La física, o mecánica cuántica, estudia el comportamiento de la materia cuando las dimensiones de ésta son tan pequeñas que empiezan a notarse extraños efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud la posición de una partícula o simultáneamente su posición y velocidad, sin afectar a la propia partícula.
2. ¿Qué es la física cuántica?
O La física, o mecánica cuántica, estudia el
comportamiento de la materia cuando las
dimensiones de ésta son tan pequeñas
que empiezan a notarse extraños efectos
como la imposibilidad de conocer con
exactitud la posición de una partícula o
simultáneamente su posición y velocidad,
sin afectar a la propia partícula.
4. Principios básicos de la física
cuántica
O Los principios básicos de la física
cuántica son fundamentalmente dos. El
primero es que las partículas
intercambian energía en múltiplos enteros
de una cantidad mínima posible, es el
llamado quantum de energía. El segundo
es que la posición teórica de las
partículas está dada por una función
probabilística, es decir que no es una
certeza sino más bien una posibilidad.
5. Surgimiento
O La mecánica cuántica surgió en la primera
mitad del siglo XX en respuesta a algunos
problemas que no podían ser resueltos por
los principios de la física clásica, que
comenzaba a perder credibilidad. No es
casual que la mecánica cuántica se haya
desarrollado de forma más o menos
contemporánea (pero paralela) a la teoría de
la relatividad, que también enfrenta algunos
de los principios fundamentales de la física
clásica.
6. O Hasta el siglo XX se creía que la energía
era emitida, propagada y absorbida de
forma continua e infinita y fue Max Planck
quien por primera vez planteó que la
energía radiada de un cuerpo negro no
era continua sino discreta. Es decir que la
energía se propaga y absorbe en
cantidades mínimas, o cuantos, de allí el
nombre de quantum.
8. O Este descubrimiento se dio de forma
conjunta a uno de los hallazgos más
importantes de las ciencias físicas: la
dualidad onda-partícula, que demostró
que la luz y la materia pueden poseer
propiedades de partícula tanto como
propiedades ondulatorias.
9. O Los avances de la teoría cuántica permitieron
aplicaciones en distintos ámbitos como la
electrónica (transistores, microprocesadores y
componentes electrónicos), en la física de
nuevos materiales, (semiconductores y
superconductores), en la física de altas
energías, en la criptografía y la computación
cuánticas, y en la Cosmología teórica del
Universo temprano. En medicina la teoría
cuántica es utilizada en campos tan diversos
como la cirugía láser, o la exploración
radiológica.
10. Ejemplo
O A modo de ejemplo y a la vez un dato
curioso: según el segundo principio de la
mecánica cuántica es posible que, al
patear una pelota la elevemos hasta la
estratósfera o más allá. ¿Por qué?
Porque básicamente, por muy pequeña
que sea, existe una posibilidad de que
suceda, porque la posición de la materia
está dada por una simple probabilidad.
11. O También se puede aplicar a los humanos
y afirmar que no somos nada más que un
resultado de entre infinitas probabilidades.
La física contemporánea se funda
básicamente en dos teorías principales, la
teoría de la relatividad general y la
mecánica cuántica, aunque ambas teorías
parecen contradecirse mutuamente.
13. ¿Qué es la teoría cuántica?
O La teoría cuántica, es una teoría física
basada en la utilización del concepto de
unidad cuántica para describir las
propiedades dinámicas de las partículas
subatómicas y las interacciones entre la
materia y la radiación.
14. Teoría
O Las bases de la teoría fueron sentadas por el
físico alemán Max Planck, que en 1900
postuló que la materia sólo puede emitir o
absorber energía en pequeñas unidades
discretas llamadas cuantos. Otra contribución
fundamental al desarrollo de la teoría fue el
principio de incertidumbre, formulado por el
físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y
que afirma que no es posible especificar con
exactitud simultáneamente la posición y el
momento lineal de una partícula subatómica.
