TEORIA CUANTICA DE LA LUZ

ANDRES OCTAVIO AYALA PAREDES

YESID FERNANDO ESTEPA

DUVAN JAVIER HERRERA ZAMBRANO

STEPHEN MOJICA

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

INGENIERIA ELECTROMECANICA

DUITAMA

2014

TEORIA CUANTICA DE LA LUZ

ANDRES OCTAVIO AYALA PAREDES

YESID FERNANDO ESTEPA

DUVAN JAVIER HERRERA ZAMBRANO

STEPHEN MOJICA

Profesor

Carlos Guillermo Carreño Bondensiek

Ingeniero electromecánico

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

INGENIERIA ELECTROMECANICA

DUITAMA

2014

CUESTIONARIO

1) NATURALEZA ELECTROMAGNETICA DE LA LUZ.

Podemos decir que la luz es el agente físico que hace visible los objetos, la naturaleza de la luz se define como una onda-partícula. De acuerdo a la teoría de la luz electectromagnetica desarrollada por el físico James Clerk Maxwell en 1865, las ondas de la luz son semejantes a las ondas eléctricas o electromagnéticas.

También indica que las ondas electromagnéticas se transmiten con la misma velocidad que la luz y concluye que la luz consiste en una perturbación electromagnética, el fotón fue llamado cuanto de luz. De acuerdo con lo anterior podemos decir que:

La luz es una forma de energía electromagnética.

La energía luminosa se transmite a través de partículas llamadas fotones.

La energía luminosa de transmite a través de ondas.

Más adelante Heinrich Hertz desarrollo una serie de experimentos brillantes, demostrando así que la teoría de Maxwell era correcta y que en efecto una corriente eléctrica que oscila irradia ondas electromagnéticas que poseen todas las características de la luz. Hertz demostró que estas ondas electromagnéticas podían reflejarse, refractarse, enfocarse, polarizarse y hacer que interfirieran: en resumen, convenció a los físicos de aquel entonces que las ondas hertzianas y las ondas de luz eran lo mismo.

(Serway)

2) POR QUE LOS CUERPOS CAMBIAN DE COLOR CUANDO AUMENTA O DISMINUYE SU TEMPERATURA

Se debe a la radiación térmica que presenta el cuerpo así:

Un objeto a cualquier temperatura emite ondas electromagnéticas en la forma de radiación térmica desde las superficies. Las características de esta radiación dependen de la temperatura y de las propiedades de la superficie del objeto.

Estudios cuidadosos muestran que la radiación consiste en una distribución de longitudes de onda continuas desde todas las partes del espectro electromagnético.

Si el objeto se encuentra a temperatura ambiente, la radiación térmica tendrá longitudes de onda principalmente en la región infrarroja y, por esto, no podrá ser detectada a simple vista. Conforme aumenta la temperatura superficial del objeto, llegara un momento en que este comenzara a resplandecer con un color rojo visible. A temperaturas suficientemente altas, el objeto resplandeciente parece blanco, como en el caso del filamento caliente de tungsteno de un foco.

Gustavo Kirchhoff demostró el importante teorema que lleva su nombre cuando

probo con razonamientos basados en la termodinámica, que para cualquier cuerpo

en equilibrio térmico con la radiación la potencia emitida es proporcional a la

potencia absorbida. El cambio de color del cuerpo depende de la frecuencia de la

luz y de la temperatura absoluta del cuerpo.

Además se define cuerpo negro como

un objeto que absorbe toda la

radiación electromagnética que incide

sobre él, por lo que en consecuencia

parece negro. Este un radiador ideal.

En base a esto podemos concluir que

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.

3) QUE SON LOS CUANTOS DE ENERGIA DE ACUERDO A LA HIPOTESIS

DE PLANCK?

Para Planck los cuantos de energía es la cantidad de energía perdida o absorbida

finita hf; de un resonador. Lo dedujo de la siguiente manera:

Planck debió suponer que la energía total de un resonador con frecuencia

mecánica f solo podía ser múltiplo entero de he o bien La energía de un

oscilador solo puede tener ciertos valores discretos

Donde n es un entero positivo conocido como número cuántico,1 f es la frecuencia

de la oscilación y h es un parámetro introducido por Planck y que hoy se conoce

como la constante de Planck.

Los osciladores emiten o absorben energía

cuando realizan una transición de un estado

cuántico a otro. Toda la diferencia de energía entre

los estados inicial y final de la transición es emitida

o absorbida como un solo cuanto de radiación. Si

la transición es a causa de un estado a otro

inmediatamente inferior, por ejemplo, del estado n

_ 3 al estado n _ 2, la ecuación En =chef muestra

que la cantidad de energía emitida por el oscilador

es igual a E=he

La ley de Planck establece que la energía de cada

cuanto es igual a la frecuencia de la radiación

multiplicada por la constante universal. Su valor es

de 6,62 * 10^-27 ergios por segundo y se designa

por la letra h.

