La siguiente presentación se concibe como un complemento a lo que los alumnos de 6º año estudien sobre Cuántica, en la bibliografía del curso. Posteriormente, en caso de que esta actividad se evalúe en forma positiva, usaría otra presentación para el tema Relatividad, por eso el título refiere al Siglo XX. Me pareció útil incluir simulaciones, que contribuyeran a la modelización y comprensión del fenómeno. Comenzarían a trabajar con ella en forma domiciliaria, de manera individual o con compañeros, y luego se continuaría en clase, todo el grupo junto.

Saludos, Estela

pd: la fuente usada es Kristen ITC

Einstein

Heisenberg

Planck

De Broglie

DDorado yorado y

“loco” “loco” Siglo Siglo XXXX

Profa. Estela Pereyra, 2012Profa. Estela Pereyra, 2012

La La Física a finales del siglo XIX....Física a finales del siglo XIX....

•Se había verificado que la energía se transforma y se conserva.

•El movimiento de las partículas podía describirse con las leyes de Newton, las que junto a su la ley de Gravitación Universal, permitían entender el movimiento de los astros.

•Los fenómenos electromagnéticos eran explicados con la teoría de Maxwell (síntesis de las leyes del electromagnetismo).

•Sonido, luz y radiaciones electromagnéticas eran ondas. Electrones, protones, etc, eran partícula

•Ondas y Partículas se comportaban diferente.

En su conjunto, el mundo material se considerabaun lugar muy lógico y comprensible, del que se conocían sus leyes básicas

Se pensaba que..... no quedaba nada por hacer no quedaba nada por hacer

La física clásica, la de nuestro “sentido común”, que nos permitía entender fácilmente que la velocidad de Juan observada por Anita (10km/h) no es la misma que percibe Miguel (15km/h), también se tambalea... si Juan se estuviera desplazando a la velocidad de la luz.!!

En el siglo XX nacenEn el siglo XX nacen, concebidas por jóvenes geniales, dos teorías que sacudieron (....y sacuden aún) nuestra manera de entender el mundo: la Física CuánticaFísica Cuántica y la Teoría de la Teoría de la

RelatividadRelatividad.

Einstein HeisenbergPlanck De Broglie

Empezamos a escuchar ideas como “todo es relativo”, “todo es incierto”, “el tiempo se dilata”, “la longitud se contrae”, “la masa depende de la velocidad”, “masa y energía son equivalentes”

...y comienza el desarrollo de la Física Nuclear y la Electrónica ...y comienza el desarrollo de la Física Nuclear y la Electrónica

Explicar algunos hechos experimentales, como el efecto fotoeléctrico, provocaron la crisis del modelo ondulatorio de la luz.

Max Planck (1858-1947), propuso en 1900 una idea con relación a la energía, que sería el punto de

partida de la Mecánica Cuántica: que la energía no se emite de forma continua, sino que, por el

contrario se emitía, propagaba y absorbía, de forma discontinua en cantidades discretas.

A cada uno de estos “paquetes” de energía les llamó “cuantocuanto” (“fotones”)... y no son todos

iguales!

Para él este concepto fue un recurso matemático...para que “le cerraran las cuentas”,

¡¡¡no imaginó su impacto posterior!!!

Max Planck (1858-1947), propuso en 1900 una idea con relación a la energía, que sería el punto de

partida de la Mecánica Cuántica: que la energía no se emite de forma continua, sino que, por el

contrario se emitía, propagaba y absorbía, de forma discontinua en cantidades discretas.

A cada uno de estos “paquetes” de energía les llamó “cuantocuanto” (“fotones”)... y no son todos

iguales!

Para él este concepto fue un recurso matemático...para que “le cerraran las cuentas”,

¡¡¡no imaginó su impacto posterior!!!

EEfotónfotón= h . f= h . fEEfotónfotón= h . f= h . f

La energía está “cuantizada”La energía está “cuantizada”La energía está “cuantizada”La energía está “cuantizada”

h=6,63,10h=6,63,10-34J.sJ.sh=6,63,10h=6,63,10-34J.sJ.s

Profa. Estela PereyraProfa. Estela Pereyra

f= frecuencia f= frecuencia f= frecuencia f= frecuencia

Einstein recoge la propuesta de Planck (...la energía está cuantizada, en cantidades variables, llamadas cuantos o fotonesfotones), para su explicación del efecto fotoeléctrico.

Einstein recoge la propuesta de Planck (...la energía está cuantizada, en cantidades variables, llamadas cuantos o fotonesfotones), para su explicación del efecto fotoeléctrico.

¿QUÉ ES EL EFECTO FOTOELÉCTRICO?¿QUÉ ES EL EFECTO FOTOELÉCTRICO?¿QUÉ ES EL EFECTO FOTOELÉCTRICO?¿QUÉ ES EL EFECTO FOTOELÉCTRICO?

