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FÍSICA CUÁNTICA
RADIACIÓN TÉRMICA
En las cercanías de un objeto muy
caliente, como una estufa o un leño
encendido nuestra piel percibe el calor
que nos llega en forma de ondas
infrarrojas. Pero no sólo los cuerpos
muy calientes emiten ondas
electromagnéticas: en realidad, todo
cuerpo cuya temperatura sea superior
al cero absoluto lo hace. Para las
temperaturas que percibimos
cotidianamente, la mayor parte de la
energía se emite en el rango infrarrojo
y un poco en el visible. En general, un
cuerpo sólido emite todo un espectro
de ondas
CUERPOS NEGROS
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. La
luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo
negro.
Es posible estudiar objetos en el
laboratorio con comportamiento muy
cercano al del cuerpo negro. Para ello se
estudia la radiación proveniente de un
agujero pequeño en una cámara aislada.
La cámara absorbe muy poca energía del
exterior, ya que ésta solo puede incidir por
el reducido agujero. Sin embargo, la
cavidad irradia energía como un cuerpo
negro. La luz emitida depende de la
temperatura del interior de la cavidad,
produciendo el espectro de emisión de un
cuerpo negro.
Ley de Stefan-Boltzmann
La potencia total P emitida a la temperatura T
por una superficie S cumple la Ley de StefanBoltzmann:
P   T  S
4
  5,6703 10 W .m .K
8
Constante de Stefan-Boltzmann
2
Ley de desplazamiento de Wien
La posición del máximo en el espectro de la radiación
del cuerpo negro depende de la temperatura del
cuerpo negro y está dado por la ley de desplazamiento
de Wien.
La catástrofe ultravioleta
La descripción teórica
clásica de este fenómeno
se basó inicialmente en
la Fórmula de RayleighJeans que no logra
predecir la caída en la
intensidad de emisión
cuando se pasa a la parte
ultravioleta del espectro,
tal y como se detalla en la
figura. A esto se le llamó
la catástrofe del
ultravioleta.
Las hipótesis de Planck
• Los átomos emiten radiación se
comportan como osciladores
armónicos.
• Cada oscilador absorbe o emite
energía en una cantidad
proporcional a su frecuencia de
oscilación.
Eo  h  f
E  n.h. f
h  6,625.10
34
J .s
n  1,2,3...
Los paquetes de energía h.f se llamaron cuantos
EFECTO FOTOELÉCTRICO
El efecto fotoeléctrico consiste
en la emisión de electrones por
un material cuando se hace
incidir sobre él radiación
electromagnética (luz visible o
ultravioleta, en general)
• Sólo se produce emisión si la frecuencia de la radiación supera un
valor mínimo, llamada frecuencia umbral, propia de cada metal.
•Si la frecuencia de la luz incidente es mayor que la umbral, el
número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la
radiación incidente, pero su energía cinética es independiente de
esta intensidad.
•No hay un tiempo de retraso entre el instante que incide la luz y la
emisión de electrones.
Medidas del efecto fotoeléctrico
•
•
Mediante una fuente de potencial
variable, tal como se ve en la figura
podemos medir la energía cinética
máxima de los electrones emitidos.
Aplicando una diferencia de
potencial V variable entre las placas A
y C, podemos obtener un potencial
que frene el movimiento de los
fotoelectrones emitidos –potencial de
corte –. Para un
voltaje V determinado, el
amperímetro no señala paso de
corriente, lo que significa que ni los
electrones más rápidos llegan a la
placa C. En ese momento la energía
potencial de los electrones se hace
igual a la energía cinética.
Ecmáx  eV0
Potencial
de frenado
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/E
f_Fotoelectrico/EfectoFotoelectrico_indice.htm
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Ef_
Fotoelectrico/const_Plank.htm
Teoría cuántica de Einstein
• Toda la energía emitida por una fuente radiante está
cuantizada en paquetes llamados fotones
• La cantidad de energía de cada fotón viene dada por
E=h.f
• Cada fotón es absorbido por un electrón, y la energía
cinética del fotoelectrón es
Ec  h. f  W
W=trabajo necesario para extraer el
electrón del metal.
El electrón con menor energía de enlace escapará con una
energía cinética máxima dada por la ecuación fotoeléctrica:
Ecmáx  h. f  W0
¿Qué explicó la Teoría de Einstein?
• Si la frecuencia de la
radiación es inferior a la
frecuencia umbral, ningún
electrón puede ser extraído,
pues los fotones no tendrán la
energía mínima para ello.
• Al duplicar la intensidad de la
luz, se duplica el número de
fotones, y por tanto la
intensidad de corriente. Esto
no varía la energía cinética de
cada electrón.
• Como la energía se suministra
en paquetes (fotones) no tiene
sentido la existencia de un
tiempo de retraso.
Experimento de Millikan
Mecánica cuántica
La radiación electromagnética se
comporta en ocasiones como un
conjunto de fotones. Esta idea
sugiere que existe algún nexo entre
partículas y ondas
La idea de De Broglie
A De Broglie, aficionado a la música, que los
electrones del átomo sólo pudieran tener órbitas
relacionadas con un número entero, le recordaba
la existencia de los armónicos en un instrumento
de cuerda.Conociendo también la doble
naturaleza corpuscular-ondulatoria de la luz,
postuló que las partículas atómicas poseen
también esta doble naturaleza.De esta forma,
cada partícula tendría una longitud de onda
dada por:
Donde h es la constante de Planck
y p=m·v es el momento lineal.
Conclusiones sobre la naturaleza
ondulatoria de las partículas
La hipótesis de De Broglie
Toda partícula se porta, en su
propagación, como una onda de
longitud:
donde p es su
momento lineal.
Las partículas ya no son pequeñas
esferas
El lugar donde detectamos una partícula
que pasa a través de una rendija depende
de si hay otras abiertas alrededor o no. La
onda de las partículas subatómicas
tiene una extensión espacial apreciable.
La función de ondas
De la función de ondas dependen los
resultados de las magnitudes de la
partícula. En particular, su cuadrado
mide la probabilidad de encontrar la
partícula en un punto y momento
dados.