FÍSICA 2º BACHILLERATO BLOQUE TEMÁTICO: OPTICA. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA MODERNA LA LUZ. ELEMENTOS DE FÍSICA CUÁNTICA 1.- Naturaleza de la luz (hasta finales siglo XIX). 2.- Ondas electromagnéticas. 3.- Espectro electromagnético. 4.- Propiedades de las ondas electromagnéticas 5.- Hipótesis de Planck. 6.- Efecto fotoeléctrico. 7.- Cuantización de la energía en los átomos. Espectros atómicos. 8.- Hipótesis de De Broglie. Dualidad partícula-onda. 9.- Principio de incertidumbre de Heisenberg. “Los físicos emplean la teoría ondulatoria los lunes, miércoles y viernes, y la corpuscular, los martes, jueves y sábados” Sir. William Henry Bragg (1862-1942) 1.- Naturaleza de la luz (hasta finales siglo XIX) Ch. Huygens, en 1690 propuso en su obra Tratado de la luz: La luz consiste en la propagación de una perturbación ondulatoria del medio Para Huygens se trataba de ondas longitudinales similares a las ondas sonoras. Mediante esta hipótesis se explica fácilmente fenómenos como la reflexión, la refracción de la luz y la doble refracción (que se verá más adelante). Las dificultades de la teoría ondulatoria residían en que no se habían observado por entonces en la luz otros fenómenos típicamente ondulatorios como la difracción. Hoy día sí se han observado dichos fenómenos de difracción cuya dificultad de observación reside en la pequeña longitud de onda de las ondas luminosas. En su obra Óptica, publicada en 1704, Newton propuso que: La luz tiene naturaleza corpuscular: los focos luminosos emiten partículas que se propagan en línea recta en todas las direcciones y, al chocar con nuestros ojos, producen la sensación luminosa Los corpúsculos son distintos según el color de la luz. Son capaces de atravesar los medios trasparentes y son reflejados por los cuerpos opacos. Mediante esta hipótesis se explica fácilmente la propagación rectilínea de la luz y la reflexión, pero encuentra dificultades en otros fenómenos como la refracción y, sobre todo, en explicar porqué una misma superficie de separación de dos medios es capaz tanto de reflejar como de refractar. [1] A principios de siglo XIX las experiencias de T. Young sobre interferencias luminosas, el descubrimiento de la polarización de la luz o las experiencias de A. J. Fresnel sobre la difracción, revalorizaron la hipótesis ondulatoria ya que todos estos fenómenos son típicos de ondas. No obstante las ondas luminosas pasaron a ser transversales para poder explicar la polarización. En 1864 J. C. Maxwell estableció la teoría electromagnética de la luz, adelantándose a la comprobación experimental de la existencia de las ondas electromagnéticas efectuada en 1887 por el físico alemán H. Hertz. Maxwel propuso que: La luz no es una onda mecánica sino una forma de onda electromagnética de alta frecuencia. Las ondas luminosas consisten en la propagación, sin necesidad de soporte material alguno, de un campo eléctrico y de un campo magnético. Dichos campos son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación La teoría electromagnética fue comúnmente aceptada a finales de siglo XIX. 2.- Ondas electromagnéticas. J. C. Maxwell desarrolló su teoría del campo electromagnético entre 1861 y 1864, y predijo la existencia y características de las ondas electromagnéticas. Tal como se ha dicho en el apartado anterior la luz es una onda electromagnética. Podemos decir que son dos ondas en una, transversales las dos respecto de la dirección de propagación. Una de las dos ondas consiste en la propagación de un campo eléctrico variable que genera, por tanto, un campo magnético también variable que se propaga perpendicularmente al campo eléctrico. A su vez, un campo magnético variable genera un campo eléctrico variable perpendicular. Se puede decir que una onda electromagnética es auto-sostenida, que no precisa de un medio material de propagación y, por tanto, se puede propagar por el vacío. Los dos campos son funciones periódicas (función de onda) tanto de la coordenada en la dirección de propagación como del tiempo. Concretamente, se puede considerar que [2] varían sinusoidalmente con el tiempo y la posición, por lo que les son aplicables las ecuaciones dadas para las ondas armónicas: t x E(x, t) Eo sen 2 - Eo sen( t - k x) T t x B(x, t) Bo sen 2 - Bo sen( t - k x) T Donde Módulo del campo eléctrico (N/C) en el instante t y a una distancia x del foco emisor. La variación de E se puede dar, por ejemplo, en el eje Y. Campo eléctrico máximo o amplitud máxima del campo eléctrico (N/C). Módulo del campo magnético (T) en el instante t y a una distancia x del foco emisor. La variación de B se puede da en el eje Z si la de E se da en el eje Y. Campo magnético máximo o amplitud máxima del campo magnético (T), Periodo (s) de variación del campo eléctrico y del campo magnético. Longitud de onda (m). Pulsación (rad/s), también frecuencia angular. Número de onda (m-1) Fase de la onda (rad). En este caso se desplaza en el sentido positivo del eje x. Frecuencia de la onda (Hz) Fase inicial, en radianes. E Eo B Bo T λ ω = 2π/T k = 2π/λ ωt–kx f = 1/T φ Además, las ondas electromagnéticas también cumplen las relaciones entre velocidad, longitud de onda y frecuencia. La velocidad de una onda electromagnética se suele representar con la letra “c” si se refiere al vacío (o al aire donde prácticamente tiene el mismo valor). λ = c·T λ·f = c La velocidad de las ondas electromagnéticas depende del medio de propagación. Su valor en el vacío es una constante que vale c = 3 x 108 m · s-1. Por último, los módulos de los vectores campo eléctrico y campo magnético, en una posición y en un tiempo determinado cumplen c E B Problema 1 Una onda electromagnética armónica de 20 MHz se propaga en el vacío, en el sentido positivo del eje -3 -1 OX. El campo eléctrico de dicha onda tiene la dirección del eje OY y su amplitud es de 3 · 10 N C a) Escriba la expresión del campo eléctrico E(x, t), sabiendo que en x = 0 su módulo es máximo cuando t = 0. b) Represente en una gráfica los campos E(t) y B(t) y la dirección de propagación de la onda. 8 Dato: c = 3 · 10 m s –1 [3] a) Empezaremos por determinar las características de la onda electromagnética a partir de los datos del problema. La frecuencia es de 20·106 Hz, por tanto, el periodo y la pulsación son: f 2 d La velocidad de la onda y la frecuencia permiten conocer la longitud de onda y, entonces, el número de onda: = = = 2 La expresión del campo eléctrico será: 2 2 Para conocer la fase inicial se nos dice que en el instante inicial el módulo del campo eléctrico es máximo. Por tanto, de donde φ = π/2 rad. En definitiva: 2 2 b) La expresión del campo magnético en esta onda es 2 2 donde = Por tanto, 2 2 La figura adjunta representa simultáneamente las variaciones de los campos eléctrico y magnético de esta onda electromagnética en función del tiempo. La dirección de propagación es el eje x en sentido positivo. Si se elije como dirección de vibración del campo eléctrico, por ejemplo, el eje y, entonces la dirección de vibración del campo magnético será perpendicular a dicho eje, es decir, el eje z. [4] Problema 2 Obtén la frecuencia y la longitud de onda de la onda electromagnética definida por la expresión de su -3 10 campo eléctrico E(x,t) = 10 cos(5 · 10 t – 200 x) (S.I.). ¿Se transmite en el vacío? De la ecuación de la onda podemos conocer las características de la onda: = = / =2 / = = 2 2 = = Toda onda electromagnética que se propaga en el vacío lo hace a una velocidad de 3·10 8 m/s. La velocidad de esta onda es: Por tanto, la onda no se está transmitiendo por el vacío. 