Conceptos sobre la Física Cuántica
Max Planck había avanzado en 1900 la hipótesis de que la energía era emitida y absorbida por cuantos, paquetes de energía cuyo valor está ligado a la frecuencia f de la radiación por medio de una constante h (llamada constante de Planck) E = hf, esta idea fue complementada cuando Einstein, cinco años después, explicó de la misma manera el efecto fotoeléctrico descubierto por H. Hertz (1886) constante en el desprendimiento de un flujo de electrones por un metal sometido a una radiación ultravioleta.
Para Einstein los corpúsculos luminosos son portadores de una energía proporcional a su frecuencia, que comunican a los electrones de los átomos metálicos. El efecto es tanto más marcado cuanto más alta es la frecuencia de la radiación (rayos ultravioleta) y no se da con la luz visible (de frecuencia menor) cualquiera que sea su intensidad.
Los átomos son capaces de absorber y emitir luz lo que según el físico danés Niels Bohr está de acuerdo con los resultados de la espectroscopía: el que un átomo emita luz a ciertas frecuencias bien determinadas (rayas del espectro) se debe a que la energía de sus electrones se encuentra asimismo “cuantificada” en niveles de energía discretos bien determinados.
Los electrones del átomo de Bohr se distribuyen en “niveles de energía” característicos de cada átomo. A consecuencia de un choque, o de una absorción de un “cuanto” de energía un electrón puede pasar de un nivel a otro de mayor energía, y a la inversa puede regresar a su nivel inicial, emitiendo otro cuanto idéntico. La teoría de los cuantos descubren los misterios del átomo, no puede asociarse a ninguna imagen habitual. Los cuantos, como las ondas o los corpúsculos, no admiten más descripción que la matemática en el ámbito de la teoría cuántica.
Estructura de campos
Un campo es el volumen de espacio-tiempo barrido por una perturbación o fluctuación energética. Ejemplo: el campo electromagnético o el campo gravitacional.
Frecuencia, término empleado en física para indicar el número de veces que se repite en un segundo cualquier fenómeno periódico. La frecuencia es muy importante en muchas áreas de la física, como la mecánica o el estudio de las ondas de sonido.
Las frecuencias de los objetos oscilantes abarcan una amplísima gama de valores. Los temblores de los terremotos pueden tener una frecuencia inferior a 1, mientras que las veloces oscilaciones electromagnéticas de los rayos gamma pueden tener frecuencias de 1020 o más. En casi todas las formas de vibración mecánica existe una relación entre la frecuencia y las dimensiones físicas del objeto que vibra. Por ejemplo, el tiempo que necesita un péndulo para realizar una oscilación completa depende en parte de la longitud del péndulo; la frecuencia de vibración de la cuerda de un instrumento musical está determinada en parte por la longitud de la cuerda. En general, cuanto más corto es el objeto, mayor es la frecuencia de vibración.
En todas las clases de movimiento ondulatorio, la frecuencia de la onda suele darse indicando el número de crestas de onda que pasan por un punto determinado cada segundo. La velocidad de la onda y su frecuencia y longitud de onda están relacionadas entre sí. La longitud de onda (la distancia entre dos crestas consecutivas) es inversamente proporcional a la frecuencia y directamente proporcional a la velocidad. En términos matemáticos, esta relación se expresa por la ecuación v = ë f, donde v es la velocidad, f es la frecuencia y ë (la letra griega lambda) es la longitud de onda. A partir de esta ecuación puede hallarse cualquiera de las tres cantidades si se conocen las otras dos.
La frecuencia se expresa en hercios (Hz); una frecuencia de 1 Hz significa que existe 1 ciclo u oscilación por segundo. La unidad se llama así en honor del físico alemán Heinrich Rudolf Hertz, el primero en demostrar la naturaleza de la propagación de las ondas electromagnéticas. Las unidades como kilohercios (kHz) —miles de ciclos por segundo—, megahercios (MHz) —millones de ciclos por segundo— y gigahercios (GHz) —miles de millones de ciclos por segundo— se usan para describir fenómenos de alta frecuencia como las ondas de radio y de celulares de radiotelefonía móvil. Estas ondas y otros tipos de radiación electromagnética pueden caracterizarse por sus longitudes de onda o por sus frecuencias. Las ondas electromagnéticas de frecuencias extremadamente elevadas, como la luz o los rayos X, suelen describirse mediante sus longitudes de onda, que frecuentemente se expresan en nanómetros (un nanómetro, abreviado nm, es una milmillonésima de metro). Una onda electromagnética con una longitud de onda de 1 nm tiene una frecuencia de aproximadamente 300 millones de GHz.
