Este documento describe los principales conceptos de la física cuántica. Explica que la física cuántica surgió para dar cuenta de fenómenos como la radiación térmica, el efecto fotoeléctrico y los espectros atómicos que no podían explicarse con la física clásica. La física cuántica introdujo los conceptos de cuantización de la energía, los fotones, el comportamiento dual onda-partícula de la materia y el principio de incertidumbre de Heisenberg.

1. FÍSICA
7. Física Cuántica.
1. Dificultades de la Física Clásica.
2. Cuantización de la energía; fotones.
3. Dualidad onda-corpúsculo; Hipótesis de De
Broglie.
4. Principio de incertidumbre de Heisemberg;
límites de validez de la Física Clásica.

2. 1. Dificultades de la Física Clásica.
A finales del s. XIX parecía que los conceptos
fundamentales en Física estaban perfectamente
determinados.
Sin embargo, existían algunos fenómenos que no
quedaban explicados; los más importantes eran:
1. La radiación térmica.
2. El efecto fotoeléctrico.
3. Los espectros atómicos.

3. Radiación térmica
Radiación electromagnética que emite un cuerpo debido a
su temperatura.
Modelo del cuerpo negro
Un cuerpo negro sería aquel capaz de:
• Absorber toda la radiación que incida sobre
él sin producir ninguna reflexión.
• Emitir la máxima cantidad de radiación
posible a cualquier temperatura.
Ley de Wien: A mayor temperatura
del cuerpo, la λ de la máxima
radiación emitida es menor.
Ninguna teoría clásica podía explicar este fenómeno a
partir de la radiación UV (“catástrofe ultravioleta“).

4. Efecto fotoeléctrico
Emisión de electrones por parte de un metal cuando
sobre él incide radiación electromagnética.
A estos electrones emitidos se les conoce como
fotoelectrones.
Fue descubierto por Hertz en 1887 al irradiar UVA sobre
zinc.

5. Física clásica Hechos experimentales
Los electrones van 1. La emisión de los electrones es
absorbiendo la energía de la instantánea.
onda electromagnética hasta 2. Empleando radiación con una
que tienen suficiente para frecuencia inferior a una cierta
vencer la atracción del núcleo frecuencia umbral, no se observa
y saltar: emisión de electrones.La
1. La emisión de los frecuencia umbral depende
electrones no sería únicamente del tipo de metal que
instantánea y debería utilicemos.
darse a cualquier 3. La energía cinética de los
frecuencia de la onda electrones depende de la
incidente. frecuencia de la radiación, no de
2. La energía cinética de los su intensidad.
fotoelectrones debería 4. La intensidad de corriente sí
depender únicamente de la depende de la intensidad de la
intensidad de la radiación y radiación.
no de su frecuencia.
Estos hechos vuelven a plantear la
naturaleza corpuscular de la luz.

6. Espectros Atómicos
Espectros de emisión: imágenes obtenidas por la
radiación de las ondas electromagnéticas con diferentes
frecuencias provenientes de un cuerpo caliente.
Espectros de absorción: imágenes tras la absorción de
ondas electromagnéticas al incidir radiación sobre un
cuerpo.

7. Física clásica
Los espectros de emisión y de absorción deberían ser continuos.
Hechos experimentales
1.Los espectros observados son discontinuos.
2.Cada elemento químico tiene su propio espectro
característico.
3.La ecuación de Rydberg (ley empírica) muestra las
líneas para el espectro del átomo de hidrógeno.
1  1 1 n1,2  1,2,3,...
 R 2  2  n2  n1
  n1 n2 
R  cte de Rydberg   1,0793·10 m 7 1

8. 2. Cuantización de la energía; fotones.
El concepto de cuantización de la energía establece las
bases para dar explicación a los tres fenómenos anteriores:
Física Cuántica
Autor Año Explica
Max Planck 1900 Radiación térmica
Albert Einstein 1905 Efecto fotoeléctrico
Niels Böhr 1913 Espectros atómicos

9. Hipótesis de Planck
• La energía no se emite de forma continua, sino
discreta, es decir, cuantizada en cuantos o paquetes de
energía.
• La energía correspondiente a un cuanto depende de la
frecuencia de vibración de los átomos del material:
E  h  h  cte de Planck   6,63·1034 J·s
• Por tanto, la energía emitida no
puede tener cualquier valor, sino
un número entero de cuantos de E  n  h 
energía. La energía está
cuantizada.