3.- Espectro electromagnético. Hoy día se conocen muchas clases de ondas electromagnéticas. La luz visible no es más que un tipo de estas ondas. Las longitudes de onda mayores en las ondas electromagnéticas pueden llegar a ser de kilómetros y las menores longitudes de onda de 10-14 m. La secuencia ordenada según su longitud de onda o su frecuencia de las ondas electromagnéticas conocidas recibe el nombre de espectro electromagnético: [5] 4.- Propiedades de las ondas electromagnéticas. Las propiedades de las ondas electromagnéticas, como ondas que son, ya fueron analizadas en el estudio del movimiento ondulatorio: propagación de una onda, difracción, reflexión, refracción, polarización, interferencias, etc. En este apartado sólo se analizarán algunas peculiaridades en la reflexión y refracción de la luz. 4.1.- Índice de refracción. La velocidad de la luz es mayor en el vacío que en los medios materiales. En el vacío la velocidad de las radiaciones luminosas (de las ondas electromagnéticas) es constante y se simboliza por la letra “c”; su valor es de 300 millones de metros por segundo. El índice de refracción absoluto de un medio es la razón entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en dicho medio: n c v Como c es siempre mayor que v, entonces el índice de refracción absoluto será siempre mayor que la unidad. El índice de refracción relativo de un medio 2 respecto de otro medio 1 (n21) será: c n v v n21 2 2 1 ; c v2 n1 v1 n21 v1 v2 Dado que la frecuencia de la onda no cambia al cambiar de medio, pues dicha frecuencia depende de la frecuencia de vibración del foco emisor de ondas, entonces: n c o f o v f Como n > la longitud de onda de una radiación en el medio (λ) es menor que su longitud de onda en el vacío (λo). 4.2.- Refracción y reflexión. Ley de Snell Como sabemos la ley de Snell viene dada por la expresión donde v1 es la velocidad de la luz en el medio 1, î es el ángulo de incidencia, v2 es la velocidad de la luz en el medio 2 y r es el ángulo refractado. Si multiplicamos los dos miembros por la velocidad de la luz en el vacío obtendremos: [6] Consideraciones: 1) Si , es decir, , se está produciendo un paso a un medio menos denso a otro más denso (por ejemplo de aire a agua). Además, la velocidad de la luz en el medio 1 será mayor que en el medio 2, es decir n2 > n1. 2) Si , es decir, , se está produciendo un paso a un medio más denso a otro menos denso (por ejemplo de agua a aire). La velocidad de la luz en el medio 1 es mayor que en el medio 2, es decir, esta circunstancia no ha cambiado respecto del caso anterior. 3) La reflexión de la luz puede considerarse como un caso particular de refracción en el que n1 = n2. 4) En la refracción desde un medio más denso a otro menos denso (agua-aire) se pueden dar varias situaciones según sea el ángulo de incidencia, como se muestra en la siguiente figura: Podemos observar que cuando el ángulo de incidencia es inferior o igual a un ángulo, llamado ángulo límite (θc en la figura) parte del rayo es reflejado y parte es refractado. Cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo límite, rayo refractado forma un ángulo de 90 grados con la normal. En este caso podemos escribir como en el paso del agua al aire n2 < n1, el cociente es menor de 1 y esta situación es posible. La situación contraria (el paso del aire al agua) no se puede dar pues n2 > n1, el cociente anterior no puede ser mayor de 1 (hay que recordar que los subíndices indican 1 el medio del rayo incidente y 2 el medio del rayo refractado). [7] 5) Los ángulos de incidencia superiores al ángulo límite producirán sólo reflexión (reflexión total), es decir, no sería posible ver el objeto sumergido. 6) Interesante es analizar la doble refracción que ocurre cuando la luz atraviesa una lámina de caras planas y paralelas (cuando atraviesa el cristal de una ventana, por ejemplo). La doble refracción viene representada en la siguiente figura: En la primera refracción Entonces En la segunda refracción Como = podemos poner en la segunda refracción que Si sustituimos el valor del obtenido de la primera refracción nos queda, Es decir, el ángulo de incidencia inicial permanece pero se ha desplazado el rayo una distancia d que, si el espesor del vidrio (L) es conocido, se puede determinar. [8] 4.3.- Dispersión Según se ha comentado, el índice de refracción de una sustancia es función de la longitud de onda incidente. Cada longitud de onda tiene un índice de refracción de manera que si la longitud de onda disminuye el índice de refracción aumenta. En efecto, n c o f o v f si disminuye, como no cambia, n debe de aumentar. Como consecuencia de esto, cuando un haz de luz blanca (rayos de luz de distintas longitudes de onda) incide sobre un material refractante cada radiación de la luz blanca (cada longitud de onda) se desviará un ángulo diferente. Este fenómeno recibe el nombre de dispersión de la luz. La dispersión de la luz se pone de manifiesto cuando la luz blanca incide sobre un prisma óptico (sistema formado por dos superficies planas refractantes, las caras del prisma, que forman un ángulo diedro1 llamado ángulo refringente del prisma). Las distintas radiaciones que componen la luz blanca se refractan (dos veces, una en cada cara del prisma) con ángulos diferentes pues sus índices de refracción son diferentes y emergen separadas. Al salir del prisma forman una sucesión continua de colores denominada espectro de la luz blanca. Esta experiencia fue realizada por Newton en 1666. Si observamos la figura veremos que la luz roja es la que menos se desvía, seguida del naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta. Por tanto, a menor longitud de onda, mayor desviación. Por tanto el prisma da lugar a un ángulo de desviación característico δ para cada radiación simple o radiación monocromática, es decir, de una sola longitud de onda. 1 Un ángulo diedro es cada una de las dos partes del espacio delimitadas por dos semiplanos que parten de una arista común. [9] ¿Por qué el cielo es azul? Las manifestaciones de color del cielo se deben fundamentalmente a la interacción de la luz del sol con la atmósfera. La luz del sol es blanca y la atmósfera contiene una cierta cantidad de humedad, normalmente pequeña, así como partículas de polvo y ceniza. Cuando un rayo de luz atraviesa un material, su dirección de propagación se desvía un cierto ángulo, que depende del tipo de material atravesado. Así, al atravesar un material, cada color contenido en un haz de luz blanca se desviará un ángulo diferente, dando lugar a la conocida separación de la luz en varios colores detrás de un prisma. Como hemos visto, la desviación de los colores de la luz es máxima para los azules (con longitud de onda menor), es decir, son los colores que más cambian su dirección con respecto al rayo blanco inicial, y es mínima para los amarillos y los rojos (con longitud de onda mayor), que casi no son desviados. Los rayos azules, una vez desviados, vuelven a chocar con