(Raymond A. Serway, 2009)

Para la física clásica, un oscilador de cierta frecuencia podía emitir cualquier parte

de su cantidad total de energía sin importar su valor. En realidad, los cuantos o

unidades de radiación son tan pequeños que la radiación nos parece continua.

4) DE ACUERDO A EINSTEIN, ¿QUE SON LOS CAUNTOS DE LUZ?

Einstein, explico el efecto fotoeléctrico y lo hizo postulando la existencia de cuantos

de luz con propiedades de partículas. El fotón fue llamado cuanto de luz, el término

cuanto se refiere a la cantidad más pequeña de algo que es posible tener.

Contradiciendo a la noción prevaleciente en su época, de que la luz era solamente una onda electromagnética, Einstein propuso que la luz, en ciertas circunstancias, es una entidad continua y se comporta como una onda electromagnética pero, en otras circunstancias, se comporta como una entidad discontinua, es decir como partículas individuales (o discretas).

A estas partículas les llamó “cuantos de luz” porque transportan un “cuanto”, es decir, una cantidad (discreta) de energía. La cantidad de energía de un haz de luz

está formada por la suma de las energías de esos “cuantos de luz”, llamados también “fotones”.

Las teorías, como la electromagnética, en las cuales la energía está “cuantizada” se llaman teoría “cuánticas”. El antecedente inmediato de Einstein ocurrió en Alemania con los trabajos de Max Planck.

Del orden de unos cuantos electrón volts. La tabla muestra funciones de trabajo para diversos metales:

Metal Φ (eV)

Sodio (Na) 2.46

Aluminio (Al) 4.08

Cobre (Cu) 4.70

Zinc (Zn) 4.31

Plata (Ag) 4.73

Platino (Pt) 6.35

Plomo (Pb) 4.14

Hierro (Fe) 4.50

5) EXPLIQUE EL EFECTO FOTOELÉCTRICO Y EL SIGNIFICADO DEL PARÁMETRO “FUNCIÓN DE TRABAJO” DE LOS DIFERENTES METALES.

El efecto fotoeléctrico consiste en la formación y liberación de partículas

eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz

u otra radiación electromagnética. En el efecto fotoeléctrico se liberan electrones en

la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que se proyecta

sobre la superficie.

De acuerdo a los experimentos del efecto fotoeléctrico se observó que la energía

cinética máxima posible de los electrones emitidos solo depende de la frecuencia

de la luz incidente y no de su intensidad.

Para tratar de explicar el efecto fotoeléctrico, Albert Einstein considero la luz como

un conjunto de proyectiles que chocan contra el metal, cuando un electrón libre del

metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía de este y si el fotón tiene la

suficiente energía el electrón es expulsado del metal.

Una serie de experimentos iniciados en 1887 demostró que el efecto fotoeléctrico tenía determinadas características que no podían explicarse por la teoría clásica que consideraba que la luz (teoría ondulatoria de la luz) se comportaba como una

onda. Por ejemplo, al aumentar la intensidad de la luz que incide sobre un metal, la teoría ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos mostraron que la energía de los electrones emitidos sólo depende de la frecuencia de la luz, y no de su intensidad.

En el año 1900, Max Planck dijo que la energía está formada por partículas denominadas cuantos de energía. La energía de un cuanto es igual a la constante de Planck por la frecuencia de la radiación.

Posteriormente, Einstein se basó en esta teoría para explicar el efecto fotoeléctrico.

No sólo la energía está formada por partículas sino también la luz, cuyas partículas se denominan fotones. Por lo tanto, la intensidad de ésta no influye en la velocidad de los electrones emitidos por el metal en el que incide, sino en su cantidad (a mayor intensidad, mayor número de electrones). Por otro lado, a mayor frecuencia, mayor es la velocidad de los electrones y mayor es su energía.

Al incidir la luz sobre una lámina de metal, se emiten electrones.

Si aumentamos la intensidad de la luz el número de electrones emitidos es mayor. Según la teoría clásica la energía de los electrones emitidos debería aumentar, sin embargo esto no ocurre.

Al cambiar la luz roja por una azul la velocidad de los electrones emitidos aumenta y, por tanto, su energía. Esto se debe a que la frecuencia de la luz azul es mayor que la de la luz roja.