15. Introducción histórica
O En los siglos XVIII y XIX, la mecánica
newtoniana o clásica parecía proporcionar
una descripción totalmente precisa de los
movimientos de los cuerpos, como por
ejemplo el movimiento planetario. Sin
embargo, a finales del siglo XIX y principios
del XX, ciertos resultados experimentales
introdujeron dudas sobre si la teoría
newtoniana era completa. Entre las nuevas
observaciones figuraban las líneas que
aparecen en los espectros luminosos emitidos
por gases calentados o sometidos a
descargas eléctricas.
16. O Otro enigma para los físicos era la
coexistencia de dos teorías de la luz: la teoría
corpuscular, que explica la luz como una
corriente de partículas, y la teoría ondulatoria,
que considera la luz como ondas
electromagnéticas. Un tercer problema era la
ausencia de una base molecular para la
termodinámica. En su libro Principios
elementales en mecánica estadística (1902),
el físico estadounidense J. Willard Gibbs
reconocía la imposibilidad de elaborar una
teoría de acción molecular que englobara los
fenómenos de la termodinámica, la radiación
y la electricidad tal como se entendían
entonces.
17. Introducción del cuanto de
Planck
O 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 (el
término "cuerpo negro" se refiere a un cuerpo o
superficie ideal que absorbe toda la energía radiante
sin reflejar ninguna). Un cuerpo a temperatura alta —
al rojo vivo— emite la mayor parte de su radiación en
las zonas de baja frecuencia (rojo e infrarrojo); un
cuerpo a temperatura más alta —al rojo blanco—
emite proporcionalmente más radiación en
frecuencias más altas (amarillo, verde o azul).
18. O Durante la década de 1890, los físicos llevaron a
cabo estudios cuantitativos detallados de esos
fenómenos y expresaron sus resultados en una
serie de curvas o gráficas. La teoría clásica, o
precuántica, predecía un conjunto de curvas
radicalmente diferentes de las observadas. Lo que
hizo Planck fue diseñar una fórmula matemática
que describiera las curvas reales con exactitud;
después dedujo una hipótesis física que pudiera
explicar la fórmula. Su hipótesis fue que la energía
sólo es radiada en cuantos cuya energía es h·n ,
donde n es la frecuencia de la radiación y h es el
‘cuanto de acción’, ahora conocido como
constante de Planck.
La energía es discontinua y depende de la
frecuencia de la radiación:
Ecuación de Planck: E=h·n = h·c/l
19. Aportes de Einstein
O Los siguientes avances importantes en la teoría cuántica se
debieron a Albert Einstein, que empleó el concepto del cuanto
introducido por Planck para explicar determinadas propiedades del
efecto fotoeléctrico, un fenómeno experimental en el que una
superficie metálica emite electrones cuando incide sobre ella una
radiación.
O Según la teoría clásica, la energía de los electrones emitidos —
medida por la tensión eléctrica que generan— debería ser
proporcional a la intensidad de la radiación. Sin embargo, se
comprobó que esta energía era independiente de la intensidad —
que sólo determinaba el número de electrones emitidos— y
dependía exclusivamente de la frecuencia de la radiación. Cuanto
mayor es la frecuencia de la radiación incidente, mayor es la
energía de los electrones; por debajo de una determinada
frecuencia crítica, no se emiten electrones. Einstein explicó estos
fenómenos suponiendo que un único cuanto de energía radiante
expulsa un único electrón del metal. La energía del cuanto es
proporcional a la frecuencia, por lo que la energía del electrón
depende de la frecuencia.
20. Efecto Compton
O Es el comportamiento de la energía como has
luminoso.
O El físico Compton en 1923 observo que al incidir
un haz de rayos X sobre una superficie de
grafito una parte de la radiación se difundía
aumentando su longitud de onda.
Posteriormente se comprobó, que
independientemente de la naturaleza del cuerpo
sobre el que inciden los rayos X, la longitud de
onda de los rayos difundidos aumenta en
función del ángulo que forma el rayo difundido
con el rayo incidente.