Teoría onda partícula de Luis de Broglie)
m v = h ?
materia partícula energía onda
h = constante de Planck 6 • 6 • 10-34 joule/seg
m = masa
? = frecuencia
v = velocidad
Teoría cuántica Max Planck
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. 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.
Cuerpo negro campo electromagnético
De J. Maxwell (s. XIX)
Cuerpo negro es aquel que absorbe la totalidad de la radiación electromagnética (con reflexión nula). Corresponde a una idealización matemática.
La onda electromagnética: como paquetes de energía, cuantos o fotones de energía
E = h ?
Campos
Ley de Maxwell-Planck para un cuerpo negro (1905)
m • v = h ?
m = masa V = velocidad h = constante de Planck ? = frecuencia
En un cuerpo incandescente (cuerpo negro) su espectro de radiación varía en función de la temperatura, pasando por las diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético, como ilustra la figura.
Constante de Planck, constante física fundamental simbolizada por la letra h. Su existencia fue descubierta en 1900 por el físico alemán Max Planck. Hasta entonces se creía que todas las formas de radiación electromagnética estaban constituidas por ondas. Planck observó ciertas desviaciones de la teoría ondulatoria en el caso de las radiaciones emitidas por los llamados cuerpos negros, que absorben y emiten radiación de forma perfecta. Planck llegó a la conclusión de que la radiación electromagnética se emite en unidades discretas de energía, llamadas cuantos. Esta conclusión fue el primer enunciado de la teoría cuántica. Según Planck, la energía de un cuanto de luz es igual a la frecuencia de la luz multiplicada por una constante. Desde entonces, la teoría de Planck ha sido verificada experimentalmente en muchas ocasiones, y el desarrollo de la teoría cuántica ha producido un cambio radical en el concepto que se tiene en física de la luz y de la materia; en la actualidad, se considera que ambas combinan las propiedades de una onda y de una partícula. Así, la constante de Planck se ha vuelto tan importante para la investigación de las partículas de materia como para los cuantos de luz, ahora denominados fotones. La primera medida fiable de la constante de Planck (1916) se debió al físico estadounidense Robert Millikan. El valor actualmente aceptado es h = 6,626 × 10-34 julios•segundo.
energía E
= h (constante de Planck)
frecuencia ?
h = 6,6 ? 10 –36 Joule •? segundo
E = F •? d = m •? a •? d
Energía es fuerza por distancia = masa por aceleración en el desplazamiento.
Newton por metros = kilos por metro/s 2.
O sea:
E = N • m = kg • m • m
seg2
E = kg • m
Seg2 (un Joule)
Dualidad onda-partícula de De Broglie
El concepto de dualidad onda-corpúsculo implica la posesión de propiedades tanto ondulatorias como corpusculares por parte de los objetos subatómicos. El principio fundamental de la teoría cuántica es que una entidad que estamos acostumbrados a considerar como una partícula (por ejemplo, un electrón, con un momento lineal p) puede comportarse también como una onda, mientras que otras entidades que solemos concebir como ondas (por ejemplo, la luz, con una longitud de onda ?) también pueden describirse como corpúsculos (en este caso, fotones). La longitud de onda ? y el momento lineal p de una entidad cuántica están relacionados por la ecuación p? = h, donde h es una constante conocida como constante de Planck.
Esta dualidad onda-corpúsculo se aprecia especialmente bien en los experimentos de ‘doble rendija’, (experiencia de Young) en los que un cañón de partículas dispara electrones o fotones (uno cada vez) a través de un par de agujeros en una barrera, los que son detectados en una pantalla situada al otro lado. En ambos casos, lo que sale del cañón y lo que llega a la pantalla detectora son partículas, y cada una marca un punto individual en la pantalla. No obstante, la figura global que se acumula en la pantalla a medida que se disparan más y más corpúsculos a través de los dos agujeros es un diagrama de interferencia formado por franjas claras y oscuras, que sólo pueden explicarse como resultado de ondas que pasan por ambos agujeros de la barrera e interfieren entre sí. Esto se expresa en el aforismo de que las entidades cuánticas “viajan como ondas pero llegan como partículas”.
Energía del fotón = h • ?
m • v = h • ?
Partícula: m (masa) • v ( velocidad) = h (constante de Planck) • ? (frecuencia).