Física Cuántica

Física Cuántica

1. Introducción

   • Mecánica de Newton
   • Termodinámica Clausius y Boltzmanm
   • Electrodinámica Maxwell

2. Antecedentes

   • Radiación del cuerpo negro
     • Consiste en analizar la radiación de emisión de un determinado objeto llamado cuerpo negro
     • Teoría de Planck
       • Planck dijo que la energía cuantizada no se transfería de una manera continua.
     • Ley Stefan-Boltzmanm
       • Stefan estudió la radiación térmica de distintos cuerpos y estableció una ley según la cual la energía emitida por un cuerpo por unidad de tiempo y por unidad de superfície es proporcional a la 4ª potencia de la temperatura absoluta.
     • Ley desplazamiento Wien
       • Wien estudió el espectro  de radiación térmica emitida por un cuerpo negro:
       • - La intensidad de radiación emitida aumenta con temperatura. -Si se eleva la temperatura, la intensidad de las relaciones emitidas es mayor. - La longitud de onda que se emite con mayor intensidad es menor a mayor temperatura.
   • Efecto fotoeléctrico
     • Es el fenómeno mediante el cual la luz, al incidir sobre un metal, le arranca electrones. Para estudiar esto se utilizó un tubo de vidrio en cuyo interior se hizo el vacío y se colocaron dos placas metálicas en cada extremo conectadas a una batería.
     • Se observó que: - Para que una radiación provoque fotoelectrones debe tener una frecuencia mínima (umbral). - La intensidad de la corriente detectada es proporcional a la intensidad de la radiación. - Si modificamos el voltaje externo podemos invertir la polaridad y lograr que los electrones no lleguen al otro metal. Esto se llama potencial de frenado, y su valor depende de la frecuencia.
     • Einstein logró explivcar esto utilizando la teoría de Planck.
   • Espectros atómicos
     • Niels Bohr logró justificar el espectro de emisión del hidrógeno elaborando un modelo para el átomo que se sustentaba en la idea de cuantización. 
     • El modelo de Bohr se basa en 3 postulados. - Los átomos son estructuras formadas por un pequeño núcleo, donde están los protones y la mayor parte de la masa. Y una corteza donde están los electrones girando en órbitas circulares estacionarias. Cuando e- gira en órbita estacionario no emite energía. - Los electrones pueden absorber/emitir energía en forma de radiación electromagnética (fotones) que les lleve de una órbita permitida a otra permitida. La energía de los fotones es igual  la diferencia de energía entre dichas órbitas.

3. Mecánica cuántica

   • Puntos de partida
     • Los puntos de partida son la dualidad onda-corpúsculo y el principio de indeterminación
   • Principio de Broglie
     • Broglie propuso la doble naturaleza de  la luz y encontró la relación entre las características de la onda y de las partículas. Toda partícula lleva asociada una onda cuya longitud de onda viene dada por:
   • Dualidad onda-corpúsculo
     • Huygens había propuesto que la luz tenía una naturaleza ondulatoria y Einstein  explicó el efecto fotoeléctrico apoyándose en la naturaleza corpuscular de la luz

4. Principio de incertidumbre de Heisenberg

   • En línea con esto, Bohr enunció el principio de complementariedad. Un objeto cuántico actúa como onda o partícula, pero nunca exhibirá los dos aspectos de forma simultáneo.
   • Definición
     • El doble carácter de las partículas nos permite conocer con precisión su posición y cantidad de movimiento. Debemos tener presente que para determinar la posición de un electrón hay que lanzar sobre él un fotón que provoca cambios en su posición y velocidad. El propio hecho de medir lleva implícito un error de medida
   • Principio de complementariedad
     • En línea con esto, Bohr enunció el principio de complementariedad. Un objeto cuántico actúa como onda o partícula, pero nunca exhibirá los dos aspectos de forma simultáneo.

