ORIGEN DE LA FISICA CUÁNTICA
ORIGEN DE LA FÍSICA CUANTICA
La física cuántica, también conocida como mecánica
ondulatoria, es la rama de la física que estudia el comportamiento de la
materia cuando las dimensiones de ésta son tan pequeñas, en torno a 1.000
átomos, que empiezan a notarse efectos como la imposibilidad de conocer con
exactitud la posición de una partícula, o su energía, o conocer simultáneamente
su posición y velocidad, sin afectar a la propia partícula (descrito según el
principio de incertidumbre de Heisenberg).
Surgió 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.
Los dos pilares de esta teoría son:
• Las partículas intercambian energía
en múltiplos enteros de una cantidad mínima posible, denominado quantum (cuanto)
de energía.
• La posición de las partículas viene definida por una función que describe la probabilidad de que dicha partícula se halle en tal posición en ese instante
• La posición de las partículas viene definida por una función que describe la probabilidad de que dicha partícula se halle en tal posición en ese instante
Teoriza
sobre la constitución íntima
de la "materia real" fundamentándola en dos partículas
elementales: fermiones y bosones.
Los fermiones son las partículas que construyen la
estructura de la materia, y se encuentran representados por los electrones,
protones y neutrones. Son partículas que actúan con cierta independencia y autonomía. Los bosones son los vectores que transportan la esencia y la fuerza de la
Naturaleza, facilitando la conjunción del Universo. Son partículas
independientes que siempre interactúan entre sí, a veces sincrónicamente, pero
que en ciertas condiciones pierden su individualidad. Esta paradoja de la
interdependencia e individualidad de estas partículas fue enunciada por Einstein, Podolskiy Rosen. Los bosones están constituidos por los gluones,
gravitones y fotones, siempre con tendencia unívoca a la reunión dispersa.
VÍDEO DE LA FÍSICA CUÁNTICA
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LA RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO
Un cuerpo
negro hace referencia
a un objeto opaco que emite radiación térmica. Un
cuerpo negro perfecto es aquel que absorbe toda la luz incidente y no refleja
nada. A temperatura ambiente, un objeto de este tipo debería ser perfectamente
negro (de ahí procede el término cuerpo negro.). Sin
embargo, si se calienta a una temperatura alta, un cuerpo negro comenzará a
brillar produciendo radiación térmica
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.
El cuerpo negro es un objeto teórico o ideal, pero se puede
aproximar de varias formas entre ellas una cavidad aislada y otros sistemas
algo más complejos
VÍDEO DE LA RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO
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EL EFECTO FOTOELÉCTRICO
El efecto fotoeléctrico consiste
en la emisión de electrones por un metal o fibra de carbono cuando se hace
incidir sobre él una radiación
electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en
el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:
§ El efecto
fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887, al
observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión
alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se
deja en la oscuridad. Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años
experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta, para
finalmente concluir que sí lo era.
§ Se podría
decir que el efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos X, ya que el efecto
fotoeléctrico indica que los fotones luminosos pueden transferir energía a los
electrones. Los rayos X (no se sabía la naturaleza de su radiación, de ahí la
incógnita "X") son la transformación en un fotón de toda o parte de
la energía cinética de un electrón en movimiento
Leyes de
la emisión fotoeléctrica
1.
Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la
cantidad de foto-electrones emitidos.
2.
Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de
radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido.
3.
Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima
del fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente.
4.
La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente,
independientemente de la intensidad de la luz incidente.
§ El efecto
fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar y del aprovechamiento
energético de laenergía solar.
§ El efecto
fotoeléctrico también se manifiesta en cuerpos expuestos a la luz solar de
forma prolongada. Por ejemplo, las partículas de polvo de la superficie lunar adquieren carga positiva
debido al impacto de fotones. Las partículas cargadas se repelen mutuamente
elevándose de la superficie y formando una tenue atmósfera.
