El documento resume el desarrollo de la física desde Newton hasta la física cuántica. Explica cómo los descubrimientos de Planck, Einstein, Bohr y otros llevaron al colapso de la física clásica y al establecimiento de la física cuántica debido a fenómenos como la radiación del cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico que no podían explicarse con la física newtoniana. Finalmente, describe cómo figuras como De Broglie, Heisenberg y Schrödinger ayudaron a

1. Materia: Física Avanzada II Alumno: Ramírez, Pablo
Prof.: Sartarelli, Andrés UNGS
Final de Avanzada II
(Parte 1)
En 1687, Newton dio a conocer tres principios sobre los cuales se edificaría la
sólida Física Clásica, cuyo reinado duraría hasta finales del siglo XIX. Sin embargo a
cualquier teoría se le puede aplicar el refrán: “La curiosidad mato al gato”, en efecto, la
Mecánica clásica fue enteramente satisfactoria mientras la física fue mecánica, cuando
en el s. XIX la física comienza a estudiar nuevos fenómenos relacionados con procesos
térmicos, luminosos, electromagnéticos, surgen nuevas ramas de la física: la
termodinámica, la óptica, la electrodinámica. Estas físicas “especificas” terminarían
produciendo el derrumbe de la Física determinista por inmiscuirse en temas que la
Mecánica Newtoniana jamás podría explicar.
Uno de los hechos que comenzó a hacer tambalear a la física clásica fue la
sorprendente constancia de la velocidad de la luz. Para poder superar esta “anomalía”
los físicos inventaron el fantástico Éter, cuya inexistencia fue demostrada por el famoso
experimento de Michelson y Morley (1887).
También surgieron inconvenientes cuando se comenzó a estudiar la radiación de
los cuerpos. Es fácil comprobar que cuanto mas se calienta una barra de hierro, por Ej.,
mas luz emite y que cada tonalidad de luz emitida esta relacionada con una determinada
temperatura, así, si la barra esta roja podemos decir que tiene una temperatura cercana a
los 500ºC mientras que si esta emitiendo una luz blanca diremos que esta a mas de
1000ºC. Por lo tanto si calentamos un cuerpo lo suficiente comenzara a emitir luz, es
decir comenzara a emitir radiación con alguna longitud de onda determinada.
La radiación del cuerpo negro constituyo otro duro golpe a la física clásica. Un
cuerpo negro es básicamente una caja cuyo interior esta pintado de negro y tiene un
pequeño orificio por donde entra luz, esta radiación será absorbida casi por completo
por cuerpo negro. Al estudiarse las radiaciones emitidas por estos cuerpos se obtuvieron
varias Leyes:
 La ley de Stefan-Boltzmann establece que un cuerpo negro emite
radiación térmica con una potencia emisiva superficial según la formula:
Donde Te es la temperatura efectiva de la superficie y
sigma es la constante de Stefan-Boltzmann:

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 La ley de Wien-Golitzin, postula que al elevarse la temperatura del
cuerpo negro, la longitud de onda correspondiente al máximo del
espectro va haciéndose más pequeña, desplazándose hasta el violeta.
nmKT ma 2900.  Donde Ta es la Temp. Absoluta y m es la
longitud de onda en donde se produce la máxima intensidad de radiación
emitida.
 La Ley de Rayleigh-Jeans, intento describir la radiación espectral de la
radiación electromagnética de todas las longitud de onda de un cuerpo
negro a una temperatura dada. Para la longitud de onda λ, es;
donde c es la velocidad de la luz, k es la constante
de Boltzmann y T es la temperatura absoluta.
Con la primera ley no hubo problemas.
La segunda parecería no concordar con las observaciones, sin embargo esta ley
habla solamente del color correspondiente a brillo máximo de la radiación de luz y nada
más! Esta ley presupone que junto a esta radiación permanecen las otras, las de menor
temperatura y mayor longitud de onda y en conjunto obviamente conforman la luz
blanca. Por lo tanto esta ley es correcta. Una vez más, la física clásica había logrado
resistir un duro embate de la realidad.
Sin embargo la naturaleza nunca se rinde, la caída de la física determista era
cuestión de tiempo. Así fue que la catástrofe llego de las manos de Rayleigh-Jeans y de
la ambiciosa tarea de unificar las leyes del universo que todo físico posee. La tercera ley
intento unificar las leyes de Stefan-Boltzmann y Wien-Golitzin. El resultado fue que se
podía explicar la curva del espectro en los intervalos del amarillo y el naranja, pero para
el violeta, el ultravioleta y longitudes más cortas se predecía que la intensidad de la
radiación crecía ilimitadamente!!
Ilimitada, es una palabra prohibida en Física, esta forma de explicar los
fenómenos naturales no servia mas, la Clásica había recibido una estocada mortal con
nombre y apellido: “Catástrofe Ultravioleta” . Estos tiempos habrán sido de gran
desanimo para todos los amantes de Newton, y para los que no lo querían tanto,
supongo que también. Sin embargo, por más dura que sea una época, la historia nos

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demuestra que las grandes necesidades crean grandes hombres, y la Física no seria la
excepción. La salida de este profundo pozo en el que había caído la física seria gracias a
Planck, quien en 1900 introdujo nuevos conceptos como el de los cuantos de energía, y
de Albert Einstein, quien en 1905 dio a conocer la teoría de la relatividad.
Si bien la formula de Planck no desembocaba en ningún “infinito” y además, de
ella se podían deducir las formulas de Stefan-Boltzmann y la de Wien-Golitzin no
terminaba de convencer a nadie pues tenia un problema metodológico, no podía ser
deducida de las leyes de la física clásica. A pesar de que la física de ese tiempo había
aceptado que la materia no era continua y que un cuerpo no se podía dividir mas allá de
las moléculas que lo componen, a los físicos clásicos no les agrado mucho la idea de
pensar que lo mismo, o algo parecido, ocurría con la energía. La energía según Planck
no era continua, se transmitía en cantidades determinadas, los cuantos. Los físicos de
esa época se habrán arrancado los pelos tratando de conciliar los conceptos de Planck
con las evidencias de la realidad, definitivamente nadie había visto jamás que la luz de
una vela se apague y se prenda continuamente, entregándonos su luminosidad en forma
intermitente. Definitivamente estos nuevos conceptos no cuadraban con las
observaciones. Cabe recordar que desde que en 1865 Maxwell demostró que la luz era
una onda electromagnética, todos los fenómenos de radiación debían ajustarse a sus
ecuaciones, en donde la energía transportada por la onda era continua!!!
Sin embargo Planck hace un importante descubrimiento, los cuantos son
distintos para cada tipo de radiación y que cuanto mas corta es la longitud de onda es
decir, cuanto mayor es su frecuencia mayores son los paquetes de energía.
Matemáticamente esto se expresa por la formula: hE  donde E es la energía
transportada por el cuanto,  es la frecuencia de este y h una constante de
proporcionalidad.
El problema de no poder distinguir los cuantos de energía con la vista no radica
en su tamaño sino en la increíble velocidad con la que se transmiten, es por ella que
vemos a la energía como un continuo.
Años antes, en 1872, un profesor de la Universidad de Moscu, Stolietov,
descubre un extraño fenómeno al que llamo “fotoefecto”, en el cual a una placa de metal
al ser iluminada con luz de corta longitud de onda se le desprendían electrones
produciendo una corriente eléctrica, si la luz era de larga longitud de onda la corriente
desaparecía. Una cosa estaba clara para Stolitov y todos los que investigaron el