21. O Al chocar un fotón con un electrón aparece un
nuevo fotón pero con menor energía, por
consiguiente su frecuencia es también menor
que la de la radiación incidente. La diferencia
de energías entre los 2 fotones es cedida al
electrón en forma de energía cinética
O El principio de conservación de la energía
aplicado a este caso permite escribir:
O
1
2
𝑚𝑣2 = ℎ 𝑣 =
22. Efecto Fotoeléctrico
O Es la difusión de fotones debido a las
interacciones entre la radiación
electromagnética y la materia.
O Viene de fotones, que es la partícula mas
pequeña que compone un has de luz.
O Un átomo tiene en su núcleo un cierto
número de protones, cuya carga positiva
queda exactamente compensada por la
carga negativa de los electrones y esto
hace que la materia sea eléctricamente
neutra.
23. O En 1887 Hertz observo que la descarga entre
2 electrodos era mayor cuando eran
iluminados por la luz de otra descarga. Este
hecho indica que en estas condiciones se
produce una emisión de electrones superior a
la que tenia lugar sin iluminación. Se produce
emisión de electrones cuando incide la luz
sobre la superficie de determinados metales.
24. Leyes del efecto Fotoeléctrico
O El efecto foto eléctrico es instantáneo, es decir,
aparece en el mismo momento en el que el metal
es iluminado y termina en cuanto se interrumpe la
iluminación.
O La intensidad de la corriente es proporcional a la
intensidad de la luz incidente.
O La velocidad de emisión es independiente de la
intensidad de la luz incidente.
O La velocidad de emisión depende de la frecuencia
de la radiación.
O Por debajo de una frecuencia mínima 𝑣0, que
depende de la naturaleza del metal no se produce
el efecto fotoeléctrico.
25. Usos y Aplicaciones
O ¿Tiene el mundo cuántico
aplicaciones para nuestro
ámbito cotidiano? ¿Cómo algo
tan diminuto puede sernos de
ayuda? Repasemos la
tecnología de almacenaje y
procesamiento de la informática
actual. Nos percataremos de
que más o menos cada dos
años, la velocidad y la
capacidad de almacenamiento
de los equipos informáticos se
duplica, todo acompañado de
una miniaturización de los
microprocesadores y soportes
de almacenaje. Si esta
progresión continúa en el futuro,
la física cuántica tendrá aún más
peso en nuestra sociedad de la
información.
Obleas que contienen
chips NAND flash de 30
nanómetros
26. O El futuro de la física cuántica estará ligado
a la computación cuántica (ordenadores
capaces de realizar cálculos
exponencialmente más rápidos y con
dispositivos de alta densidad de
almacenaje), la criptografía y el cifrado de
códigos secretos, la nanotecnología y la
mayoría de ámbitos donde se requiera la
manipulación y control de átomos y
moléculas para múltiples aplicaciones, la
producción de cantidades ingentes de
energía a partir de la antimateria y del
vacío cuántico, además de todos los
avances asociados para la creación de
los mismos.
27. Experimentación
Experimento de “EFECTO FOTO ELECTRICO-ELECTROSCOPIO”
Materiales:
O *Un globo.
O *Una lata. (de refresco de 355ml.)
O *Diurex.
O *Papel.
O *Navaja.
O *Alambre de cobre.
O *Mica.
O *Embace de unisel.
O *Regla.
O *Tijeras.
O *lija gruesa.
Procedimiento:
Cortar un pedazo de papel en forma de un cuadro, después cortar tiras del papel muy
delgadas con la regla y navaja. ya que tenemos las tiras de papel las vamos a pegar en el
alambre de cobre con el diurex. después lijamos la lata de aluminio y pegamos el
alambre de cobre, luego pegamos la lata con el embate de unisel de forma que el baso de
unisel quede boca abajo y la lata encima de manera horizontal. después con el globo
inflado lo frotas sobre tu cabello y los juntas con los trozos de papel.
28. O Resultados:
O Las tiras de papel van
tornando forma en la
forma en que tu pongas
el globo, después
O haciendo tierra, tocas la
lata de aluminio con tu
mano y vas a observar
de manera lenta
O de que los trozos de
papel van tornando
forma a su manera
original.
