Trabajo Col 2 Fisica Moderna

FÍSICA MODERNA

TRABAJO COLABORATIVO DOS

GRUPO No. 299003_30

JORGE EDUARDO MEJIA - CÉDULA DE CIUDADANÍA

JULIO CESAR MINA - 97610796

LUIS ALEJANDRO AMAYA – 93.438.305

HERMES FERNANDO MARTINEZ - 94302313

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

JOSE ACEVEDO Y GOMEZ

06 DE OCTUBRE DE 2014

CONTENIDO

Página

INTRODUCCIÓN 3

2. MARCO TEÓRICO 4

La radiación del cuerpo negro 4

El cuerpo negro: 4

La ley del desplazamiento de Wien 5

EFECTO FOTOELÉCTRICO 6

3. RESULTADOS 8

3.1 Actividad 1. 8

3.2 Actividad 2. 12

3.3 Actividad 3. 13

3.4 Actividad 4. 14

4. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 27

4.1 Actividad 1. 27

4.2 Actividad 2. 27

4.3 Actividad 3. 28

4.4 Actividad 4. 28

4.5 Actividad 5. 32

4.6 Actividad 6. 32

5. CONCLUSIONES 33

6. BIBLIOGRAFÍA 34

INTRODUCCIÓN

La realización de este laboratorio permite estudiar y comprender los conceptos más básicos acerca de la teoría especial de la relatividad, que dieron inicio a los cambios fundamentales de la física clásica, es decir son la base para el entendimiento moderno de la materia, el espacio y el tiempo. Valiéndonos de la temática ilustrada en el módulo y con el uso del simulador de radiación de cuerpo negro, se propone completar una serie de tablas para lo cual se hace necesario el manejo de expresiones matemáticas que se refieren a los sistemas de referencia y transformaciones, así como algunas consecuencias de la relatividad. Esto permite confrontar el modelo expuesto en el módulo con ejercicios prácticos que logran la transferencia de dicho conocimiento. De manera que permite comprender el cambio significativo que sufrió la Física en relación con la materia, el tiempo y el espacio.

Con la elaboración de este documento se pretende que los integrantes del grupo colaborativo por medio de la solución de problemas teóricos y usos de simuladores adquieran competencias intermedias que abarcan las temáticas de Radiación de Cuerpo Negro de la física moderna, con el fin de acercarse a la compresión y solución del problema general planteado en la guía integradora del curso.

Para lograr esto se ha distribuido los ejercicios entre los integrantes y se van anexando los resultados en la tabla dinámica junto con los cálculos teóricos.

2. MARCO TEÓRICO

A continuación se relaciona las teorías desarrolladas en este trabajo colaborativo con el fin de tener un conocimiento más sólido al momento de ejecutar los procesos de la guía.

La radiación del cuerpo negro

El término radiación se refiere a la emisión continua de energía desde la superficie de cualquier cuerpo, esta energía se denomina radiante y es transportada por las ondas electromagnéticas que viajan en el vacío a la velocidad de 3×〖10〗^8 m⁄s. Las ondas de radio, las radiaciones infrarrojas, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma, constituyen las distintas regiones del espectro electromagnético.

El cuerpo negro:

La superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el interior es emitida.

No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1% de la energía incidente. Sin embargo, un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximación por una cavidad con una pequeña abertura. La energía radiante incidente a través de la abertura, es absorbida por las paredes en múltiples reflexiones y solamente una mínima proporción escapa (se refleja) a través de la abertura. Podemos por tanto decir, que toda la energía incidente es absorbida.

Consideremos una cavidad cuyas paredes están a una cierta temperatura. Los átomos que componen las paredes están emitiendo radiación electromagnética y al mismo tiempo absorben la radiación emitida por otros átomos de las paredes. Cuando la radiación encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los átomos de las paredes, la cantidad de energía que emiten los átomos en la unidad de tiempo es igual a la que absorben. En consecuencia, la densidad de energía del campo electromagnético existente en la cavidad es constante.

A cada frecuencia corresponde una densidad de energía que depende solamente de la temperatura de las paredes y es independiente del material del que están hechas.

Si se abre un pequeño agujero en el recipiente, parte de la radiación se escapa y se puede analizar. El agujero se ve muy brillante cuando el cuerpo está a alta temperatura, y se ve completamente negro a bajas temperaturas.

La ley del desplazamiento de Wien

La posición del máximo en el espectro de la radiación del cuerpo negro depende de la temperatura del cuerpo negro y está dado por la ley de desplazamiento de Wien. Calculando la derivada primera de la función de la distribución de Planck expresada en términos de la longitud de onda o de la frecuencia

d/dλ (1/λ^5 1/(exp(hc⁄λKT)-1))=0

Obtenemos la ecuación trascendente

5(e^x-1)-xe^x=0 con x=hc/(λ_m KT)=4.965

Este resultado constituye la ley de desplazamiento de Wien, que establece que el máximo de la densidad de energía dE /d por unidad de longitud de onda a distintas temperaturas T_1,T_2,T_3,…..se produce a las longitudes de onda l_1,l_2,l_3,…tales que

λ_1 T_1=λ_2 T_2=λ_3 T_3=⋯..=hc/(K*4965)=2,898 ×〖10〗^(-3) mK

A medida que la temperatura T se incrementa el máximo se desplaza hacia longitudes de onda menores (mayores frecuencias)

EFECTO FOTOELÉCTRICO

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:

Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo XIX.

Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.

El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicación teórica fue hecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”, basando su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta, para finalmente concluir que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan fueran condecorados con premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente. Se podría decir que el efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos X, ya que el efecto fotoeléctrico dice que los fotones luminosos pueden transferir energía a los electrones. Los rayos X (no se sabía que eran en ese tiempo, por eso la incógnita "X") son transformaciones de toda o parte de la energía cinética de un electrón en movimiento, en un fotón. Esto no solamente es posible, sino da la casualidad de que se descubrió antes de que salieran a la luz los trabajos de Planck y Einstein (aunque no se comprendió entonces). Los fotones tienen una energía característica determinada por la frecuencia de onda de la luz. Si un átomo absorbe energía de un fotón que tiene mayor energía que la necesaria para expulsar un electrón del material y que además posee una velocidad bien dirigida hacia la superficie, entonces el electrón puede ser extraído del material.

Si la energía del fotón es demasiado pequeña, el electrón es incapaz de escapar de la superficie del material. Los cambios en la intensidad de la luz no modifican la energía de sus fotones, tan sólo el número de electrones que pueden escapar de la superficie sobre la que incide y por lo tanto la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la radiación que le llega, sino de su frecuencia. Si el fotón es absorbido parte de la energía se utiliza para liberarlo del átomo y el resto contribuye a dotar de energía cinética a la partícula libre. En principio, todos los electrones son susceptibles de ser emitidos por efecto fotoeléctrico. En realidad los que más salen son los que necesitan menos energía para salir. En un aislante (dieléctrico), los electrones más energéticos se encuentran en la banda de valencia. En un metal, los electrones más energéticos están en la banda de conducción. En un semiconductor de tipo N, son los electrones de la banda de conducción que son los más energéticos. En un semiconductor de tipo P también, pero hay muy pocos en la banda de conducción. Así que

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