenta indefinidamente al disminuir esta.

Según los resultados experimentales, la energía tiende a cero para valores de longitud de onda muy pequeños, como los correspondientes al ultravioleta, que era la zona de mayor energía del espectro electromagnético conocida en ese momento. Este fracaso de la teoría clásica fue tan importante que se denomino fracaso ultravioleta.

A finales de ese mismo año, el físico alemán, Max Planck (1858-1947) trato de explicar la radiación del cuerpo negro describiendo la distribución por frecuencias de la luz emitida por un cuerpo caliente, (un cuerpo negro), supuso que la luz y la materia no intercambian energía en cualquier cantidad, como se había pensado hasta entonces, sino solo en múltiplos enteros de una cantidad mínima posible, un quantum (cuanto) de energía. Con esta explicación Planck abrió un nuevo camino que permitiría empezar a entender una gran cantidad de fenómenos.

Según la hipótesis cuántica de Planck la energía transportada por una radiación de frecuencia f es siempre un múltiplo entero del producto h . f donde h representa una constante universal cuyo valor, en el S.I es:

h= 6,62 . 10-34 J . s

El producto h . f o paquete h . f fue llamado cuantos de energía, es decir, la menor cantidad de energía que se puede obtener a una radiación de frecuencia f.

Es así como de la hipótesis de Planck surgió la mecánica cuántica que expuso a la observación de los hombres un mundo absolutamente nuevo: el mundo de las cosas súper pequeñas, de los átomos, de los núcleos atómicos y de las partículas elementales.

LA TEORIA CUANTICA O HIPOTESIS DE EINSTEIN: LOS FOTONES

En 1905, el físico alemán Albert Einstein utilizo la hipótesis de Max Planck para dar explicaciones del efecto fotoeléctrico. Partió del supuesto de que la luz en ocasiones no se comporta como una onda, sino cómo un flujo de partículas p corpúsculos llamados fotones. Cada fotón de una radiación (luminosa) de frecuencia f transporta una energía.

E= h . f

Siendo:

E= energía del fotón.

H= contante de Planck = 6,63 . 10-34 J . s.

F= frecuencia de la reacción.

Observamos que según esta ecuación:

La energía radiante, tal como la luz, se propaga en paquetes de energía, cuyos tamaños son proporcionales a la frecuencia de la radiación.

La energía ha de ser absorbida o emitida por cuantos completos, no siendo admisibles fracciones de cuantos.

En definitiva la energía, igual que la materia, presenta una estructura discontinua a parte de la teoría de Planck, no todas las energías están permitidas, sino solo aquellas que sean múltiplos de h.

Esta propuesta hizo a Albert Einstein merecedor del premio novel de física en 1905, además de ser considerado el creador de la física cuántica.

Einstein presenta de la siguiente manera el efecto fotoeléctrico.

Para la emisión de electrones, los átomos del cátodo A absorben la energía h . f de los fotones para extraerlos del material del cátodo. Este proceso se realiza uno a uno, es decir, para cada fotón se extrae un electrón.

Los procesos de extracción de carga no son acumulativos. Si el electrón interactúa con un fotón de menor energía que la requerida para su expulsión no lo expulsa sino que ocurre una colisión elástica.

Mediante la dependencia de la energía de los fotones y la frecuencia, explica la diferencia de la energía cinética máxima o de los potenciales de frenado cuando el cátodo A es iluminado con la luz UV de distintas frecuencias.

El fotón lo podemos definir así:

Un fotón es la unidad de radiación electromagnética con una longitud de onda y una frecuencia determinada que posee una cierta

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