otras partículas del aire, variando de nuevo su trayectoria. Realizan por tanto un recorrido en zigzag a través de la atmósfera, hasta llegar a nosotros. Es por eso que cuando llegan a nuestros ojos parece que llegan de todos los lugares del cielo. Los rayos amarillos no aparecen casi desviados y ésta es la razón de que el sol nos parezca amarillo. Cuando el sol está muy bajo en el cielo sus rayos pasan a través de un gran espesor de aire y los rayos de luz interactuarán más veces con las partículas de la atmósfera. Los azules y los violetas son esparcidos hacia los lados con mayor fuerza que lo son los amarillos y los rojos, que continúan propagándose en la línea de visión del sol, formando esas magníficas puestas de sol en la Tierra. Problema 3. Un foco luminoso puntual está situado bajo la superficie de un estanque de agua. a) Un rayo de luz pasa del agua al aire con un ángulo de incidencia de 30 grados. Dibuje en un esquema los rayos incidente y refractado y calcule el ángulo de refracción. b) Determine el valor del ángulo límite en este caso. naire = 1; nagua = 1,33 a) Ley de Snell para la refracción: sen = donde: = 2 sen = = 2 = = por tanto, sen sen = = sen = arcosen = [10] b) El ángulo límite es el ángulo de incidencia tal que el ángulo refractado sea de 90 grados. Aplicando estas condiciones a la ley de Snell, sen donde = 2 sen es el ángulo límite, sen = 2 sen arcosen Problema 4. El láser de un reproductor de CD genera luz con una longitud de onda de 780 nm medida en el aire. a) Explique qué características de la luz cambian al penetrar en el plástico del CD y calcule la velocidad de la luz en él. b) Si la luz láser incide en el plástico con un ángulo de 30 grados, determine el ángulo de refracción. 8 -1 c= 3·10 m·s ; naire = 1; nplástico = 1,55 a) Las características de la luz que cambian al penetrar desde el aire en el plástico son la dirección del rayo y la velocidad de la luz. Si el índice de refracción es = al cambiar el índice de refracción, cambia la velocidad. Por otra parte, la velocidad de una onda es = por tanto, según la expresión, puede cambiar la longitud de onda y/o la frecuencia. Sin embargo, la frecuencia de la luz no cambia al pasar de un medio a otro ya que esta depende de la frecuencia de vibración del foco emisor. Por tanto, si la velocidad cambia porque la luz ha pasado de un medio a otro con índice de refracción diferente, también cambia la longitud de onda de dicha onda luminosa. Para conocer la velocidad de la luz en el plástico, b) Para conocer el ángulo de refracción utilizaremos la ley de Snell, sen = donde: = = 2 = 2 sen = = por tanto, n sen = = sen = arcosen = como vemos, el rayo refractado disminuye su ángulo respecto a la normal, como corresponde a un rayo de luz que pasa de un medio menos denso a otro más denso. [11] Problema 5. Una lámina de vidrio, de índice de refracción 1,5, de caras paralelas y espesor 10 cm, está colocada en el aire. Sobre una de sus caras incide un rayo de luz, como se muestra en la figura. Calcule: a) la altura y la distancia marcadas en la figura. b) El tiempo que tarda la luz en atravesar la lámina. a) Empezaremos por calcular la altura h. El rayo de luz que se refleja forma un ángulo de 60 grados con la normal. Según se observa en la figura, el ángulo a es = = entonces, Para calcular la distancia d debemos conocer el ángulo de refracción, que calcularemos de la aplicación de la ley de Snell: sen = donde: = 2 sen = = = 2 = por tanto, n = sen = sen = arcosen = Conocido este ángulo podemos resolver el triángulo, b) Calcularemos en primer lugar la velocidad de la luz en el vidrio. A partir del dato de índice de refracción, En la figura adjunta, como conocemos d, podemos saber la distancia que recorre el rayo dentro del vidrio, la hipotenusa del triángulo es La velocidad de una onda en un medio es constante, el tiempo que tarda en atravesar la lámina es, = [12] Problema 6. Un rayo de luz monocromática incide en una de las caras de una lámina de vidrio, de caras planas y paralelas, con un ángulo de incidencia de 30 grados. La lámina está situada en el aire, su espesor es de 5 cm y su índice de refracción 1,5. a) Dibuje el camino seguido por el rayo y calcule el ángulo que forma el rayo que emerge de la lámina con la normal. b) Calcule la longitud recorrida por el rayo en el interior de la lámina. a) La situación viene representada en la figura, teniendo en cuenta que según los datos, L = 5 cm î1 = 30º n1 = 1 n2 = 1,5 Tal como se ha visto en la teoría (pág. 8) = 2 por tanto, el ángulo que forma el rayo que emerge de la lámina con la normal es 30º. b) Para conocer la distancia que recorre el rayo dentro de la lámina, es necesario conocer el ángulo refractado en la primera refracción. Aplicando la ley de Snell a dicha refracción, sen donde: = = 2 sen = = = 2 = por tanto, sen sen = = sen = arcosen = Conocido este ángulo podemos resolver el triángulo, tan = = tan = En la figura adjunta, como conocemos d, podemos saber la distancia que recorre el rayo dentro del vidrio (e), la hipotenusa del triángulo es [13] 5.- Hipótesis de Planck A finales de siglo XIX la teoría electromagnética de la luz parecía que podía explicar satisfactoriamente los diferentes fenómenos conocidos en los que participaba ésta. Sin embargo, a finales de ese siglo se descubrieron otros fenómenos físicos experimentales que ponían en duda las leyes clásicas aplicadas a la interacción entre la radiación electromagnética (en general, incluida la parte visible del espectro) y la materia. Tres de estos fenómenos fueron claves para el desarrollo de la denominada revolución cuántica: la radiación térmica del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y los espectros atómicos . En estos apuntes se describirán los dos últimos fenómenos pero previamente es necesario conocer la hipótesis de Planck. El 16 de octubre de 1900, Max Planck (1858-1947) anunció que había encontrado la función matemática que se ajustaba a las curvas de emisión de un cuerpo negro. Para llegar a este resultado tuvo que dejar de lado una idea básica del electromagnetismo clásico: “U p í ul l l i i ió o i u ” En contraposición, emitió su hipótesis: “L gí ii o po u u po o po u o po u gí o u o i u i i i o i o i u ” La energía de un cuanto de radiación (comúnmente cuanto de luz) viene dada por la expresión: E = hf Donde f es la frecuencia (en Hz, es decir, s-1) de la radiación y h es la llamada constante de Planck (en Julios·segundo para que E venga en unidades del S.I.). El valor2 de h ’ x -34 J·s, se trata de una constante universal (por lo menos del universo que conocemos). Planck supuso que cada uno de los átomos del cuerpo emisor de radiación se comporta como un oscilador que vibra con una frecuencia f determinada que es la que emite. En definitiva, la energía no se emite (o se absorbe como veremos al analizar los espectros atómicos) de forma continua sino en forma de cuantos de energía. La ecuación de Planck nos permite observar ahora que a mayor frecuencia de la radiación, más energética es ésta (ver el espectro electromagnético). Permite relacionar energía y frecuencia. 