INTRODUCCION A LA FISICA MODERNA

INTRODUCCION A LA FISICA MODERNA

La luz al llegar a una sustancia produce efectos que son de naturaleza ondulatoria (interferencia, difracción, etc.), sin embargo, al final del siglo XIX y a principios del siglo XX, ocurrió una serie de descubrimientos experimentales, fundamentalmente aquellos que involucran el comportamiento de los átomos y que no podían explicarse con la física clásica (leyes de Newton y la teoría ondulatoria de Maxwell), como el efecto fotoeléctrico (Hertz en 1887), generación de rayos X (Roentgen 1895), el efecto Comptón (Compton 1923) y el espectro de radiación del cuerpo caliente que en 1860 llevó a Kirchhoff proponer el modelo del cuerpo negro para su explicación. Sin embargo en 1900 Max Planck explica éste fenómeno adecuadamente, utilizando la cuantización de la energía, iniciando lo que se llamaría Física moderna ó Física Cuántica.

La física moderna o física cuántica, es la rama de la física que estudia el comportamiento de las partículas teniendo en cuenta su dualidad onda-corpúsculo. Esta dualidad es el principio fundamental de la teoría cuántica. El físico alemán Max Planck fue quien estableció las bases de esta teoría al postular que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos

La mecánica cuántica amplió gradualmente el conocimiento de la estructura de la materia, proporcionó una base teórica para la comprensión de la estructura atómica, y resolvió las grandes dificultades que preocupaban a los físicos en los primeros años del siglo XX tales como:

• El espectro de radiación de los cuerpos calientes

(Kirchhoff 1860)

• El efecto fotoeléctrico (Hertz 1887)

• La generación de rayos X (Roentgen 1895).

A principios del siglo XX, los físicos aún no reconocían claramente que éstas y otras dificultades de la física estaban relacionadas entre sí. El primer avance que llevó a la solución de aquellas dificultades fue la introducción por parte de Planck del concepto de cuanto, como resultado de los estudios de la radiación del cuerpo negro realizados por los físicos en los últimos años del siglo XIX.

Max Planck

Planck comenzó sus estudios de física en la Universidad de Múnich en 1874. En 1878 presenta su tesis de doctorado sobre "el segundo principio de la termodinámica" y el concepto de la entropía en constante aumento. Sus profesores no están muy convencidos, pero se gradúa finalmente en 1879 en la ciudad de Berlín. Volvió a Múnich en 1880 para ejercer como profesor en la universidad.

En 1885 se mudó a Kiel. Allí se casó con Marie Merck en 1886. En 1889, volvió a Berlín, donde desde 1892 fue el director de la cátedra de Física teórica.

Desde 1905 hasta 1909, Planck fue la cabeza de la Deutsche Physikalische Gesellschaft (Sociedad Alemana de Física). Su mujer murió en 1909, y un año después se casó con Marga von Hoesslin. En 1913, se puso a la cabeza de la universidad de Berlin. En 1918 recibió el Premio Nobel de física por la creación de la mecánica cuántica. Desde 1930 hasta 1937, Planck estuvo a la cabeza de la Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (KWG, Sociedad del emperador Guillermo para el avance de la ciencia).

Durante la Segunda Guerra Mundial, Planck intentó convencer a Adolfo Hitler de que perdonase a los científicos judíos. Erwin, el hijo de Planck, fue ejecutado por alta traición el 20 de julio de 1944, por la supuesta colaboración en el intento de asesinato de Hitler. Tras la muerte de Max Planck el 4 de octubre de 1947 en Gotinga, la KWG se renombró a Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (MPG, Sociedad Max Planck).

Aunque en un principio fue ignorado por la comunidad científica, profundizó en el estudio de la teoría del calor y descubrió, uno tras otro, los mismos principios que ya había enunciado Josiah Willard Gibbs (sin conocerlos previamente, pues no habían sido divulgados). Las ideas de Clausius sobre la entropía ocuparon un espacio central en sus pensamientos.

En 1899, descubrió una constante fundamental, la denominada Constante de Planck, usada para calcular la energía de un fotón. Se basa en que el máximo de incertidumbre de la masa de una partícula multiplicada por el máximo de incertidumbre de la velocidad de una partícula multiplicada por el máximo de incertidumbre de su volumen nunca puede ser menor que una determinada cantidad, que es la constante. Ese mismo año describió su propio grupo de unidades de medida basadas en las constantes físicas fundamentales. Un año después descubrió la ley de radiación del calor, denominada Ley de Planck, que explica el espectro de emisión de un cuerpo negro. Esta ley se convirtió en una de las bases de la teoría cuántica, que emergió unos años más tarde con la colaboración de Albert Einstein y Niels Bohr.

