Crisis
de la física clásica y origen de la física cuántica. Radiación del cuerpo negro
y la hipótesis cuántica.
CRISIS
DE LA FISICA CLAISCA
Finales del siglo XIX, los físicos llegaron a
pensar que el edificio de las ciencias estaba prácticamente completo.
Sin embargo, en muy pocos
años se realizaron varias experiencias que vinieron a demostrar lo contrario.
Estos son los principales aspectos que hicieron que el edificio científico
construido se derrumbara con gran estrépito:
·
Los espectros continuos de emisión
·
La teoría de la Relatividad
·
El efecto fotoeléctrico
·
El efecto Compton
·
El comportamiento dual de las ondas
electromagnéticas
ORIGEN
DE LA FISICA CUANTICA
Aunque se afirma que la
física cuántica nació con el descubrimiento de Planck, en 1900, lo cierto es
que su formulación se inició hasta 1925, con los trabajos de otro físico
alemán, Werner Heisenberg. Es indudable que la mecánica cuántica, como casi
todas las teorías científicas modernas, es una obra colectiva resultante de una
gran variedad de esfuerzos personales realizados durante muchos años y en
diversos lugares. Sin embargo, buscando los antecedentes determinantes de lo
que ahora sabemos de ese campo, es imposible pasar por alto un artículo
–fechado en 1925– en el que Heisenberg señaló la importancia de cambiar la
formulación matemática de los fenómenos que ocurren en el mundo atómico.
A partir de 1926, el
desarrollo de la mecánica cuántica fue espectacular. En ese año Erwin
Schrödinger (físico austriaco) formuló la famosa ecuación que desde entonces
lleva su nombre y con ella los físicos iniciaron la construcción del gran
edificio que alberga ahora las explicaciones de los fenómenos atómicos y moleculares.
Poco después se puso en limpio la estructura matemática de la teoría cuántica,
especialmente por los trabajos del físico inglés Paul Adrien, Maurice Dirac y
del matemático estadounidense, de origen húngaro, John von Neumman.
La física cuántica -también
conocida como mecánica cuántica o mecánica ondulatoria- es la rama de la física
que estudia el comportamiento de la energía y la materia cuando las dimensiones
de ésta son inferiores a los 1.000 átomos.
El término ‘mecánica
cuántica’ fue utilizado por primera vez por Max Born en 1924, aunque la primera
formulación cuántica de un fenómeno se había dado a conocer anteriormente, el
14 de diciembre de 1900 en una sesión de la Sociedad Física de la Academia de
Ciencias de Berlín. Su autor, Max Planck es considerado el padre de los
fundamentos de la física cuántica.
En cualquier caso, la
mecánica cuántica es la última y más moderna de las ramas de la física, ya que
sus bases se concretaron a lo largo de la primera mitad del siglo XX, en
respuesta a los problemas que no podían ser resueltos por medio de la física
clásica.
En el desarrollo formal de
la teoría tuvieron mucho que ver también otros físicos y matemáticos, entre
quienes destacaron Einstein, Heisenberg, Schrödinger, Dirac y Von Neumann.
Algunos de los aspectos fundamentales de la teoría de la física mecánica están
siendo aún estudiados activamente.
RADIACION
DEL CUERPO NEGRO
Todos los objetos emiten
ondas electromagnéticas. Para entender por qué emiten radiación los objetos
ponga mucha atención a las siguientes consideraciones:
·
Los objetos están hechos de átomos.
·
Un átomo puede emitir radiación (como la luz)
cuando uno de sus electrones pierde energía y así pasa a un orbital de menor
energía.
·
Un átomo puede absorber radiación cuando uno
de sus electrones gana energía y así pasa a un orbital de mayor energía.
·
El movimiento de los átomos en un objeto
produce choques o vibraciones que estimulan la emisión y absorción de
radiación.
·
Un aumento en la temperatura de un objeto
representa un aumento de la energía cinética de movimiento de sus átomos.
·
En la naturaleza ningún objeto puede tener
temperatura absoluta igual a cero.
El físico alemán Max Plank,
descubrió la ley que gobierna la radiación de los cuerpos en equilibrio
termodinámico. Según Plank, la intensidad de radiación para cada longitud de
onda depende únicamente de la temperatura del cuerpo en cuestión.