10. Efecto fotoeléctrico de Einstein
Supone que la energía está cuantizada y que la propia
radiación está constituida por partículas (fotones), que
transportan los cuantos de energía.
Al suponer que la luz se
comporta como una partícula,
transmitirá su energía
instantáneamente a los
electrones, parte de esta
energía se utilizará en la
extracción de éstos, y la
energía sobrante se
transformará en energía
cinética de los electrones.

11. Desarrollo
E fotón  Wext  Ece
1
h·  h·0  meve
2
2
0 : frecuencia umbral (característica del metal)

12. Modelo atómico de Böhr
• La órbita del electrón no puede ser
cualquiera, el momento angular está h
Ln
cuantizado.
• Si el electrón permanece en una órbita, su 2
energía permanece constante.
• El átomo emite radiación cuando un electrón salta de una
órbita de mayor energía a otra de menor, y absorbe en el
caso contrario.
Al estar permitidas solo ciertas órbitas, sólo están
permitidos ciertos saltos, y por tanto, sólo se emitirá o
absorberá radiación de ciertas frecuencias.

13. Desarrollo para el átomo de hidrógeno
 
Newton

v2 e2 v2 e2
Fe  me  K 2  me  v 2  K
r r r me r
 Böhr 

h h nh n2 h2
Ln  me vr  n r   r 2
2 2 2 me v 4 Kmee2
1 e2 2 2 K 2 mee4 1
Ee  Ece  Epe   K   2 2
 Ee  Z 2
2 r nh n
Demostración de la ecuación de Rydberg
 1 1 1 hZ  1 1   1 1
E  h  Z  2  2     2  2   R 2  2 
 n1 n2   c  n1 n2   n1 n2 

14. 3. Dualidad onda-corpúsculo;
Hipótesis de De Broglie.
Comportamiento dual de la luz
En ciertos fenómenos (efecto fotoeléctrico) la luz se
comporta como una partícula y en otros (difracción) se
comporta como una onda. Parece que a nivel subatómico
la diferencia entre onda y partícula no está tan clara.
.
Hipótesis de De Broglie (1924)
Cualquier partícula puede comportarse
h h
como una onda en determinados  
experimentos. A cada partícula p mv
corresponde una onda asociada. Supone
que toda la materia tiene un
comportamiento dual.

15. 4. Principio de incertidumbre de
Heisemberg; límites de validez de la
Física Clásica.
Heisemberg (1927)
Es imposible medir simultáneamente
y con total exactitud la posición y la
h
cantidad de movimiento de una x  p 
partícula. La incertidumbre en la 4
medida cumplirá:
• No existirán posición o velocidad exactas de una
partícula, únicamente probabilidad de encontrarla en una
determinada posición.
• El modelo atómico de Böhr queda inválido. Schrödinger,
con su ecuación de onda para el electrón, proporciona la
herramienta básica de la Física Cuántica.

16. Límites de validez de la Física Clásica
Física Clásica
Aplicable cuando no sea apreciable el carácter
ondulatorio de la materia, es decir, cuando λ
asociada es despreciable frente al tamaño del sistema
(sistemas macroscópicos).
Física Cuántica
Aplicable a sistemas microscópicos y subatómicos.
Partícula Masa p Energía λ
Fotón 0 E/c h c/
Partículas m mv 1 2
mv h/ p
clásicas 2