Equipo | 6.1 Crisis de la física clásica y origen de la física cuántica. | Radiación del cuerpo negro y la hipótesis cuántica. | ||||
1 | Hacia 1880 la física presentaba un panorama de calma: la mayoría de los fenómenos podían explicarse mediante la mecánica de Newton, la teoría electromagnética de Maxwell, la termodinámica y la mecánica estadística de Boltzmann. Parecía que sólo quedaban por resolver unos pocos problemas, como la determinación de las propiedades del éter y la explicación de los espectros de emisión y absorción de sólidos y gases. Sin embargo, estos fenómenos contenían las semillas de una revolución cuyo estallido se vio acelerado por una serie de asombrosos descubrimientos realizados en la última década del siglo XIX: en 1895, Wilhelm Conrad Roentgen descubrió los rayos X; ese mismo año, Joseph John Thomson descubrió el electrón; en 1896, Antoine Henri Becquerel descubrió la radiactividad; entre 1887 y 1899, Heinrich Hertz, Wilhelm Hallwachs y Philipp Lenard descubrieron diversos fenómenos relacionados con el efecto fotoeléctrico. Los datos experimentales de la física, unidos a los inquietantes resultados del experimento de Michelson-Morley y al descubrimiento de los rayos catódicos, formados por chorros de electrones, desafiaban a todas las teorías disponibles. | Sobre la superficie de un cuerpo incide constantemente energía radiante, tanto desde el interior como desde el exterior, la que incide desde el exterior procede de los objetos que rodean al cuerpo. Cuando la energía radiante incide sobre la superficie una parte se refleja y la otra parte se transmite.
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2 | Dos fueron básicamente los fenómenos que pusieron a la física en cuarentena: la radiación del cuerpo negro y la electrodinámica de los cuerpos en movimiento. se afirma que la física cuántica nació con el descubrimiento de Planck . Su formulación se inició hasta 1925, con los trabajos de otro físico alemán, Werner Heisenberg. A partir de 1926, el desarrollo de la mecánica cuántica fue espectacular | Los físicos entienden por cuerpo negro un absorbente ideal, capaz por tanto de engullir cuanta radiación electromagnética le llegue, y por ello, también, un emisor ideal; un pequeño agujero en una caja completamente cerrada a cualquier temperatura es un ejemplo de cuerpo negro. | ||||
3 | CRISIS DE LA FISICA CLAISCA Finales del siglo XIX, los físicos llegaron a pensar que el edificio de las ciencias estaba prácticamente completo. Sin embargo, en muy pocos años se realizaron varias experiencias que vinieron a demostrar lo contrario. Estos son los principales aspectos que hicieron que el edificio científico construido se derrumbara con gran estrépito:
FISICA CUANTICA Aunque se afirma que la física cuántica nació con el descubrimiento de Planck, en 1900, lo cierto es que su formulación se inició hasta 1925, con los trabajos de otro físico alemán, Werner Heisenberg. Es indudable que la mecánica cuántica, como casi todas las teorías científicas modernas, es una obra colectiva resultante de una gran variedad de esfuerzos personales realizados durante muchos años y en diversos lugares. Sin embargo, buscando los antecedentes determinantes de lo que ahora sabemos de ese campo, es imposible pasar por alto un artículo –fechado en 1925– en el que Heisenberg señaló la importancia de cambiar la formulación matemática de los fenómenos que ocurren en el mundo atómico. A partir de 1926, el desarrollo de la mecánica cuántica fue espectacular. En ese año Erwin Schrödinger (físico austriaco) formuló la famosa ecuación que desde entonces lleva su nombre y con ella los físicos iniciaron la construcción del gran edificio que alberga ahora las explicaciones de los fenómenos atómicos y moleculares. Poco después se puso en limpio la estructura matemática de la teoría cuántica, especialmente por los trabajos del físico inglés Paul Adrien, Maurice Dirac y del matemático estadounidense, de origen húngaro, John von Neumman. La física cuántica -también conocida como mecánica cuántica o mecánica ondulatoria- es la rama de la física que estudia el comportamiento de la energía y la materia cuando las dimensiones de ésta son inferiores a los 1.000 átomos. El término ‘mecánica cuántica’ fue utilizado por primera vez por Max Born en 1924, aunque la primera formulación cuántica de un fenómeno se había dado a conocer anteriormente, el 14 de diciembre de 1900 en una sesión de la Sociedad Física de la Academia de Ciencias de Berlín. Su autor, Max Planck es considerado el padre de los fundamentos de la física cuántica. En cualquier caso, la mecánica cuántica es la última y más moderna de las ramas de la física, ya que sus bases se concretaron a lo largo de la primera mitad del siglo XX, en respuesta a los problemas que no podían ser resueltos por medio de la física clásica. En el desarrollo formal de la teoría tuvieron mucho que ver también otros físicos y matemáticos, entre quienes destacaron Einstein, Heisenberg, Schrödinger, Dirac y Von Neumann. Algunos de los aspectos fundamentales de la teoría de la física mecánica están siendo aún estudiados activamente. | RADIACION DEL CUERPO NEGRO Todos los objetos emiten ondas electromagnéticas. Para entender por qué emiten radiación los objetos ponga mucha atención a las siguientes consideraciones:
El físico alemán Max Plank, descubrió la ley que gobierna la radiación de los cuerpos en equilibrio termodinámico. Según Plank, la intensidad de radiación para cada longitud de onda depende únicamente de la temperatura del cuerpo en cuestión.  El espectro de radiación (o intensidad para cada longitud de onda) al que llegó Plank tiene una forma característica así: Los físicos designan este espectro con el nombre de Radiación de Cuerpo Negro. Plank llegó a este resultado introduciendo el concepto de quantum de energía (es decir que la energía en la naturaleza sólo se puede intercambiar en paquetes con cantidades discretas). Este es el principio de la mecánica cuántica. HIPOTESIS CUANTICA La física de la época de Max Planck no permitía explicar los detalles de la radiación térmica (también llamada radiación de cuerpo negro). Planck tuvo que inventar una física nueva. Supuso que la radiación se emitía y absorbía en “paquetes”. Cada paquete contiene una cantidad fija de energía y no se puede subdividir. Planck llamó a los paquetes quantum (que quiere decir “qué tanto” en latín). Con la hipótesis de que la radiación venía en cuantos, Planck logró explicar la radiación térmica. La hipótesis cuántica de Planck iba en contra de lo que se sabía acerca de la energía. Los físicos pensaban que ésta podía ir y venir entre los objetos como un flujo continuo (digamos, como un chorro de agua, que llena una cubeta continuamente). Planck cambió este flujo continuo por una ráfaga de paquetes discontinuos (como si la cubeta se llenara de piedras, o cubos de hielo). Al principio este razonamiento no le gustó ni a Planck. Pero la hipótesis cuántica ganó adeptos conforme fue explicando otros fenómenos que no se entendían con la física clásica. | ||||
4 | Se denomina física clásica a la física basada en los principios previos a la aparición de la física cuántica. Incluyen estudios del electromagnetismo, óptica, mecánica y dinámica de fluidos, entre otras. La física clásica se considera determinista (aunque no necesariamente computable o computacionalmente predictible), en el sentido de que el estado de un sistema cerrado en el futuro depende exclusivamente del estado del sistema en el momento actual. Algunas veces se reserva el nombre física clásica para la física pre relativista, sin embargo, desde el punto de vista teórico la teoría de la relatividad introduce supuestos menos radicales que los que subyacen a la teoría cuántica. Por esa razón resulta conveniente desde un punto de vista metodológico considerar en conjunto las teorías físicas no-cuánticas. El origen de la Teoría Cuántica ¿Qué pretendía explicar, de manera tan poco afortunada, la Ley de Rayleigh-Jeans (1899)? Un fenómeno físico denominado radiación del cuerpo negro, es decir, el proceso que describe la interacción entre la materia y la radiación, el modo en que la materia intercambia energía, emitiéndola o absorbiéndola, con una fuente de radiación. Pero además de la Ley de Rayleigh-Jeans había otra ley, la Ley de Wien (1893), que pretendía también explicar el mismo fenómeno. La Ley de Wien daba una explicación experimental correcta si la frecuencia de la radiación es alta, pero fallaba para frecuencias bajas. Por su parte, la Ley de Rayleigh-Jeans daba una explicación experimental correcta si la frecuencia de la radiación es baja, pero fallaba para frecuencias altas. La frecuencia es una de las características que definen la radiación, y en general cualquier fenómeno en el que intervengan ondas. Puede interpretarse la frecuencia como el número de oscilaciones por unidad de tiempo. Toda la gama de posibles frecuencias para una radiación en la Naturaleza se hallan contenidas en el espectro electromagnético, el cual, según el valor de la frecuencia elegida determina un tipo u otro de radiación. En 1900, Max Planck puso la primera piedra del edificio de la Teoría Cuántica. Postuló una ley (la Ley de Planck que explicaba de manera unificada la radiación del cuerpo negro, a través de todo el espectro de frecuencias. | Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerpo negro emite luz y constituye un modelo ideal físico para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862. La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro. Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a las de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck. A igualdad de temperatura, la energía emitida depende también de la naturaleza de la superficie; así, una superficie mate o negra tiene un poder emisor mayor que una superficie brillante. Así, la energía emitida por un filamento de carbón incandescente es mayor que la de un filamento de platino a la misma temperatura. La ley de Kirchhoff establece que un cuerpo que es buen emisor de energía es también buen absorbente de dicha energía. Así, los cuerpos de color negro son buenos absorbentes y el cuerpo negro es un cuerpo ideal, no existente en la naturaleza, que absorbe toda la energía. La hipótesis de Planck ¿Qué aportaba la ley de Planck que no se hallase ya implícito en las leyes de Wien y de Rayleigh-Jeans? Un ingrediente tan importante como novedoso. Tanto que es el responsable de la primera gran crisis provocada por la Teoría Cuántica sobre el marco