2 En ocasiones la podremos ver en ergios x segundo. Si 1 ergio = 10-7 Julios h = ’ 2 -27 erg · s. [14] Problema 7 -26 14 Un átomo de masa 1’99 · 10 kg oscila linealmente con una frecuencia propia de 4’84 · 10 Hz. a) ¿Cuánto es el valor de un cuanto de energía del oscilador, en Julios y en electrón-voltios? b) ¿Cuál es la amplitud máxima que adquiere con 20 cuantos de energía? a) La energía de un cuanto del oscilador viene dada por la ecuación de Planck: E = h·f Sustituyendo valores: ’ ’ ’ Para pasar a electrón-voltios (eV), debemos saber que 1 eV es la energía que posee un electrón sometido a una diferencia de potencial de un voltio. Si la carga del electrón es 1,6·10 -19 C, entonces, En definitiva, ’ b) La energía calculada en el apartado anterior es para un cuanto. Para 20 cuantos la energía sería: ’ -19 ’ -18 J En cuanto a la frecuencia angular del oscilador, ’ ’ La energía máxima de un oscilador linear (movimiento armónico simple) viene dada por la expresión: donde m es la masa de la partícula que vibra (el átomo) y A es la amplitud máxima de vibración. Si sustituimos y despejamos A obtendremos A ’ -12 ’ p . 6.- Efecto fotoeléctrico Este efecto fue observado en 1887 por Hertz: La descarga entre dos electrodos aumenta si éstos se iluminan con luz ultravioleta Vamos a hacer un estudio cualitativo de este efecto según las observaciones de 1888 debidas a Hallwachs quien completó la observación de este efecto un año después. Supongamos un electroscopio con sus láminas de oro juntas tal como el de la figura A. Cuando se ilumina la plaza metálica con luz ultravioleta (procedente de un arco eléctrico, [15] por ejemplo) se observa que las láminas de oro se repelen consecuencia de que se cargan eléctricamente (figura B). Otras observaciones en este experimento: 1.- Si tocamos la placa de zinc con un cuerpo cargado negativamente las láminas se separan, pero se produce una pérdida rápida de la carga (y de la separación) si, a continuación, se ilumina la placa con luz ultravioleta. 2.- Si tocamos la placa de zinc con un cuerpo cargado negativamente las láminas se separan, pero no se produce una pérdida rápida de carga si se interpone una lámina de vidrio entre la luz ultravioleta y la placa de zinc. 3.- Si tocamos la placa de zinc con un cuerpo cargado positivamente las láminas se separan. Al iluminar posteriormente con luz ultravioleta, no se observa una descarga rápida del electroscopio aunque se aumente la intensidad de la luz ultravioleta. 4.- En la experiencia representada en la figura anterior las láminas se separan al cargarse positivamente éstas por la iluminación de la placa de zinc con luz ultravioleta. 5.- La luz visible (menos energética que la ultravioleta) no produce estos efectos en cualquier caso. Un modelo que explica estas observaciones es el siguiente: El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por las superficies metálicas cuando se iluminan con luz (radiación electromagnética) de frecuencia adecuada. Con frecuencias altas (ultravioleta) el efecto sí se produce; con frecuencias bajas (luz visible) el efecto a veces no se produce. Si el efecto fotoeléctrico no se produce con una luz de frecuencia determinada, tampoco se produce al aumentar la intensidad del haz luminoso de esa frecuencia. También se observa que cada metal necesita de una frecuencia mínima característica para producir el efecto. Las frecuencias menores (radiación menos [16] energética) corresponden a los metales alcalinos que presentan este efecto incluso con luz visible. 6.1.- Dispositivo experimental para el estudio cuantitativo del efecto fotoeléctrico. El siguiente esquema representa dos placas de metal colocadas en un tubo de cuarzo estanco en el que se ha hecho un buen vacío. Las dos placas forman parte de un circuito eléctrico en el que una batería desarrolla una diferencia de potencial variable entre las placas (medida con el voltímetro V). Las placas son del metal objeto de estudio. Cuestiones que hay que responder: 1ª) ¿Cuántos electrones (fotoelectrones) son emitidos por el metal? 2ª) ¿Cuál es la energía cinética de los fotoelectrones? 3ª) ¿La energía cinética máxima de los fotoelectrones depende de la frecuencia de la radiación incidente? 1ª) Número de fotoelectrones por unidad de superficie de la placa o por unidad de tiempo. El dispositivo de la figura anterior permite contar los electrones emitidos por la placa negativa pues al saltar hacia la placa positiva cierran el circuito y el amperímetro los puede “contar”. Se observa que el número de fotoelectrones es proporcional a la intensidad de corriente eléctrica. Además, se observa que si la intensidad de la luz incidente aumenta, aumenta también la intensidad de corriente, es decir, aumenta el número de fotoelectrones arrancados del metal. 2ª) Energía cinética de los fotoelectrones. Al ser arrancados los fotoelectrones son acelerados hacia la placa positiva, por tanto adquieren velocidad y por ende energía cinética. El dispositivo experimental anterior no es el adecuado para determinar la energía cinética de los fotoelectrones ya que al ser éstos arrancados son acelerados hacia la placa positiva y, por tanto incrementan aún más su velocidad respecto a la que tendrían si no [17] hubiera una diferencia de potencial entre las placas. El dispositivo anterior se denomina de potencial acelerador. Para determinar la energía cinética de los fotoelectrones invertimos la polaridad de la batería, pasándose a un dispositivo de potencial retardador, como se muestra en la siguiente figura: Veamos el funcionamiento del dispositivo de potencial retardador. En primer lugar la luz ultravioleta arranca electrones con una velocidad v. A continuación estos electrones tienden a ir hacia la placa negativa pero son repelidos por la misma. No obstante algunos fotoelectrones van tan rápidos que llegan a la placa negativa cerrando el circuito (el amperímetro registra esta circunstancia). De esta afirmación podemos sacar una conclusión importante: no tienen la misma velocidad todos los fotoelectrones arrancados, unos tienen poca velocidad y otros tienen mucha, siendo éstos últimos los que llegan a cerrar el circuito. Como el potencial de la batería se puede regular, podemos hacer que la diferencia de potencial entre las dos placas sea tal que ningún electrón logre llegar a la placa negativa, será cuando el amperímetro no registre paso alguno de corriente. A este potencial se le denomina potencial de detención (Vo). En esta situación podemos igualar la energía cinética de los electrones con velocidad máxima y la energía eléctrica establecida entre las placas, Se observa una contradicción con la teoría clásica del electromagnetismo: desde un punto de vista clásico si la intensidad de la luz aumenta entonces la velocidad de los electrones debería aumentar y, por tanto, su energía cinética ser mayor. Un ejemplo ilustrativo de esta afirmación podría ser el hecho de que cuando la fuerza de las olas del mar es mayor, mayor número de piedras se arrastran y a más velocidad. Sin embargo este fenómeno no se observa, es decir: la energía cinética máxima de los fotoelectrones no es función de la intensidad de la luz incidente para una determinada frecuencia. [18] 3ª) Dependencia de la energía de los fotoelectrones y la frecuencia de la radiación incidente. Las experiencias demuestran que la energía cinética máxima de los fotoelectrones aumenta si aumenta la frecuencia de la radiación. No se establece una simple proporcionalidad. Cada metal tiene una frecuencia, llamada frecuencia umbral, fo, por debajo de la cual no se arrancan electrones del metal. 