VÍDEO DEL EFECTO FOTOELÉCTRICO
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LOS RAYOS X
La denominación rayos
X designa a una radiación electromagnética, invisible,
capaz de atravesar cuerpos opacos y de imprimir las películas fotográficas. Los
actuales sistemas digitales permiten la obtención y visualización de la imagen
radiográfica directamente en una computadora (ordenador) sin necesidad de
imprimirla. La longitud
de onda está
entre 10 a 0,01 nanómetros,
correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3.000 PHz (de 50 a
5.000 veces la frecuencia de la luz visible).
Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que
las ondas de
radio, las ondas de microondas, los rayos
infrarrojos, la luz
visible, los rayos ultravioleta y los rayos
gamma.
La energía de los rayos X en general se encuentra entre la
radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente.
El descubrimiento de los rayos "X" fue el producto de la
investigación, experimentación y no por accidente como algunos autores afirman;
W.C. Röntgen, hombre de ciencia, agudo observador, investigaba los detalles más
mínimos, examinaba las consecuencias de un acto quizás casual, y por eso tuvo
éxito donde los demás fracasaron. Este genio no quiso patentar su
descubrimiento cuandoThomas Alva Edison se lo propuso,
manifestando que lo legaba para beneficio de la humanidad.
El tubo de rayos X está constituido por dos electrodos
(cátodo y ánodo), una fuente de electrones (cátodo caliente) y un blanco. La
radiación es producida justo en la zona de impacto de los electrones y se emite
en todas direcciones.
Los rayos X pueden ser utilizados para explorar la estructura de
la materia cristalina mediante experimentos de difracción de rayos X por ser su longitud de onda similar a la distancia entre los átomos de la red cristalina.
También puede utilizarse para determinar defectos en componentes
técnicos, como tuberías, turbinas, motores, paredes, vigas,
y en general casi cualquier elemento estructural. Aprovechando la
característica de absorción/transmisión de los Rayos X, si aplicamos una fuente
de Rayos X a uno de estos elementos, y este es completamente perfecto, el
patrón de absorción/transmisión, será el mismo a lo largo de todo el
componente, pero si tenemos defectos, tales como poros, pérdidas de espesor,
fisuras (no suelen ser fácilmente detectables), inclusiones de material
tendremos un patrón desigual.
VÍDEO RAYOS X
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MODELO CUANTICO DEL ÁTOMO BOHR
Modelo Cuantico del Atomo de Bohr Empleando el átomo más
simple, el hidrógeno , Bohr describió un modelo de lo que él pensasba debía ser
la estructura del átomo. Este modelo contenía algunas características clásicas,
así como algunos postulados revolucionarios que no podían justificarse dentro
del marco de la física clásica
La ideas básicas de la teoría de Bohr cuando se aplican al
átomo de hídrogeno El electrón se mueve en órbitas circulares alrededor del
protón bajo la influencia de la fuerza de atracción de coulomb
· Solo
ciertas orbitas electronicas son estables. Tales obitas estables son unas en
las cuales el eletron no emite energia en forma de radiacion. Por tanto, la
energia total del atomo permanece constante, y la mecanica clasica puede usarse
para describir el movimiento del electron.
· La
radiacion es emitida por el atomo cuando el electrón SALTA de una orbita
inicial más energética a una órbita de energia inferior.
· Esto significa que debe sumarse la cantidad
de energia igual a Para eliminar el electron e igualar la energia total del
sistema a cero La orbita mas pequena permitida ocurre cuando n = 1, su radio se
denomina radio de bohr .