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por parte de un metal cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (en general luz visible o ultravioleta).

El efecto fotoeléctrico fue uno de los primeros efectos físicos que puso de manifiesto la dualidad onda-corpúsculodualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica.

La luz viaja, se propaga, como una onda, pero interactúa con la materia comportándose como compuesta por “paquetes” de energía, llamados fotones.

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por parte de un metal cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (en general luz visible o ultravioleta).

El efecto fotoeléctrico fue uno de los primeros efectos físicos que puso de manifiesto la dualidad onda-corpúsculodualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica.

La luz viaja, se propaga, como una onda, pero interactúa con la materia comportándose como compuesta por “paquetes” de energía, llamados fotones.

Observa bien la imagen...¿qué

ves?

Otra imagen Otra imagen ¿qué diferencias tiene con la ¿qué diferencias tiene con la anterior?anterior?

Otra imagen Otra imagen ¿qué diferencias tiene con la ¿qué diferencias tiene con la anterior?anterior?

EEFOTÓNFOTÓN= h . f= h . f

EEFOTÓNFOTÓN= Trabajo de Extracción + Ec del = Trabajo de Extracción + Ec del electrónelectrón

EEFOTÓNFOTÓN= W= Wextr.extr. + E + EccEEFOTÓNFOTÓN= W= Wextr.extr. + E + Ecc

OjOOjO ¡Este efecto no se produce siempre! La energía del fotón (por su frecuencia) puede no ser suficiente para realizar el trabajo de extraer al electrón del metal (trabajo que varía según el metal). Analiza:

OjOOjO ¡Este efecto no se produce siempre! La energía del fotón (por su frecuencia) puede no ser suficiente para realizar el trabajo de extraer al electrón del metal (trabajo que varía según el metal). Analiza:

EFECTO EFECTO FOTOELÉCTRICOFOTOELÉCTRICO

Análisis Análisis cuantitativocuantitativoEinstein, 1905Einstein, 1905

EFECTO EFECTO FOTOELÉCTRICOFOTOELÉCTRICO

Análisis Análisis cuantitativocuantitativoEinstein, 1905Einstein, 1905

Ej:Ej: ¿Una cadena de plata libera

electrones mientras su dueña pasea al sol por el Prado?Considera que el trabajo de extracción de la plata es de 4,26eV y que la longitud de onda promedio de la luz solar es de 600nm.

Ej:Ej: ¿Una cadena de plata libera

electrones mientras su dueña pasea al sol por el Prado?Considera que el trabajo de extracción de la plata es de 4,26eV y que la longitud de onda promedio de la luz solar es de 600nm.

Una aplicación del Una aplicación del EFECTO EFECTO

FOTOELÉCTRICOFOTOELÉCTRICO

Una aplicación del Una aplicación del EFECTO EFECTO

FOTOELÉCTRICOFOTOELÉCTRICO

Célula fotoeléctrica (o celda fotovoltaica)

Algunas más Algunas más Algunas más Algunas más

Las ONDAS MATERIALESLas ONDAS MATERIALESLas ONDAS MATERIALESLas ONDAS MATERIALES

En 1924, De Broglie dijo “SÍ”, cualquier partícula, como por ejemplo un electrón, en determinados experimentos puede comportarse....como una onda!!! Nacieron las ONDAS MATERIALES. A cada partícula “material” le corresponde una onda asociada, de longitud de onda:

En 1924, De Broglie dijo “SÍ”, cualquier partícula, como por ejemplo un electrón, en determinados experimentos puede comportarse....como una onda!!! Nacieron las ONDAS MATERIALES. A cada partícula “material” le corresponde una onda asociada, de longitud de onda:

Ej:Ej: ¿Cuál es la longitud de la onda asociada a un electrón (9,1.10-31kg) que se mueva a 5,0.106m/s?¿Y la de un camión de 4,0 Toneladas a 36km/h?

OjOOjO si esto es cierto, debería poder observarse interferencia y difracción de partículas...mira:

Ej:Ej: ¿Cuál es la longitud de la onda asociada a un electrón (9,1.10-31kg) que se mueva a 5,0.106m/s?¿Y la de un camión de 4,0 Toneladas a 36km/h?

OjOOjO si esto es cierto, debería poder observarse interferencia y difracción de partículas...mira:

Fig. de interferencia realizada electrón a

electrón. Las imágenes fueron

tomadas tras el impacto de (a) 10,

(b) 200, (c) 6.000,

(d) 40.000 y (e) 140.000 electrones.

mmm... Si ahora resulta que la luz se puede comportar como las partículas....¿podrán las partículas portarse como las

ondas?

mmm... Si ahora resulta que la luz se puede comportar como las partículas....¿podrán las partículas portarse como las

ondas?