conceptual de la Física Clásica. Ésta suponía que el intercambio de energía entre la radiación y la materia ocurría a través de un proceso continuo, es decir, una radiación de frecuencia f podía ceder cualquier cantidad de energía al ser absorbida por la materia. Lo que postuló Planck al introducir su ley es que la única manera de obtener una fórmula experimentalmente correcta exigía la novedosa y atrevida suposición de que dicho intercambio de energía debía suceder de una manera discontinua, es decir, a través de la emisión y absorción de cantidades discretas de energía, que hoy denominamos “quantums” de radiación. La cantidad de energía E propia de un quantum de radiación de frecuencia f se obtiene mediante la relación de Planck: E = h x f, siendo h la constante universal de Planck = 6’62 x 10 (expo-34) (unidades de “acción”). Puede entenderse la relación de Planck diciendo que cualquier radiación de frecuencia f se comporta como una corriente de partículas, los quantums, cada una de ellas transportando una energía E = h x f, que pueden ser emitidas o absorbidas por la materia. La hipótesis de Planck otorga un carácter corpuscular, material, a un fenómeno tradicionalmente ondulatorio, como la radiación. Pero lo que será más importante, supone el paso de una concepción continuista de la Naturaleza a una discontinuista, que se pone especialmente de manifiesto en el estudio de la estructura de los átomos, en los que los electrones sólo pueden tener un conjunto discreto y discontinuo de valores de energía. La hipótesis de Planck quedó confirmada experimentalmente, no sólo en el proceso de radiación del cuerpo negro, a raíz de cuya explicación surgió, sino también en las explicaciones del efecto fotoeléctrico, debida a Einstein (1905), y del efecto Compton, debida a Arthur Compton (1923). | ||||
5 | La crisis de la Física clásica a comienzos del siglo XX está relacionada con la imposibilidad de detectar un sistema de referencia en reposo absoluto y con problemas relacionados con la emisión y absorción de ondas electromagnéticas y que, de forma coincidente, iban también a exigir un cambio profundo en dichas concepciones clásicas. | Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a las de la luz visible. La segunda hipótesis de Planck, establece que la energía de los osciladores está cuantizada. La energía de un oscilador de frecuencia f sólo puede tener ciertos valores que son 0, hf, 2hf ,3hf....nhf. | ||||
6 | La crisis de la Física clásica a comienzos del siglo XX está relacionada con la imposibilidad de detectar un sistema de referencia en reposo absoluto - que va a dar lugar al nacimiento de la teoría de la Relatividad - y con problemas relacionados con la emisión y absorción de ondas electromagnéticas y que, de forma coincidente, iban también a exigir un cambio profundo en dichas concepciones clásicas. Dichos problemas son: el efecto fotoeléctrico -liberación de electrones por superficies iluminadas- y los espectros discontinuos de los gases. Es preciso referirnos a un tercer problema - aunque su mayor complejidad no recomienda su estudio a este nivel-, el relativo a la interpretación de los espectros continuos emitidos por sólidos y líquidos incandescentes. Estos problemas originaron la crisis de la Física clásica, marcando sus límites de validez, y pusieron en evidencia la necesidad de profundos cambios en ella. Aunque los primeros aparecen históricamente como retoques, es decir, como hipótesis parciales que rectificaron el edificio teórico existente, pronto se vio la necesidad de un replanteamiento global, elaborándose un nuevo marco conceptual que conocemos como Física cuántica. De acuerdo con ello desarrollaremos el tema según el siguiente hilo conductor: | cualquier sistema de radiación de energía atómica podía teóricamente ser dividido en un número de elementos de energía discretos  , tal que cada uno de estos elementos de energía sea proporcional a la frecuencia  , con las que cada uno podía de manera individual irradiar energía, como lo muestra la siguiente fórmula: donde es un valor numérico llamado constante de Planck. Entonces, en 1905, para explicar el efecto fotoeléctrico (1839), esto es, que la luz brillante en ciertos materiales puede funcionar para expulsar electrones del material |
MEDICION DE LA ENERGIA RADIENTE SOLAR
MATERIAL: Piedra volcánica (cuerpo negro), lupa, termómetro.
Procedimiento:
- Medir durante tres minutos la temperatura del hueco de la piedra volcánica, expuesta a la radiación solar, registrar el dato final.
- Calentar el hueco de piedra volcánica con la lupa (coincidir el foco de la radiación solar con el centro del hueco) durante tres minutos, medir con el termómetro la temperatura obtenida.
OBSERVACIONES:
EQUIPO | TEMPERATURA INICIAL OC | TEMPERATURA FINAL |OC |
1 | 35°C | 40°C |
2 | 33oC | 37oC |
3 | 31oC | 38oC |
4 | 30°C | 39°C |
5 | 34oC | 40o C |
6 | 35°C | 41o C |
CONCLUSIONES:
La temperatura que otorga la radiación solar no es igual de fuerte que la que le otorgamos usando la lupa para concentrar los rayos a una dirección más puntual. Los rayos solares son muy dispersos por lo que no alcanzan a quemarnos, sin embargo. Si nos apuntaran directamente con el bastaría para prendernos fuego.
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