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fenómeno, la luz entregaba energía de alguna manera a los electrones del metal. Lo
incomprensible en esa época era ¿por qué no se desprendían electrones cuando la luz
tenia grandes longitudes de onda por mas que se aumentara su intensidad luminosa?
¿Por qué los electrones mostraban este comportamiento tan caprichoso? Y obviamente
el interrogante mayor era ¿Cómo era posible que una onda transmita energía a un
electrón?
Mientras Planck buscaba la manera de demostrar la existencia de los cuantos
con algún experimento, en 1905 aparece en escena Albert Einstein con la publicación
de su teoría del efecto fotoeléctrico en los metales. En ella Einstein supuso que la luz,
para poder desprender un electrón de la superficie metálica debía estar compuesta por
corpúsculos, por mas que esto parezca muy “clásico” no lo era. La novedad era que esos
corpúsculos tenían la energía de los cuantos inventados por Planck!!
Con la suposición de que la luz no es mas que un flujo de cuantos de energía, a
los que luego llamaron fotones, con la particularidad de que para una longitud de onda
determinada todos los cuantos tienen la misma energía; rápidamente se pudieron
explicar fácilmente todos estos fenómenos.
Paralelamente a todos estos avances de la nueva Física iban apareciendo nuevos
fenómenos difíciles de explicar. En 1859 Bunsen cambio la luz del sol, que Newton
había hecho atravesar por un prisma, por la llama de una mecha humedecida en una
solución de sal de mesa. El resultado fue un espectro muy distinto al que había obtenido
Newton y que daría paso a una nueva rama de la física la Espectroscopia.
Para principios del s.XX los éxitos de la espectroscopia eran colosales, pero el
coloso tenia pies de barro, esta construcción monumental de la ciencia estaba basada en
la teoría de la radiación térmica, la cual no podía explicar porque los cuerpos al ser
calentados emitían luz. Los físicos no podían entender como los átomos producían
radiación sin que sus electrones cayeran en el núcleo.
La respuesta la dio Bohr cuando publicó sus postulados, en los cuales usaba los
fotones para explicar porque los cuerpos emitían luz y así se entendió que significaban
las rayas en los espectros de emisión de los átomos: eran los fotones emitidos por los
electrones al saltar de una orbita mas energética a otra menos energética. Si bien con la
llegada de Bohr se explicaron muchos fenómenos también es cierto que su teoría
quántica del átomo se cavo su propia tumba pues contribuyó en el descubrimiento de
nuevos fenómenos que ella misma no podía explicar. Uno de los primeros traspiés de la

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teoría de Bohr fue que si bien podía calcular la longitud de onda de los fotones al saltar
de un “orbita” a otra no podía explicar el brillo de las rayas espectrales. Que, por otro
lado, la Clásica si podía hacerlo, basta con recordar a Wien-Golitzin.
Si bien Bohr pudo explicar satisfactoriamente el espectro de emisión del
hidrogeno, no pudo hacer lo mismo con elementos multielectrónicos.
Estos “inconvenientes” en las respuestas quánticas a problemas “clásicos” no
desanimaban a los jóvenes científicos. Es así que en 1924 De Broglie propone sus
“ondas de materia”, que fueron la puerta de entrada a la Física Quántica. La formula
propuesta por de Broglie:
mv
h
 ; donde h es la Cte. de Planck, m la masa del cuerpo
y v su velocidad; predecía una onda de materia para el electrón del orden de 10-7cm.
Tres años más tarde, se pudo realizar la difracción de un haz de electrones. Es decir que
si hay difracción hay onda, por lo tanto el electrón presentaba un doble comportamiento
como materia y como onda. A pesar de que la relación de de Broglie funcionaba, no
podía responder la pregunta ¿Cuál es la posición de la partícula?.
En 1927 Heisenberg da a conocer su “Principio de Incertidumbre”, el cual
afirma que es imposible conocer simultáneamente la posición y la velocidad del
electrón, y por tanto es imposible determinar su trayectoria. A esta cruzada por salvar
las ideas de de Broglie se sumo Schrödinger con su ecuación diferencial que lograba
englobar la hipótesis de Louis de Broglie y el Principio de indeterminación de
Heisenberg.