14 Hz, frecuencia que se Por ejemplo para el zinc la frecuencia umbral está en ’ encuentra en la zona del ultravioleta. Para el sodio la frecuencia umbral está en 5·1014 Hz, frecuencia que se encuentra en la zona visible del espectro. Esta dependencia de la energía cinética con la frecuencia de la radiación incidente tampoco es explicada satisfactoriamente por la teoría electromagnética clásica. 6.2.- Teoría de Einstein para el efecto fotoeléctrico. Recapitulando algunas contradicciones entre las observaciones experimentales y las predicciones de la teoría electromagnética clásica (mencionadas unas anteriormente, otras no): - La energía cinética de los fotoelectrones debe crecer con la intensidad de las ondas. Este fenómeno no se observa. - A cada electrón le corresponde, por unidad de tiempo, una cantidad de energía tal que deberá transcurrir un tiempo grande para que se inicie la emisión electrones. Sin embargo, se observa que el efecto fotoeléctrico es instantáneo. - No debería existir una frecuencia umbral sino que, aunque fuese poca, el cuerpo va absorbiendo la energía de la radiación hasta que la acumulación de ésta sea tal que se produzca el efecto fotoeléctrico. Este hecho tampoco se observa sino que, de hecho, existe la frecuencia umbral para cada metal. En 1905 Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico (trabajo por el que recibió el premio Nobel) tomando las ideas de Planck afirmando que: La luz se propaga en forma de cuantos de energía, llamados fotones, cuya energía viene dada por la expresión de Planck, E = h·f Partiendo de esta idea, la explicación del efecto fotoeléctrico sería (véase la figura de la página siguiente): I) En un átomo los electrones se encuentran distribuidos en diferentes niveles definidos. Hace falta una energía determinada para arrancar un electrón del átomo, se llama en general potencial de ionización, aunque en el efecto fotoeléctrico se le llama preferentemente trabajo de extracción (We). [19] II) En la figura adjunta se han representado diferentes situaciones en las que un fotón de energía h·f incide (y es absorbido) sobre un electrón de un átomo. III) Los efectos de estos fotones dependen del electrón sobre el que incidan. Algunos electrones adquieren la energía necesaria sólo para subir a niveles superiores (caso 5) y otros adquieren la energía necesaria como para ser arrancados del átomo (resto de los casos representados). Los electrones representados en los casos 2 y 3 son más fáciles de arrancar que los electrones de los casos 1 y 4, por tanto, los electrones 2 y 3 salen más veloces que los electrones 1 y 4. IV) La energía adquirida por cada electrón es la que le aporta el fotón incidente, que a su vez depende de la frecuencia de la radiación incidente, su valor es E = h f. Se denomina el trabajo de extracción, We, (también función del trabajo) de un electrón a la mínima energía que debe tener un fotón para poder arrancar el electrón del metal, donde fo es la frecuencia umbral, es decir, la frecuencia mínima para que se produzca el efecto fotoeléctrico. Si llamamos Ec a la energía cinética de un fotoelectrón, es evidente que La frecuencia umbral es distinta para cada metal pues en cada sustancia los diferentes electrones son retenidos al átomo de diferente manera. Por otra parte, al aumentar la intensidad de la radiación lo que se aumenta es la cantidad de fotones que absorbe el metal. Como consecuencia de esto aumenta el número de fotoelectrones arrancados pero no la rapidez de estos ya que aunque aumente el número de fotones incidentes, no aumenta la energía de éstos que sólo depende de la frecuencia de la radiación. En definitiva, si unimos las dos ecuaciones deducidas a lo largo de esta explicación, tendremos las ecuaciones del efecto fotoeléctrico: [20] En estas ecuaciones, según hemos ido viendo, Carga del electrón, en culombios (1,6·10-19C) Potencial de detención, en voltios. También se puede denominar simplemente diferencia de potencial entre las placas. Energía cinética máxima de los fotoelectrones, en julios. Masa del electrón, en kilogramos (9,11·10-31 kg en reposo). Velocidad máxima que alcanzan los fotoelectrones, en metros/segundo. Energía de la radiación que incide sobre el metal, en julios. También se puede denominar energía del fotón absorbido. = Constante de Planck, Frecuencia de la radiación que incide sobre el metal, en hertzios. También se puede denominar frecuencia del fotón absorbido. Trabajo de extracción del metal, en julios. También se puede denominar energía de extracción o función de trabajo del metal. Frecuencia umbral del metal, en hertzios. También se puede denominar frecuencia de extracción o frecuencia de corte. La explicación de A. Einstein del efecto fotoeléctrico vuelve a considerar la luz de naturaleza corpuscular: la luz está formada por partículas llamadas fotones, de masa despreciable y que tienen frecuencia (¿?). La aplicación más conocida del efecto fotoeléctrico son las células fotoeléctricas. En la figura adjunta se muestra un esquema simple de una célula fotoeléctrica. [21] Problema 8 (Selectividad, junio 2010). -10 Al iluminar potasio con luz amarilla de sodio de λ=5890·10 m se liberan electrones con una energía -19 cinética máxima de 0,577·10 J y al iluminarlo con luz ultravioleta de una lámpara de mercurio de -10 -19 λ=2537·10 m, la energía cinética máxima de los electrones emitidos es 5,036·10 J. a) Explique el fenómeno descrito en términos energéticos y determine el valor de la constante de Planck. b) Calcule el valor del trabajo de extracción del potasio. a) Mientras se procede a calcular la constante de Planck se va explicando el fenómeno en términos energéticos. En primer lugar determinaremos las frecuencias de los fotones de la luz amarilla y luz ultravioleta: = = = = 2 = 2 = Las energías de los fotones de luz amarilla y ultravioleta que inciden sobre el metal (potasio), vienen dadas por la ecuación de Planck, = = donde h es la constante de Planck que debemos determinar. Como ultravioleta tienen mayor energía que los fotones de luz amarilla ( > > , los fotones de luz ). Cada uno de estos fotones puede ser absorbido por alguno de los electrones de los átomos de potasio. Como consecuencia de ello algunos electrones pueden subir a niveles energéticos superiores a los que se encuentran si la diferencia de energía entre dichos niveles corresponde precisamente a las energías de los fotones absorbidos. Pero también ocurre que la energía absorbida por algunos electrones es suficiente para arrancarlos de sus átomos. Estos electrones arrancados, llamados fotoelectrones, tienen una energía cinética (correspondiente a la velocidad que lleven) cuyo valor máximo es la diferencia siguiente: = = = = donde We es el trabajo de extracción del potasio, es decir, mínima energía necesaria para arrancar un electrón al potasio. Se puede observar que los fotoelectrones arrancados por la luz ultravioleta tienen mayor energía cinética máxima que los fotoelectrones arrancados por la luz amarilla. Esto es debido a que, como se ha dicho, a que > . Sustituyendo las energía de los fotones en las ecuaciones