Logros del Modelo de Bohr Explico todas las series de lineas de
emismiones del hidrogeno Predijo el valor correcto de R Predijo el tamano del
hidrogeno Predijo los niveles de energia adecuados para el hidrogeno H
Principio de Correspondencia de Bohr La fisica cuantica concuerda con
la fisica clasica donde la diferencia entre los niveles cuantizados desaparece,
este es el principio de correspondencia
Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuan tizado y sólo podía variar en fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno.
vídeo de modelo cuántico del átomo de bohr
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PROPIEDADES ONDULATORIA DE LA PARTÍCULAS
En las
interferencias luminosas producidas por dos rendijas paralelas, aparecen
unos máximos
de intensidad, separados por mínimos (rayas negras). En la fig.12.18,
se muestra la
imagen de interferencias recogido en una pantalla, y a la derecha un
El diagrama que
contiene la intensidad de impactos sobre una pantalla, será
la suma de
los impactos debidos a las partículas que pasan por cada una de las
rendijas y es
una curva en forma de campana centrada en un punto equidistante de
las dos
rendijas y abierta hacia los lados, debido a la dispersión de las partículas al
colisionar
con los bordes de las rendijas, presentando una distribución continua.
Si se compara
con el diagrama de intensidad de las interferencias de las ondas
luminosas
producidas por dos rendijas
.jpg)
Éste
es un hecho comprobado experimentalmente en múltiples ocasiones. Fue
introducido por Louis-Victor de Broglie, físico francés de principios del siglo
XX. En 1924 en su tesis doctoral propuso la existencia de ondas de materia, es
decir que toda materia tenía una onda asociada a ella. Esta idea
revolucionaria, fundada en la analogía con que la radiación tenía una partícula
asociada, propiedad ya demostrada entonces, no despertó gran interés, pese a lo
acertado de sus planteamientos, ya que no tenía evidencias de producirse. Sin
embargo, Einstein reconoció su importancia y cinco años después, en 1929, De
Broglie recibió el Nobel en Física por su trabajo
vídeo propiedades ondulatorias de las partículas
.
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FÍSICA NUCLEAR
La física nuclear es una rama de la física
que estudia las propiedades y el comportamiento de los núcleos atómicos. La
física nuclear es conocida mayoritariamente por la sociedad por el
aprovechamiento de la energía nuclear en centrales nucleares y en el desarrollo
de armas nucleares, tanto de fisión como de fusión nuclear. En un contexto más
amplio, se define la física nuclear y de partículas como la rama de la
física que estudia la estructura fundamental de la materia y las interacciones
entre las partículas subatómicas
PRIMEROS EXPERIMENTOS
La radiactividad fue descubierta
en las sales de uranio por el físico francés Henri Becquerel en 1896 En 1898,
los científicos Marie y Pierre Curie descubrieron dos elementos radiactivos
existentes en la naturaleza, el polonio(84Po) y el radio (88Ra).En
1913 Niels Bohr publica su modelo de átomo, consistente en un núcleo central
compuesto por partículas que concentran la práctica mayoría de la masa del
átomo (neutrones y protones), rodeado por varias capas de partículas cargadas
casi sin masa (electrones). Mientras que el tamaño del átomo resulta ser del
orden del angstrom (10-10 m), el núcleo puede medirse en
fermis (10-15 m), o sea, el núcleo
es 100.000 veces menor que el átomo.
COSMOLOGIA
Aunque la
palabra «cosmología» fue utilizada por primera vez en 1730 en la Cosmología
generalis de Christian Wolff, el estudio científico del universo tiene una
larga historia, que involucra a la física, la astronomía, la filosofía, el
esoterismo y la religión.
El nacimiento
de la cosmología moderna puede situarse en 1700 con la hipótesis de que las
estrellas de la Vía Láctea pertenecen a un sistema estelar de forma discoidal,
del cual el propio Sol forma parte; y que otros cuerpos nebulosos visibles con
el telescopio son sistemas estelares similares a la Vía Láctea, pero muy
lejanos.