El espectro de radiación (o
intensidad para cada longitud de onda) al que llegó Plank tiene una forma
característica así:
Los físicos designan este
espectro con el nombre de Radiación de Cuerpo Negro. Plank llegó a este
resultado introduciendo el concepto de quantum de energía (es decir que la
energía en la naturaleza sólo se puede intercambiar en paquetes con cantidades
discretas). Este es el principio de la mecánica cuántica.
HIPOTESIS
CUANTICA
La física de la época de Max
Planck no permitía explicar los detalles de la radiación térmica (también
llamada radiación de cuerpo negro). Planck tuvo que inventar una física nueva.
Supuso que la radiación se emitía y absorbía en “paquetes”. Cada paquete
contiene una cantidad fija de energía y no se puede subdividir. Planck llamó a
los paquetes quantum (que quiere decir “qué tanto” en latín). Con la hipótesis
de que la radiación venía en cuantos, Planck logró explicar la radiación
térmica.
La hipótesis cuántica de
Planck iba en contra de lo que se sabía acerca de la energía. Los físicos
pensaban que ésta podía ir y venir entre los objetos como un flujo continuo
(digamos, como un chorro de agua, que llena una cubeta continuamente). Planck
cambió este flujo continuo por una ráfaga de paquetes discontinuos (como si la
cubeta se llenara de piedras, o cubos de hielo). Al principio este razonamiento
no le gustó ni a Planck. Pero la hipótesis cuántica ganó adeptos conforme fue
explicando otros fenómenos que no se entendían con la física clásica.
SEMANA11
SESIÓN
31
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Física 2
UNIDAD 6: FÍSICA Y
TECNOLOGÍA CONTEMPORÁNEAS (30 Horas)
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contenido temático
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6.1 Crisis de la física
clásica y origen de la física cuántica.
Radiación del cuerpo negro y
la hipótesis cuántica.
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Aprendizajes esperados del grupo
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Conceptuales
Procedimentales
·
Elaboración
de indagaciones bibliográficas y resúmenes.
·
Presentación
en equipo
Actitudinales
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Materiales
generales
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Computo:
-
PC, Conexión a internet
De proyección:
-
Cañón Proyector
Programas:
-
Moodle, Google docs, correo
electronico, Excel, Word, Power Point.
Didáctico:
-
Presentación de la información recabada en la
indagación bibliográfica.
De Laboratorio:
Piedra volcánica
(cuerpo negro), lupa, termómetro, papel blanco, papel negro, tapón de hule
blanco y negro,
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Desarrollo del proceso
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FASE DE APERTURA
El Profesor hace la presentación de las preguntas:
FASE DE DESARROLLO
Los alumnos desarrollan las actividades de acuerdo a las indicaciones
del Profesor:
Solicitar el material requerido
para realizar las actividades siguientes:
-
A) Medir durante tres minutos, la temperatura
del hueco de una piedra volcánica, expuesta a la radiación solar.
-
B) Calienten tres minutos, el hueco de la
piedra volcánica con la ayuda de una lupa- coincidir el foco de la radiación
solar al centro del hueco de la piedra volcánica y medir su temperatura
-
C) Envolver con el papel blanco el bulbo del
termómetro y colocarlo al sol durante tres minutos, medir la temperatura
inicial y final.
-
D) repetir el paso C ahora con el papel negro.
-
Registrar y graficar las temperaturas obtenidas en los cuatro
casos.
-
OBSERVACIONES:
-
Cada alumno al terminar lo asignado, con los
resultados obtenidos los tabula y grafica.
-
El
Profesor solicita a cada equipo que de acuerdo al análisis de los resultados,
elaboren sus conclusiones.
El
método permitirá a los alumnos, tener un panorama del tema de cuerpo negro.
FASE
DE CIERRE
Al final de las presentaciones, se lleva
a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo que se aprendió y aclaración de dudas por
parte del Profesor.
Actividad
Extra clase:
Los
alumnos llevaran la información a su
casa y los que tengan computadora e internet, indagaran los temas de la
siguiente sesión, de acuerdo al cronograma.
Se les sugiere que abran una carpeta nombrada Física 2; en la cual almacenaran su información, se
les solicitara que los equipos formados, se comuniquen vía e-mail u otro programa para comentar y analizar los
resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente clase en USB.
Los alumnos que tengan PC y Programas
elaboraran su informe, empleando el programa Word, para registrar los resultados.
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Evaluación
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Informe
en Power Point de la actividad.
Contenido:
Resumen de la Actividad.