anteriores, = = = = Si restamos las dos ecuaciones eliminamos el trabajo de extracción, = ( ) La constante de Planck será: = = 2 = 2 [22] b) Una vez conocida la constante de Planck, el trabajo de extracción se puede determinar sin más que sustituir su valor en una de las ecuaciones que establecen la energía cinética máxima de los fotoelectrones, establecidas en el apartado anterior. Por ejemplo, = = 2 2 de donde 2 2 Problema 9 (Selectividad, septiembre 2009) Sobre un metal, cuyo trabajo de extracción es 3 eV, se hace incidir radiación de longitud de onda -7 2·10 m. a) Calcule la velocidad máxima de los electrones emitidos, analizando los cambios energéticos que tienen lugar. b) Determine la frecuencia umbral de fotoemisión del metal. a) Para el análisis de los cambios energéticos que tienen lugar véase el problema anterior o los apuntes de teoría. Determinaremos el trabajo de extracción (We) en unidades del S.I. Un electronvoltio (eV) es la energía que posee un electrón cuando está sometido a una diferencia de potencial de un voltio, en consecuencia, Determinaremos ahora la frecuencia de los fotones que inciden sobre el metal: Estos fotones tienen una energía, cada uno, que viene dada por la ecuación de Planck: Como vemos, la energía de los fotones es superior al trabajo de extracción del metal. Por tanto, es posible el efecto fotoeléctrico pues la radiación tiene suficiente energía como para arrancar electrones del metal. Los fotoelectrones emitidos tendrán una energía cinética máxima cuyo valor es, La velocidad máxima de estos fotoelectrones es, b) La frecuencia umbral se puede determinar a partir del valor del trabajo de extracción del metal, [23] Problema 10 Al estudiar experimentalmente el efecto fotoeléctrico en un metal se observa quela mínima frecuencia a 15 la que se produce dicho efecto es de 1,03·10 Hz. a) Calcule el trabajo de extracción del metal y el potencial de frenado de los electrones emitidos si índice 15 en la superficie del metal una radiación de frecuencia 1,8·10 Hz. b) ¿Se producirá efecto fotoeléctrico si la intensidad de la radiación incidente fuera el doble y su frecuencia la mitad que en el apartado anterior. Razone la respuesta. a) La frecuencia mínima a que se produce el efecto fotoeléctrico también recibe el nombre de frecuencia umbral. Su valor es El trabajo de extracción (We) del metal es la mínima energía que debe tener un fotón de la radiación incidente para poder producir efecto fotoeléctrico en dicho metal. Este trabajo está relacionado con la frecuencia umbral a través de la ecuación de Planck donde h es la constante de Planck. Por tanto, el trabajo de extracción será: En cuanto al potencial de frenado, es la diferencia de potencial que debe existir entre los electrodos para que incluso los fotoelectrones emitidos con velocidad máxima no cierren el circuito. Por tanto, donde e es la carga del electrón, Vo es el potencial de frenado y Ecmáx es la energía cinética máxima de un fotoelectrón emitido. Por otra parte, la energía cinética máxima de un fotoelectrón es la diferencia entre la energía del fotón que absorbe y el trabajo de extracción de dicho fotoelectrón, donde f es la frecuencia de la radiación que índice en el metal. Como todos los parámetros son conocidos, podemos determinar el potencial de frenado, = = = = b) El hecho de que la intensidad de la radiación incidente aumente al doble no afecta al hecho de que se produzca efecto fotoeléctrico. En efecto, si se produjera efecto fotoeléctrico, el aumento de la intensidad implicaría un aumento en el número de fotones que inciden sobre la superficie del metal y, por tanto, conllevaría un aumento del número de fotoelectrones emitidos. El parámetro que sí que afecta a que se produzca o no efecto fotoeléctrico es la frecuencia de la radiación incidente. En este caso, si la frecuencia disminuye a la mitad, es un valor que es inferior al de la frecuencia umbral del metal ( fo = 1,03·1015 Hz) y, por tanto, los fotones de la radiación incidente no tendrían la energía necesaria (trabajo de extracción) para producir efecto fotoeléctrico. [24] 7.- Cuantización de la energía en los átomos. Espectros atómicos. Desde el punto de vista de la interacción de la radiación con la materia, un espectro es una representación gráfica o fotográfica de la distribución de la intensidad de la radiación electromagnética, emitida o absorbida, por una muestra de una sustancia en función de la longitud de onda (o de la frecuencia de la radiación). En el caso de que la muestra de la sustancia esté en forma atómica, el espectro obtenido se llama atómico. El instrumento que permite estudiar los espectros se denomina espectroscopio o espectrómetro si simplemente dispersa mediante un prisma las distintas radiaciones. Si además el instrumento es capaz de registrar el espectro obtenido (mediante una fotografía, por ejemplo) se denomina espectrógrafo. La estructura básica de un espectrógrafo difiere si éste es de emisión o de absorción. 7.1.- Estructura básica de un espectrógrafo de emisión. En el tubo de descarga se encuentra, a baja presión, el gas del que se desea obtener el espectro de emisión. Al crear una diferencia de potencial entre los dos electrodos se produce la descarga del gas en forma de luz que posteriormente es dispersada por el prisma en su espectro característico. 7.2.- Estructura básica de un espectrógrafo de absorción. [25] La fuente luminosa genera un haz de luz blanca policromática (todas las longitudes de onda posibles). Este haz se hace pasar a través de la muestra de la que se quiere obtener su espectro de absorción. La muestra está encerada en estado gaseoso dentro de un recipiente adecuado. Al pasar la luz policromática a través de la muestra ésta absorbe parte de la luz y la no absorbida es posteriormente dispersada por el prisma en su espectro característico. 7.3.- Tipos de espectros. Los espectros pueden ser continuos o discontinuos. Los primeros se obtienen cuando se dispersa la luz de un foco luminoso formado por un sólido incandescente. Estos espectros comprenden todos los colores (si hablamos del visible) desde el rojo al azul. Los espectros discontinuos se obtienen de gases o vapores a baja presión (tal como se ha descrito en los apartados anteriores). Podremos distinguir espectros discontinuos de emisión y de absorción. En el espectrógrafo de emisión los elementos encerrados en el tubo de descarga emiten energía en forma de radiación electromagnética pero únicamente de algunas frecuencias determinadas. El espectro obtenido es una serie de líneas de colores (si hablamos del visible) sobre un fondo oscuro. Espectro de emisión del hidrógeno [26] En el espectrógrafo de absorción los elementos encerrados a baja presión en la “botella” absorben algunas frecuencias específicas. Las radiaciones no absorbidas son dispersadas por el prisma y la forma del espectro obtenido estará formado por todos los colores (si hablamos del visible) excepto aquellas frecuencias absorbidas que aparecerán como líneas negras. Los espectros no sólo aparecen en la región del visible sino también en infrarrojo, microondas, ultravioleta, etc. El ojo no es sensible a estas zonas y se utilizan placas fotográficas especiales sensibles a esas frecuencias del espectro. Los espectros de emisión y de absorción de una misma sustancia son complementarios, es decir, las líneas de emisión o de absorción aparecen a la misma longitud de onda. 7.4.