Se entiende
por cosmología física el estudio del origen, la evolución y el destino del
Universo utilizando los modelos terrenos de la física. La cosmología física se
desarrolló como ciencia durante la primera mitad del siglo XX
video de fisica nuclear
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ESTRUCTURA
DEL NUCLEO Y FUERZA NUCLEAR
El
conocimiento de la estructura nuclear
o estructura de los núcleos atómicos
es uno de los elementos clave de la física nuclear. En principio, las
interacciones de los constituyentes de los núcleos, los nucleones (protones y neutrones formados, a su vez, por los quarks
, están abarcadas en las predicciones de la cromodinámica cuántica dentro de lo
que es una teoría cuántica de campos. Pero debido a la complejidad de la interacción
fuerte los cálculos son muy complicados
y es necesario, hoy día, recurrir a modelos más sencillos. No existe un único
modelo; en el desarrollo de la física nuclear se han ido creando modelos
teóricos para describir cómo se estructura el material nuclear que constituye
los núcleos de los átomos. Algunos de estos modelos son el de la gota líquida,
el modelos de capas (de PARTICULAS independientes, de campo medio, etc.), rotacional,
vibracional, vibracional y rotacional, etc.
Fuerza nuclear
Una fuerza nuclear es aquella fuerza que tiene
origen exclusivamente en el interior de los núcleos atómicos.
Existen dos fuerzas nucleares, la fuerza
fuerte que actúa sobre los nucleones y la fuerza
débil que actúa en el interior de los mismos.
Existen dos tipos de fuerzas nucleares de entre las
cuatro fuerzas de la naturaleza, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. En los últimos
años se ha conseguido unificar la fuerza nuclear débil con la fuerza electromagnética,
originando así la fuerza conocida como fuerza electrodébil. Estas
cuatro fuerzas pueden explicarse mediante la mecánica cuántica a diferencia de
la fuerza gravitatoria que solo puede
explicarse mediante la teoría de la relatividad genera
video del nucleo y fuerza nuclear
RADIACTIVIDAD
La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables", es decir, que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que, para alcanzar su estado fundamental, deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética.
Fue descubierto casualmente
por Henri Becquerel(a la izquierda) en 1896. Estudiaba los
fenómenos de fluorescencia y fosforescencia, para lo cual colocaba un cristal
de Pechblenda, mineral que contiene uranio, encima de una placa fotográfica
envuelta en papel negro y las exponía al sol. Cuando desenvolvía la placa la
encontraba velada, hecho que atribuía a la fosforecencia del cristal. Los días
siguientes no hubo sol y dejó en un cajón la placa envuelta con papel negro y
con la sal de Uranio encima. Cuando sacó la placa fotográfica estaba velada, y
no podía deberse a la fosforescencia ya que no había sido expuesta al sol. La
única explicación era que la sal de uranio emitía una radiación muy penetrante.
El fenómeno de la
radiactividad era característico de los núcleos de los átomos. En 1898
descubren dos nuevas sutancias radiactivas: el radio y el polonio, mucho más
activas que el uranio. Pierre estudiaba las propiedades de la radiación, y
Marie intentaba obtener de los minerales las sustancias radiactivas con el
mayor grado de pureza posible.
video radiactividad
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por última vez el 23 may 2012, a las 16:17
Fisión y fusión nuclear
La fisión es
la división de un nucleu atómico pesado (Uranio, plutonio, etc.)en dos o más
fragmentos causado por el bombardeo de neutrones, con liberación de una enorme
cantidad de energía y varios neutrones.
La física
nuclear es una rama de la física que estudia las propiedades y el comportamiento de los núcleos atómicos. La física nuclear es conocida
mayoritariamente por la sociedad por el aprovechamiento de la energía
nuclear en centrales nucleares y en el desarrollo de armas
nucleares, tanto de fisión
como de fusión nuclear.
La física nuclear incluye también el estudio de las reacciones nucleares: el
uso de proyectiles nucleares para convertir un tipo de núcleo en otro. Si, por
ejemplo, se bombardea el sodio con neutrones, parte de los núcleos estables Na capturan
estos neutrones para formar núcleos radiactivos ²Na:
Estas reacciones se estudian colocando muestras dentro de los reactores nucleares para producir un flujo alto de neutrones (número elevado de neutrones por unidad de área).
Los núcleos también pueden reaccionar entre ellos pero, si están cargados positivamente, se repelen entre sí con gran fuerza. Los núcleos proyectiles deben tener una energía lo bastante alta como para superar la repulsión y reaccionar con los núcleos blanco. Los núcleos de alta energía se obtienen en los ciclotrones, en los generadores de Van de Graaff y en otros aceleradores de partículas.