La Mecánica Cuántica

El estudio de fenómenos a escala microscópica mediante las hipótesis de la cuantización de la energía y la dualidad onda-partícula fue desarrollado bajo el nombre de Mecánica Cuántica por Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac, y otros alrededor de 1925-1926.

A partir de 1930 la mecánica cuántica se aplicó con mucho éxito a problemas relacionados con núcleos atómicos, moléculas y materia en estado sólido.

La mecánica cuántica hizo posible comprender un extenso conjunto de datos, de otra manera enigmáticos. Sus predicciones han sido de una exactitud notable. Ejemplo de ésta última es la increíble precisión de diecisiete cifras significativas del momento magnético del electrón calculadas por la EDC (Electrodinámica Cuántica) comparadas con el experimento.

PLANCK Y LA TEORÍA CUÁNTICA

Otros desarrollos se estaban llevando a cabo de manera paralela a los sucesos que narramos anteriormente, y se refieren a la teoría de radiación térmica.

Nuestra historia se remonta al año de 1859 cuando el físico alemán Gustav Kirchhoff presentó un trabajo a la Academia de Ciencias de Berlín que trataba de la emisión y absorción de calor y luz.

Kirchhoff demostró, como consecuencia de investigaciones sobre las propiedades de la luz que nos llega del Sol, que si rayos de luz de frecuencia fija inciden sobre un cuerpo, éste absorbe parte del haz incidente. La fracción absorbida por el cuerpo se llama poder de absorción. Cada cuerpo, dependiendo de los materiales de que esté compuesto tendrá su valor particular del poder de absorción. Distintos cuerpos tienen, en general, distintos valores de esta cantidad. Además, el poder de absorción de un cuerpo tiene distintos valores para distintas frecuencias de las ondas de luz que incidan sobre él.

Un cuerpo a una temperatura fija emite radiación electromagnética de diferentes frecuencias.

Por otro lado, un cuerpo dado que esté a cierta temperatura fija emite luz. La mayor parte de ella invisible al ojo humano, luz que tiene ondas de muchas frecuencias. La fracción de la energía emitida a una frecuencia fija se llama poder de emisión. Al igual que con el poder de absorción, el poder de emisión de un cuerpo, a una frecuencia dada, depende de las características del cuerpo. Distintos cuerpos tienen distintos poderes de emisión, y para un mismo cuerpo, sus poderes de emisión son distintos para distintas frecuencias de la luz.

Sean af y ef los poderes de absorción y emisión de un cuerpo a la frecuencia f, respectivamente. Kirchhoff demostró en su trabajo de 1859 que el cociente de estas dos cantidades, o sea, ef /af tiene el mismo valor para todos los cuerpos que estén en equilibrio a la misma temperatura. Esto significa que si tenemos dos cuerpos a la misma temperatura, pero hechos de distintos materiales y de distintas formas, entonces el cociente arriba indicado (a la frecuencia f) para cada uno de ellos tiene un valor. Kirchhoff demostró que estos valores numéricos son iguales.

Además, el valor del cociente mencionado solamente depende de la frecuencia y de la temperatura. A causa de que este cociente es el mismo para todas las sustancias, es una cantidad universal. A este resultado se le llama la ley de Kirchhoff.

En tiempos de Kirchhoff se conocía solamente la luz visible. Sin embargo, existen otras ondas que tienen frecuencias que no son visibles al ojo humano. Esta radiación es la llamada invisible y consiste en ondas ultravioleta, infrarroja, etcétera. Se ha podido demostrar que la ley de Kirchhoff es también válida para las ondas de la radiación invisible.

Consideremos ahora un cuerpo muy particular que es el llamado cuerpo negro. Éste es un absorbedor perfecto de radiación tanto visible como invisible, a cualquier temperatura. Se usa la palabra negro para denotar a una sustancia que absorbe toda la luz que le llega y no refleja nada de ella, como por ejemplo el carbón. Del trabajo de Kirchhoff se concluye que si un cuerpo es un absorbedor perfecto de radiación a cualquier temperatura, entonces también será un perfecto emisor de radiación.

Apliquemos ahora la ley de Kirchhoff a un cuerpo negro. En este caso, como el cuerpo absorbe toda la radiación que le llega, el poder de absorción es af = 1. En consecuencia, el cociente arriba mencionado es igual a ef. Por

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