- Estudio experimental del espectro del átomo de hidrógeno. Los espectros discontinuos de un elemento son como la “huella dactilar” de ese elemento ya que siempre se emiten o absorben las misma longitudes de onda. Por ejemplo: del estudio detenido del espectro de absorción del Sol se pudieron identificar la mayor parte de las líneas oscuras como frecuencias de absorción de los diferentes elementos que en estado gaseoso se encuentran en el Sol; sin embargo una serie de líneas de absorción no se pudieron identificar en su momento y se pronosticó como un elemento nuevo que no se había encontrado aún en la Tierra: el helio3. Los espectros atómicos con muy complejos ya que contienen un número muy elevado de líneas. En el caso del espectro del hidrógeno está formado por 5 series de líneas que reciben el nombre de sus descubridores (Lyman, Balmer, Parchen, Brackett y Pfund). La serie de Balmer es la que corresponde al visible. 3 El helio fue descubierto de forma independiente por el francés Pierre Janssen y el inglés Norman Lockyer, en 1868 al analizar el espectro de la luz solar durante un eclipse solar ocurrido aquel año, y encontrar una línea de emisión de un elemento desconocido. Eduard Frankland confirmó los resultados de Janssen y propuso el nombre helium para el nuevo elemento, en honor al dios griego del sol (Helios). [27] De una forma experimental se conocía o se podía predecir la posición (λ) de cada una de las líneas de cada serie a través de la siguiente expresión (fórmula de Rydberg4) 1 1 R 2 2 n1 n2 1 donde n1 y n2 son dos números enteros y R es la constante de Rydberg cuyo valor es 7 m-1. ’ La serie de Lyman corresponde a n1 = 1 y n2 = 2 … La serie de Balmer corresponde a n1 = 2 y n2 = … La serie de Parchen corresponde a n1 = 3 y n2 = … La serie de Brackett corresponde a n1 = 4 y n2 = La serie de Pfund corresponde a n1 = 5 y n2 = … … 7.5.- Modelo atómico de Bohr. Las ideas clásicas eran incapaces de explicar los espectros atómicos discontinuos. En 1913 Niels Bohr propuso un modelo del átomo de hidrógeno que fue capaz de predecir la posición de cada una de las líneas del espectro, es decir, fue capaz de deducir la fórmula experimental anterior. Para establecer su modelo atómico Bohr aplicó las ideas cuánticas al átomo. El modelo se basa en: - El electrón del átomo de hidrógeno gira alrededor del núcleo (protón) en una órbita circular. - De todas las órbitas posibles sólo son válidas aquellas en las que el momento cinético del electrón es múltiplo entero de h/2π es decir: mvr n h 2 n 1,2,3,4,5.....(n número cuántico principal) r es el radio de la órbita. Cuando n = 1 tenemos la primera órbita o estado fundamental. 4 Debida al físico sueco Johannes R. Rydberg (1854-1919). [28] - Cuando un electrón gira en una de estas órbitas no radia energía5, sólo lo hace cuando cambia de órbita de forma que si o Sube a una órbita superior absorbe una energía equivalente a la diferencia entre las energías de dichas órbitas. Este ejemplo permite explicar los espectros de absorción. Al absorber el átomo la radiación de frecuencia ν el electrón ha subido desde el nivel 1 al 2 (excitación) ya que la diferencia entre las energías de los dos niveles es hv. Por tanto, esa frecuencia no aparece en el espectro de absorción, aparecerá una línea negra en su posición. o Si baja a una órbita inferior emite una energía equivalente a la diferencia entre las energías de dichas órbitas (ver figura en página siguiente). Este ejemplo permite explicar los espectros de emisión. Cuando un electrón en un estado superior (excitado) baja a una órbita inferior (decaimiento) se emite un fotón de frecuencia ν y cuya energía es hν correspondiente a la diferencia entre las energías de las dos órbitas. En el espectro de emisión aparecerá una línea a esa frecuencia. El modelo atómico de Bohr permitió deducir la expresión experimental de Rydberg significando un éxito para el mismo. Además permitió explicar el porqué de cada una de las series de líneas del espectro del hidrógeno. 5 Según la física clásica, toda partícula cargada y acelerada (el electrón en su órbita) pierde energía que emite en forma de energía radiante. [29] 8.- Hipótesis de De Broglie. Dualidad partícula-onda. A lo largo de este tema se ha visto que la luz tiene naturaleza ondulatoria (permite explicar la reflexión, refracción, dispersión, superposición, difracción, etc.) y naturaleza corpuscular (como fotón se pueden explicar propiedades como el efecto fotoeléctrico y los espectros discontinuos vistos aquí, además de la emisión de radiación de un cuerpo negro y el efecto Compton). Podemos hacer frente al problema desde el siguiente punto de vista: ¿es posible que otras partículas como los protones, los electrones, etc, tengan también naturaleza ondulatoria? En 1924 Luis De Broglie basándose en consideraciones relativistas y en la teoría cuántica pensó que si la luz (la radiación) se comportaba como onda y como partícula, también la materia debería tener ese carácter dual (los protones, los electrones, los neutrones, los átomos, las moléculas, etc.). Según De Broglie, para la luz la energía de un cuanto (fotón) sería: = En esta expresión va implícito el carácter ondulatorio de la luz pues la frecuencia es una magnitud característica de las ondas. Por otra parte, si la luz está formada por partículas la energía asociada a estas según la teoría de la relatividad de Einstein es = Ambas expresiones representan la misma energía, podemos igualar = [30] La expresión anterior nos da la longitud asociada al fotón pues en el denominador aparece la velocidad de la luz. Para una partícula diferente debemos poner la velocidad, v, a la que se mueva: Esta expresión nos da la longitud de onda asociada a una partícula de masa m que se mueve con una velocidad v. El momento lineal (cantidad de movimiento) de la partícula es, en módulo, = La hipótesis de De Broglie se puede redactar de la siguiente manera: Toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico Esta propuesta fue considerada inicialmente como carente de realidad física por su falta de evidencias experimentales. Sin embargo, en 1927, los físicos norteamericanos C. Davisson (1881-1958) y L. A. Germer (1896-1971) la comprobaron experimentalmente después de haber observado la difracción de electrones de forma casual. Ese mismo año, el físico inglés G. P. Thomson (1892-1975) confirmó la relación obtenida teóricamente por De Broglie mediante la difracción de haces de electrones a través de hojas metálicas delgadas. En la expresión de la longitud de onda asociada a una partícula observamos que ésta depende de la masa de la partícula y de la velocidad de ésta. Si la velocidad aumenta la longitud de onda disminuye. En cuanto a la masa podríamos pensar que para una partícula determinada ésta no cambia (es una idea clásica), sin embargo, según la teoría de la relatividad masa de una partícula cambia según la expresión: = Donde mo es la masa de la partícula en reposo y m es la masa de la partícula a la velocidad v. Esta expresión se deberá utilizar cuando la velocidad de la partícula sea próxima a la velocidad de la luz. [31] Según