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• 1. FÍSICA MODERNA Fundamentos de Mecánica Cuántica Rafael Artacho Cañadas • Física 2º Bachillerato

• 2. ÍNDICE 1. La crisis de la física clásica en el micromundo 2. Antecedentes de la mecánica cuántica 3. Nacimiento y principios de la mecánica cuántica 4. Conclusión

• 3. 1. La crisis de la física clásica en el micromundo MECANICA TERMODINÁMICA Newton 1686 Fma Ec. del movimiento Clausius 1822 ELECTROMAGNETISMO Maxwell 1865

• 4. 1. La crisis de la física clásica en el micromundo La etapa europea que va desde 1870 a 1900 se caracterizó por ser el momento más glorioso de la ciencia experimental y del mayor descrédito de cualquier otro procedimiento distinto al científico para escrutar la Naturaleza y la realidad. Esta actitud “cientifista” inundaba absolutamente TODOS los modos de vida y de pensamiento de una época que ha pasado a denominarse POSITIVISTA. Se desarrollan a un ritmo vertiginoso TODAS las ramas de la Ciencia, y la Sociedad Occidental cree en la Ciencia como la “salvadora” del mundo. Existe cierto sentimiento de orgullo y prepotencia en esa sociedad, que se ve incrementado por los logros obtenidos De esta época es el desarrollo de la electricidad, del magnetismo y sus aplicaciones la era de las vacunas, la mejora de los transportes, las comunicaciones, el teléfono, el Telégrafo, los nuevos materiales para la construcción, la prensa a gran escala, las Colonizaciones, la bonanza económica de Europa y América... Sin embargo, todo este gran edificio terminaría por caer; y con él el sentimiento determinista y de seguridad en la Ciencia. Se inició aquí la SEGUNDA revolución en la Historia de la Ciencia.

• 5. 1. La crisis de la física clásica en el micromundo La segunda Revolución Científica. Resumen de sus comienzos Mientras que hacia 1880-1890 los científicos consideraban que la Ciencia estaba asentada sobre principios muy sólidos, una serie de NUEVOS descubrimientos derrumbaba en muy pocos años esas arraigadas ideas. Algunos de esos descubrimientos fueron:  Experimento NEGATIVO de Michelson  La retrogradación del perihelio de Mercurio.  Descubrimientos de nuevas partículas en el átomo y el comportamiento de éstos y sus espectros.  La radiación del cuerpo negro y la cuantización de la energía.  Las nuevas ideas de masa, espacio, tiempo y energía surgidas de la Relatividad de Einstein.  El efecto fotoeléctrico y su imposibilidad de explicación en base a la física Clásica.  Ideas de Heisemberg, y otros, sobre el carácter impredecible e indeterminista de la Naturaleza Hubo, en cambio, científicos, que en lugar de hacer nuevos descubrimientos pasaron a plantearse los mismos pilares inconmovibles de la ciencia. Los más importantes de todos ellos fueron Ernst Mach y H. Poincarè.

• 6. 2. Antecedentes de la mecánica cuántica 2.1. La radiación del cuerpo negro

• 7. 2. Antecedentes de la mecánica cuántica 2.1. La radiación del cuerpo negro Al incidir radiación sobre un cuerpo, parte de ésta es reflejada y parte absorbida, incrementando su temperatura. Al cesar la radiación, ese cuerpo tiende a emitir la radiación absorbida. Tómese de ejemplo un hierro calentado. La radiación que proviene de un cuerpo es la suma de la radiación propia y la que refleja, por tanto, para estudiar sólo la correspondiente a la emisión hay que diseñar “un cuerpo negro” (ideal) Un cuerpo negro es aquel que absorbe todas las radiaciones, en consecuencia es también un emisor ideal

• 8. 2. Antecedentes de la mecánica cuántica 2.1. La radiación del cuerpo negro  Kirchoff demostró que el espectro de emisión de un cuerpo negro depende solo de la temperatura. La gráfica de emisión de un cuerpo negro (distribución espectral) nos indica la distribución de la energía en las distintas longitudes de onda para una determinada temperatura. U.V I.R

• 9. 2. Antecedentes de la mecánica cuántica 2.1. La radiación del cuerpo negro Leyes empíricas que regían la radiación de un cuerpo negro: Ley de Stefan-Boltzmann: La intensidad de la radiación térmica de un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta Ley del desplazamiento de Wien: El producto de la longitud de onda correspondiente al U.V I.R máximo de emisión por la temperatura absoluta es constante

• 10. 2. Antecedentes de la mecánica cuántica 2.1. La radiación del cuerpo negro La forma de las gráficas de emisión y la teoría clásica catástrofe del Propuesta de Rayleigh-Jeans: ultravioleta Ley  Para longitudes de onda Rayleigh- grandes reproduce los Jeans resultados experimentales  Para   0 fracasa, prediciendo en conjunto energía total por U.V unidad de volumen infinita:  en nm catástrofe ultravioleta

• 11. 2. Antecedentes de la mecánica cuántica 2.1. La radiación del cuerpo negro La forma de las gráficas de emisión y la hipótesis de Planck La energía emitida (cuanto de energía) por los osciladores atómicos no puede tomar cualquier valor sino que es múltiplo entero de una constante h multiplicada por la frecuencia del oscilador: donde n es un número entero, h una constante denominada constante de Planck, 6,63•10-34 J•s y f la frecuencia del oscilador  El número de osciladores de baja frecuencia es muy superior al de osciladores de alta frecuencia. Para  grande De acuerdo con la ley de  Rayleigh-Jeans Para 0  Se evita la catástrofe del ultravioleta

• 12. 2. Antecedentes de la mecánica cuántica 2.1. La radiación del cuerpo negro La forma de las gráficas de emisión y la hipótesis de Planck catástrofe del ultravioleta Ley Rayleigh- Jeans Fórmula de Planck U.V  en nm

• 13. 2. Antecedentes de la mecánica cuántica 2.2. El efecto fotoeléctrico y la explicación de Einstein  El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material metálico cuando se ilumina con radiación electromagnética.  Fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887.  Albert Einstein utilizó la teoría cuántica para resolver este misterio de la física.

• 14. 2. Antecedentes de la mecánica cuántica 2.2. El efecto fotoeléctrico y la explicación de Einstein Descripción del fenómeno Fuente Vacío luminosa Superficie metálica Electrodo positivo Fuente de tensión G Detector

• 15. 2. Antecedentes de la mecánica cuántica 2.2. El efecto fotoeléctrico y la explicación de Einstein Descripción del fenómeno  Si se hace incidir luz de al menos una frecuencia determinada f0, frecuencia umbral, en la superficie metálica, se emiten electrones. Es característica de cada metal. G

• 16. 2. Antecedentes de la mecánica cuántica 2.2. El efecto fotoeléctrico y la explicación de Einstein Descripción del fenómeno  Si

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