De Broglie, ¿hablaba de ondas viajeras o estacionarias?

De Broglie, ¿hablaba de ondas viajeras o estacionarias?

Representaciones Computacionales

¿Recuerdas la TEORÍA de los ORBITALES?

¿Recuerdas la TEORÍA de los ORBITALES?

Electrón=Onda Electrón=Onda Aplicación...Microscopio Aplicación...Microscopio ElectrónicoElectrónico

Electrón=Onda Electrón=Onda Aplicación...Microscopio Aplicación...Microscopio ElectrónicoElectrónico

PRINCIPIO DE INDETERMINACIÓNPRINCIPIO DE INDETERMINACIÓNPRINCIPIO DE INDETERMINACIÓNPRINCIPIO DE INDETERMINACIÓN

Heisenberg, en Heisenberg, en 1927,1927, teniendo en cuenta el teniendo en cuenta el carácter dual de la materia, descubrió que era carácter dual de la materia, descubrió que era imposible medir simultáneamente algunas imposible medir simultáneamente algunas magnitudes de un sistema. De hecho, el propio magnitudes de un sistema. De hecho, el propio acto de medir ya modifica el sistema que estamos acto de medir ya modifica el sistema que estamos midiendo.midiendo.

Supongamos que queremos conocer posición y velocidad de un Supongamos que queremos conocer posición y velocidad de un electrón. Para poder “verlo” tendría que chocar con él un fotón electrón. Para poder “verlo” tendría que chocar con él un fotón de luz.....pero esto provocaría un cambio en su velocidad!de luz.....pero esto provocaría un cambio en su velocidad!

““Es imposible medir simultáneamente y con precisión la posición Es imposible medir simultáneamente y con precisión la posición y la cantidad de movimiento (p=masa.velocidad) de una y la cantidad de movimiento (p=masa.velocidad) de una partícula” partícula”

La incertidumbre en la medida cumplirá siempre que:La incertidumbre en la medida cumplirá siempre que:

A partir de ahora se reconoce una limitación, una A partir de ahora se reconoce una limitación, una indeterminación en la propia Naturaleza. Las “incertidumbres” indeterminación en la propia Naturaleza. Las “incertidumbres” ya no dependen sólo del método de medida, sino también del ya no dependen sólo del método de medida, sino también del tamaño del sistema a medir.tamaño del sistema a medir.

Un modelo adquiere el estatus de “Teoría” recién Un modelo adquiere el estatus de “Teoría” recién cuando logra un soporte matemático, una cuando logra un soporte matemático, una ecuación que lo sustenta, como por ej. ecuación que lo sustenta, como por ej. Fn=m.aFn=m.a de Newton.de Newton.

Formalización matemática de la teoría cuántica: la ecuación de SCHRÖDINGERFormalización matemática de la teoría

cuántica: la ecuación de SCHRÖDINGER

Erwin SchrödingerErwin Schrödinger desarrolldesarrolló, en ó, en 19261926,, “la” “la” ecuación de ecuación de la la mecánica cuántica, mecánica cuántica, uno de los mayores logros del pensamiento uno de los mayores logros del pensamiento del siglo XXdel siglo XX. . Él imaginó a cada partícula como resultado estacionario de una Él imaginó a cada partícula como resultado estacionario de una superposición de ondas.superposición de ondas. Su ecuación describe la PROBABILIDAD Su ecuación describe la PROBABILIDAD de encontrar a la partícula en una región.de encontrar a la partícula en una región.Sin pretender usarla en este curso... En una dimensión, la Sin pretender usarla en este curso... En una dimensión, la ecuación de ecuación de SchrödingerSchrödinger es: es:

Comienza la aplicación de la Probabilidad y la Estadística en Comienza la aplicación de la Probabilidad y la Estadística en FísicaFísica

Si quieres saber más están muy buenas las simulaciones (Applets) de “Jornadas de la Ciencia” en:

www.maloka.org/fisica2000/

Podremos usar la Física Clásica en los casos en los que no sea apreciable el carácter ondulatorio de la materia, es decir cuando el tamaño de la longitud de onda asociada a las partículas sea despreciable frente al tamaño del sistema estudiado (situaciones macroscópicas)...si no es así, debemos recurrir a la Física Cuántica (situaciones microscópicas)

Los “fenómenos” físicos se propagan como Los “fenómenos” físicos se propagan como ondas e interactúan como partículas.ondas e interactúan como partículas.

Los “fenómenos” físicos se propagan como Los “fenómenos” físicos se propagan como ondas e interactúan como partículas.ondas e interactúan como partículas.

Profa. Estela PereyraProfa. Estela Pereyra