5. Función de onda

   • Orbitales
     • Si se utiliza la función de onda para estudiar el electrón en un átomo, encontramos que esta puede estar en una serie de estados cuánticos definidos por una serie de números llamados números cuánticos. Al representar la función de probabilidad para cada uno de estos estados cuánticos obtenemos unas regiones del espacio cuya forma y espacio dependen del estado cuántico. Estas regiones se llaman orbitales.
   • Ecuación de Schrödinger
     • Schrödinger desarrolló  una ecuación de onda que permite describir la posición de una partícula en función del tiempo y relacionarlo con la energía asociada; todo ello aplicado a las partículas cuánticas.
     • La onda descrita por ψ no es una onda material, sino una onda de probabilidad. La función de onda es función de la posición y tiempo ψ (x, y, z, t). El cuadrado de la amplitud de ψ es una medida de probabilidad de encontrar una partícula en un punto del espacio determinado.

6. Desarrollo científico y aplicaciones técnicas

   • Célula fotoeléctrica
     • Son dispositivos que aprovechan el efecto fotoeléctrico que estudió Einstein. Cuando una radiación de determinada energía alcanza el cátodo de una célula fotoeléctrica, le arranca electrones dando lugar a una corriente eléctrica. Esta corriente se puede utilizar para poner en funcionamiento otro circuito que abra o cierre puertas,encienda o apague luces. etc.
     • Una de las más recientes son las células fotovoltáicas, que transforman la energía luminosa del Sol en energía eléctrica.
   • Nanotecnología
     • Es la ciencia aplicada sobre nanopartículas, conjuntos de átomos o moléculas cuyo tamaño se encuentra entre 1 y 100 nm.
     • A esta escala, las partículas sufren efectos cuñanticos que hacen que sus propiedades sean muy distintas a las que tienen partículas de mayor tamaño. Una de las principales aplicaciones de estas nanopartículas es en la medicina y se espera poder utilizarlas en la computación cuántica. Todavía están en fase de experimentación
   • Láser
     • Láser es el acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation. Es un dispositivo que proporciona luz monocromática coherente. Con esto podemos disponer de un haz en el que todos los fotones tienen la misma energía y el mismo modo de vibración. Esto permite aplicar una gran densidad de energía a una superfície muy pequeña.
     • Para obtener un haz láser necesitamos un material cuyos átomos puedan absorber energía procedente de una fuente externa, de manera que sus electrones pasen a estados de energía elevados. Cuando pase esta excitación, los electrones permanecen en un estado metaestable. La emisión de un fotón por uno de estos átomos que pasan del estado metaestable al fundamental provoca una especie de reacción en cadena que consigue que todos los átomos que estavan en ese estado acaben emitiendo un fotón similar. El conjunto de fotones emitidos genera el pulso láser.
   • Microscopio electrónico
     • Utiliza un haz de electrones para ver los objetos aumentados. Su pequeña longitud de onda permite hasta 500000 aumentos. Los electrones se generan en un cañón, donde se aceleran al someterlos a un voltaje elevado, y luego se utilizan entes magnéticas para dirigir y focalizar el haz sobre la muestra. Se debe trabajar en una situación de espacio vacío, ya que el aire absorbe los electrones.
     • Microscopio electrónico de transmisión
       • El haz de electrones se hace incidir sobre una muestra de unos 100 nm de espesor. Parte de los electrones son absorbidos sobre la muestra y parte la atraviesan. El haz resultante incide a continuación sobre una pantalla fluorescente y muestra la imagen. Se utiliza para estudiar muestras biológicas, especialmente virus.
     • Microscopio electrónico de barrido
       • La muestra se recubre de una capa de metal muy fina que es barrida por el haz de electrones. Tiene menos capacidad de aumento que el microscopio de transmisión, pero es muy útil para el estudio de texturas y otros elementos de la morfología de los objetos.

Bilder und Dateien der Mindmap