La fusión de
determinados núcleos de elementos ligeros es uno de los dos orígenes de energía
nuclear, siendo la otra, la antes citada.
En la fusión
intervienen los isótopos de hidrógeno (deuterio, tritio). Cuando se fusionan
los nucleos de dichos isótopos se observa la aparición de energía que procede
de la perdida de de masa, de acuerdo con la relación de Einstein E=m.c2.
video fison y fusion nuclear
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COSMOLOGIA (TEORIA DE LA GRAN EXPLOSION DEL BIG BANG)
En cosmología física, la teoría del Big Bang
o teoría de la gran explosión es un modelo científico que trata de explicar el origen
del Universo
y su desarrollo posterior a partir de una singularidad espaciotemporal.
Técnicamente, este modelo se basa en una colección de soluciones de las
ecuaciones de la relatividad general, llamados modelos de Friedmann-
Lemaître - Robertson - Walker. El término "Big Bang" se utiliza
tanto para referirse específicamente al momento en el que se inició la
expansión observable del Universo (cuantificada en la ley de
Hubble), como en un sentido más general para referirse al paradigma
cosmológico que explica el origen y la evolución del mismo.
A pesar de que el modelo del Big Bang o La Gran
Explosion, es un modelo teórico observacionalmente bastante robusto y
ampliamente aceptado entre la comunidad científica, hay algunos aspectos que
todavía quedan por resolver:
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- Se desconoce qué ocurrió en los primeros instantes tras el Big Bang. La respuesta se busca mediante el estudio del universo temprano, una de cuyas metas es encontrar la explicación a una posible unificación de las cuatro fuerzas fundamentales (fuerte, débil, electromagnética y gravitacional).
- No existe un modelo definitivo de la formación de las estructuras actuales, a partir del Big Bang. La respuesta se busca mediante el estudio de la formación y evolución de las galaxias y la inflación cósmica.
- Queda por saber a qué se debe el hecho de que el universo se expanda con aceleración (Véase Aceleración de la expansión del universo).
La idea central del Big Bang es que la teoría de la relatividad general puede combinarse con las observaciones de isotropía y homogeneidad a gran escala de la distribución de galaxias y los cambios de posición entre ellas, permitiendo extrapolar las condiciones del Universo antes o después en el tiempo.
Para llegar al modelo del Big Bang, muchos científicos, con diversos estudios, han ido construyendo el camino que lleva a la génesis de esta explicación. Los trabajos de Alexander Friedman, del año 1922, y de Georges Lemaître, de 1927, utilizaron la teoría de la relatividad para demostrar que el universo estaba en movimiento constante. Poco después, en 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889-1953) descubrió galaxias más allá de la Vía Láctea que se alejaban de nosotros, como si el Universo se expandiera constantemente. En 1948, el físico ucraniano nacionalizado estadounidense, George Gamow (1904-1968), planteó que el universo se creó a partir de una gran explosión (Big Bang). Recientemente, ingenios espaciales puestos en órbita (COBE) han conseguido "oír" los vestigios de esta gigantesca explosión primigenia.
De acuerdo con la teoría, un universo homogéneo e isótropo lleno de materia ordinaria, podría expandirse indefinidamente o frenar su expansión lentamente, hasta producirse una contracción universal. El fin de esa contracción se conoce con un término contrario al Big Bang: el Big Crunch o 'Gran Colapso' o un Big Rip o Gran desgarro. Si el Universo se encuentra en un punto crítico, puede mantenerse estable ad eternum. Muy recientemente se ha comprobado que actualmente existe una expansión acelerada del universo hecho no previsto originalmente en la teoría y que ha llevado a la introducción de la hipótesis adicional de la energía oscura (este tipo de materia tendría propiedades especiales que permitirían comportar la aceleración de la expansión)
video de la explosion del big bang
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