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Cuantización
de la energía y efecto fotoeléctrico
La experiencia que realizaron
Franck y Hertz en 1914 es uno de los experimentos claves que ayudaron a
establecer la teoría atómica moderna. Nos muestra que los átomos absorben
energía en pequeñas porciones o cuantos de energía, confirmando los postulados
de Bohr.
La emisión de electrones por
metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue observada a finales
del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberan
electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto
fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son:
Para cada sustancia hay una
frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la
cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.
La emisión electrónica
aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la
superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar
electrones.
En los metales hay
electrones que se mueven más o menos libremente a través de la red cristalina,
estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales porque no tienen
energía suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su energía.
Los electrones "evaporados" se denominan termo electrones, este es el
tipo de emisión que hay en las válvulas electrónicas. También se pueden liberar
electrones (fotoelectrones) mediante la absorción por el metal de la energía de
radiación electromagnética.
El efecto fotoeléctrico,
descubierto por Hertz en 1887, demuestra que la energía luminosa transportada
por las radiaciones que inciden en el metal se transforma en energía mecánica.
Parte de esa energía mecánica se emplea en arrancar los electrones de la
superficie del metal y parte se transforma en energía cinética de los
electrones que salen expulsados con una velocidad (v).
La teoría ondulatoria de la
luz no explica suficientemente el efecto fotoeléctrico ya que según esta
teoría, la energía luminosa transportada por una radiación. Sin embargo, hemos
dicho antes, que el umbral fotoeléctrico de pende de la frecuencia de la radiación
excitatriz, y la mayor o menor iluminación del metal influye en el número de
electrones impulsados, pero no en la velocidad que adquieren.
De aquí que se buscara una
explicación del fenómeno fotoeléctrico partiendo de la teoría de los quanta por
el físico Alemán Marx Planck (1858 - 1947) en el año 1900. Según esta teoría la
energía transportada por una radiación de frecuencia (f) es siempre un múltiplo
entero del producto (h x f) donde (h) representa una constante universal que
vale, en el S.I., h = 6,62 x 10 -34 Joules.s.
El, producto (h x F)
constituye el cuanto de energía, es decir, la menor cantidad de energía que se
puede obtener en una radiación de frecuencia (f): es como un átomo o grado de
energía. Esto llevo a Einstein a replantear nuevamente la teoría corpuscular de
la luz debido a Newton, diciendo que la luz consta de pequeños cuantos o gramos
de energía, a los que llamó fotones.
Cada fotón de una radiación
(luminosa) de frecuencia (f) transporta una energía.
E = h x f
Siendo:
E: Energía del fotón
h: Constante universal,
llamada constante de Planck; su valor es 6,63x10 -34 joule.s
f: Frecuencia de la
radiación.
Observamos que según ésta
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 del cuánto.
En definitiva la energía,
igual que la materia, presenta una estructura discontinua. A partir de la
teoría de Planck, todas las energías están permitidas, sino sólo aquellas que
sean múltiples de (h).
La hipótesis de Planck ha
sido confirmada y es una de la más fructíferas de toda la Física; la cual fue
presentada en un Congreso de Berlín. Esta hipótesis, se basó en las radiaciones
emitidas por cualquier fotón luminoso, indicando que no son un flujo continuo
de ondas luminosas, sino una corriente de fotones individuales.
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 cantidad de energía llamada “cuanto de
energía”.
Espectros
de emisión y absorción de gases
Cuando un elemento irradia
energía no lo hace en todas las longitudes de onda. Solamente en aquellas de
las que está “provisto”. Esas longitudes de onda sirven para caracterizar, por
tanto, a cada elemento. También ocurre que cuando un elemento recibe energía no
absorbe todas las longitudes de onda, sino solo aquellas de las que es capaz de
“proveerse”. Coinciden por tanto, las bandas del espectro en las que emite radiación
con los huecos o líneas negras del espectro de absorción de la radiación, como
si un espectro fuera el negativo del otro.
Los
espectros de emisión:
Todos los cuerpos emiten
energía a ciertas temperaturas. El espectro de la radiación energética emitida
es su espectro de emisión. Todos los cuerpos no tienen el mismo espectro de
emisión. Esto es, hay cuerpos que emiten en el infrarrojo, por ejemplo, y otros
cuerpos no.
En realidad, cada uno de los
elementos químicos tiene su propio espectro de emisión. Y esto sirve para
identificarlo y conocer de su existencia en objetos lejanos, inaccesibles para
nosotros, como son las estrellas.