la hipótesis de De Broglie, una partícula como el electrón se puede comportar como una onda. Este fenómeno no se observa en el mundo macroscópico debido a las pequeñas velocidades que se desarrollan y, sobre todo, al pequeñísimo valor de la constante de Planck en nuestro universo. Como ejemplo se puede comprobar que la onda asociada a una bola de billar de 600 g que se mueve a una velocidad de 1 m/s tiene una -33 m (dos cuatrillones de veces más pequeña que la longitud de onda asociada de ’ asociada al electrón del problema anterior). Este valor es casi un trillón de veces más pequeño que un núcleo atómico (10-15 m), imposible de medir. Los efectos cuánticos no son observables en objetos macroscópicos. Problema 11 5 -1 Un haz de electrones se acelera bajo la acción de un campo eléctrico hasta una velocidad de 6·10 m·s . Haciendo uso de la hipótesis de De Broglie calcule la longitud de onda asociada a los electrones. Dato: -31 masa del electrón = 9,1·10 kg. La hipótesis de De Broglie dice: “toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico”. La longitud de onda asociada a una partícula viene dada por la expresión, donde m es, en este caso, la masa del electrón y v es su velocidad. Por tanto, la longitud de onda asociada a este electrón es: Problema 12 La masa del protón es aproximadamente 1800 veces la del electrón. Calcule la relación entre las longitudes de onda de De Broglie de protones y electrones suponiendo que se mueven con la misma energía cinética. La longitud de onda asociada a una partícula viene dada por la expresión donde m es la masa de la partícula y v es su velocidad. En el caso del electrón [32] En el caso del protón La relación entre ambas longitudes de onda es = = El problema nos indica que: - La masa del protón es 1800 veces la masa del electrón: - La energía cinética del protón y del electrón es la misma: Teniendo en cuenta estas expresiones que relacionan la masa del protón y del electrón y la velocidad de dichas partículas (al tener la misma energía cinética), la relación entre las longitudes de onda asociadas al protón y al electrón queda, = )2 = )2 ( ( = 2 = = 2 Problema 13 Un haz de electrones se acelera desde el reposo mediante una diferencia de potencial. Tras ese proceso, -11 la longitud de onda asociada a los electrones es 8·10 m. Determine la diferencia de potencial aplicada. Son datos para este problema la constante de Planck, la velocidad de la luz en el vacío, la carga del electrón y la masa del electrón. Si los electrones parten del reposo es claro que la diferencia de potencial a la que son sometidos se traduce en un aumento de la energía cinética de los mismos desde cero hasta el valor correspondiente a la velocidad que adquieran. Por tanto, la energía eléctrica se está transformando en energía cinética: = 2 2 donde e es la carga del electrón que adquiere una velocidad v entre dos puntos donde la diferencia de potencial es . De esta ecuación necesitamos conocer la velocidad del electrón. Para ello sabemos que su longitud de onda asociada obedece la expresión, = [33] por tanto, así, Problema 14 ¿Cuál es la longitud de onda asociada a un electrón que se mueve a un 10 % de la velocidad de la luz? El 10% de la velocidad de la luz son 30.000.000 m/s. En primer lugar veremos cómo cambia la masa del electrón respecto al reposo ( ’ por ir a dicha velocidad. Sustituyendo en la expresión que encabeza esta página vemos que -31 kg) m 1'005mo Por tanto, podemos considerar que a esa velocidad la masa del electrón no ha cambiado. Si sustituimos ahora en la expresión que nos da la longitud de onda asociada al electrón obtendremos h 6'6·1034 2'4·109 m mv 9'1·1031·3·107 A esta longitud de onda le corresponde una frecuencia de ’2 radiación correspondería a la zona de los rayos X. 17 Hz. En el caso de la 9.- Principio de incertidumbre de Heisenberg. Para medir una magnitud en un cuerpo hay que “verla” para verla hay que iluminarla y al iluminarla los fotones chocan contra ese cuerpo. Si el cuerpo sobre el que medimos es grande (mundo macroscópico), el choque de esos fotones no le afecta en demasía, pero si el cuerpo en el que medimos es pequeño, como un electrón, el choque de los fotones sí que le afecta de tal manera que realmente no sabemos dónde está (lo que sí que podemos saber es una zona de máxima probabilidad de encontrarlo). Esta limitación, explicada aquí toscamente se conoce como principio de incertidumbre de Heisenberg, también principio de indeterminación de Heisenberg y dice: “No e po ible dete min , de un modo p eci o, l po ición y l c ntid d de movimiento de una partícul ” [34] Los valores de las indeterminaciones en la posición y en la cantidad de movimiento cumplen Donde Δx es la indeterminación o incertidumbre en la posición espacial (en metros) y Δp es la indeterminación o incertidumbre en el momento lineal (p = m·v, en kg · m · s-1). Según esta expresión, si podemos determinar con gran precisión la posición entonces la incertidumbre en la cantidad de movimiento (y por tanto en su velocidad) será grande y viceversa. El principio de incertidumbre es un principio fundamental de la naturaleza, es decir, todos los cuerpos están afectados por este principio, pero el pequeño valor de h en nuestro universo hace que sólo se note su influencia en el mundo atómico. El principio de incertidumbre se aplica de forma más general a dos magnitudes complementarias y debería decir en realidad: “Re ult impo ible dete min imultáne mente, de un modo p eci o, do m gnitude complement i del e t do de un i tem ” Dos magnitudes complementarias son aquellas cuyo producto tiene dimensiones de una acción, es decir, las dimensiones de h: m m J ·s N ·m·s kg· 2 ·m·s kg. ·m s s El resultado como vemos son las unidades del momento lineal por las unidades de la posición y, por tanto, podremos escribir el principio de incertidumbre como lo hemos hecho: Pero Julios por segundo (J·s) son también las unidades de la energía y del tiempo, por tanto estas dos magnitudes son complementarias del estado de un sistema y podemos decir que no es posible determinar simultáneamente el valor medio de la energía E de un objeto y el intervalo de tiempo necesario para efectuar la medida, es decir: Donde ΔE es la indeterminación en la energía y Δt es la indeterminación en el tiempo6. 6 El momento cinético ( L pxr ) y el ángulo de giro (α) también son dos magnitudes que cumplen el principio de incertidumbre. [35] Problema 15 Un electrón se mueve con una velocidad de 4000 km/s. Si la incertidumbre en el conocimiento de su velocidad es del 3%, ¿Cuál es la incertidumbre en la posición del electrón? La incertidumbre en la velocidad es del 3%, es decir, = = 2 / Según el principio de incertidumbre 2 como = 2 Sustituyendo 2 2 de donde Problema 16 Un grano de arena de 1 mg de masa se mueve con una velocidad de 20 m/s. Si la incertidumbre en su -3 posición es de 10 m, ¿cuál es la incertidumbre en su velocidad? Este problema es idéntico al anterior, por tanto, si cambiamos las cantidades correspondientes (unidades en el S.I.), la incertidumbre en la velocidad es, 2 [36] Estos apuntes se finalizaron el 10 de mayo de 2011 en Villanueva del Arzobispo, Jaén (España). Realizados por: Felipe Moreno Romero [email protected] http://www.escritoscientificos.es [37]