Así, el sodio tiene su
característico espectro de emisión, lo mismo que el calcio, o que el hidrógeno,
etc.
Un gas caliente y
transparente emite líneas espectrales de colores brillantes contra un fondo de
líneas oscuro. Esas líneas oscuras, en el espectro de un gas en particular, se
dan exactamente en las mismas longitudes de onda que las líneas oscuras en el
espectro de absorción de un gas que tenga la misma composición química.
Los
espectros de absorción:
Y también los cuerpos
absorben radiación emitida desde otros cuerpos, eliminando del espectro de
radiación que reciben aquellas bandas absorbidas, que quedan de color negro.
Son lo que se llaman “rayas negras” o simplemente “rayas” del espectro.
También ocurre con la
absorción, que unos cuerpos absorben la radiación de unas determinadas
longitudes de onda y no absorben la radiación de otras longitudes de onda, por
lo que cada cuerpo, cada elemento químico en realidad, tiene su propio espectro
de absorción, correspondiéndose con su espectro de emisión, cual si fuera el
negativo con el positivo de una película.
Un liviano, transparente y
caliente gas en frente de una fuente productora de radiaciones espectrales,
especialmente de características continuas, genera un espectro de absorción, el
cual se distingue por una serie de líneas espectrales oscuras entre los colores
brillantes del espectro continuo. En el gráfico de la figura se grafica la
intensidad lumínica versus la longitud de onda (visuales) contrastada con las
líneas espectrales sustraídas del resto de la luz.
SEMANA11
SESIÓN
32
|
Física 2
UNIDAD 6: FÍSICA Y
TECNOLOGÍA CONTEMPORÁNEAS
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contenido
temático
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6.2 Cuantización de la energía y efecto fotoeléctrico.
6.3 Espectros de emisión y absorción de gases.
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Aprendizajes esperados del grupo
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Conceptuales
Procedimentales
·
Elaboración
de actividades de laboratorio.
·
Presentación
en equipo
Actitudinales
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Materiales generales
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Computo:
-
PC, Conexión a internet
De
proyección:
-
Cañón Proyector
Programas:
-
Moodle, Google docs, correo
electronico, Excel, Word, Power Point.
Didáctico:
-
Presentación en Power Point; examen
diagnóstico, programa del curso.
De
Laboratorio:
Tubos de descarga, Hidrogeno, Helio,
Nitrógeno, Oxigeno, Neón, Argón, Kriptón, fuente de poder, espectroscopio o
lentes de difracción.
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Desarrollo del proceso
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FASE
DE APERTURA
-
El Profesor
hace la presentación de las preguntas:
-
Se realiza una discusión en el grupo, mediada
por el Profesor para consensar las respuestas.
FASE
DE DESARROLLO
Los alumnos desarrollan las
actividades de acuerdo a las indicaciones del Profesor
-
Solicitar el material requerido para realizar
las actividades siguientes:
-
Colocar cada uno de los tubos de descarga en
la fuente de poder.
-
Conectar la fuente de poder a la corriente
eléctrica y oprimir el botón de encendido de la misma.
-
Observar el color generado por cada uno de los
tubos de descarga y completa la tabla de observaciones.
-
Observar con el espectroscopio la luz solar y
escribir los colores detectados.
El Profesor solicita a cada equipo que de
acuerdo a los resultados obtenidos,
comparen los colores emitidos por el Sol y vistos con el espectroscopio
Los alumnos discuten y obtiene conclusiones.
FASE DE CIERRE
Al final de las presentaciones, se lleva
a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo que se aprendió y aclaración de dudas por
parte del Profesor.
Actividad Extra clase:
Los
alumnos llevaran la información a su
casa y los que tengan computadora e internet, indagaran los temas de la
siguiente sesión, de acuerdo al cronograma.
Se les sugiere que abran una carpeta nombrada Física 2; en la cual
almacenaran su información, se les solicitara que los equipos formados, se
comuniquen vía e-mail u otro programa
para comentar y analizar los resultados, para presentarla al Profesor en la
siguiente clase en USB.
Los alumnos que tengan PC y
Programas elaboraran su informe, empleando el programa Word, para registrar los resultados.
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Evaluación
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Informe
en Power Point de la actividad.
Contenido:
Resumen de la Actividad.
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EL 27 DE ESA SEMANA PRESENTAMOS EL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN EN EQUIPO.
SEMANA
11
24,
26. 03. 2015
http://www.astrocosmo.cl/b_p-tiempo/b_p-tiempo-02.02.htm