El fotón rojo tiene menos energía que el azul por lo que al chocar con el metal el electrón emitido lleva una velocidad menor. (Grupo Einstein,

2005)

(Grupo Einstein, 2005) (Grupo Einstein, 2005)

(phet.colorado.edu, s.f.)Simulador efecto fotoeléctrico

FUNCION TRABAJO

La función trabajo del metal corresponde a la energía mínima con la que un electrón se enlaza en el metal.

6). EXPONGA LA REPRESENTACIÓN CORPUSCULAR DE LA LUZ, ES DECIR,

QUE LA LUZ TRANSPORTA ENERGÍA Y TAMBIÉN CANTIDAD DE MOVIMIENTO.

La representación corpuscular de la luz es la que se da cuando, un haz de radiación

provoca que una molécula emita o absorba un paquete de energía fotoeléctrica (es

igual a la constante h de Planck por la frecuencia f de la radiación electromagnética

E=hf), a esta molécula se le transfiere una cantidad de movimiento igual a la energía

fotoeléctrica sobre la rapidez de la luz (E/c =hf/c). Cuando se da la absorción es

dirigido a lo largo de la línea de movimiento de dicho haz de luz y cuando se da la

emisión se opone a dicha línea. Con esto se deduce que un fotón además de

transportar energía fotoeléctrica también transporta cantidad de movimiento.

7) CUALES SON LAS VARIABLES COMPARADAS EN EL EXPERIMENTO DE COMPTON? EN OTRAS PALABRAS, QUE MIDIO COMPTON?

Arthur Holly Compton se dio cuenta de que la dispersión de fotones de rayos X a partir de electrones podía explicarse al considerar a los fotones como partículas puntuales con energía hf y cantidad de movimiento, y al conservar la energía y la cantidad de movimiento relativistas del par foton-electron en una colisión. Este extraordinario desarrollo completo la representación corpuscular de la luz al demostrar que los fotones, además de transportar energía, transportan cantidad de movimiento, y se dispersan como partículas.

Compton demostró experimentalmente que el desplazamiento de la longitud de onda de los rayos X dispersados en un ángulo dado es absolutamente independiente de la intensidad de la radiación y del tiempo de exposición, y que solo depende del ángulo de dispersión. El fotón incidente golpea al electrón, que puede desplazarse libremente.

El fotón cambia su dirección y disminuye su energía con lo cual aumenta su longitud

de onda. Del cálculo de Compton se deduce que el efecto solo se puede observar

con la luz de la máxima energía posible, que es la radiación gamma. El efecto

Compton es despreciable con la luz visible o con cualquier otro tipo de luz.

Los fotones de rayos-x chocan con los electrones libres

La frecuencia o la longitud de onda de la radiación dispersada depende de la dirección de la dispersión. (Ángulo)

8) ¿LA GRAVEDAD AFECTA LA LUZ? ¿TIENEN LOS FOTONES UNA MASA

GRAVITACIONAL EFECTIVA? ¿PUEDEN LOS FOTONES SER ATRAÍDOS POR

LA GRAVEDAD?

La masa del fotón es igual a cero, aunque es posible considerar razonablemente

que su masa inercial es el equivalente de masa de la energía del fotón E:

Suponga que el fotón, como otros objetos también posee una masa gravitacional

igual a su masa inercial. En este caso un fotón que cae desde una altura H debe

incrementar su energía por mgH y, entonces aumentar su frecuencia, aunque su

velocidad no puede aumentar y permanece en c. se han realizado experimentos

que muestran este incremento en la frecuencia y confirman que en efecto, el fotón

posee una masa gravitacional efectiva.

9). EL PROCESO DE ESPECTROSCOPIA SIRVE PARA IDENTIFICAR LOS

ELEMENTOS QUÍMICOS QUE COMPONEN A UNA SUSTANCIA O UN OBJETO.

¿CÓMO SE IDENTIFICAN LOS DIFERENTES ELEMENTOS DEL OBJETO O

SUSTANCIA ANALIZADA?

En el proceso de espectrometría se utiliza una serie de rayos o haces de luz que son de una gran capacidad de penetración, lo que se busca con estos rayos o haces es hacerlos incidir sobre el objeto al cual se le quiere conocer su composición. Con estos rayos se busca medir la separación que existe entre los diferentes átomos que forman las moléculas del elemento, todo esto debido a la longitud de onda que tuviera el rayo y al color que se obtuviera del espectro así se podía determinar la composición química.

BIBLIOGRAFÍA

Grupo Einstein, I. J. (2005). http://centros5.pntic.mec.es/. Obtenido de

http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/Curiosid/rc-85/p-

3/efct-fot.html

phet.colorado.edu. (s.f.). Obtenido de

http://phet.colorado.edu/es/simulation/photoelectric

Raymond A. Serway, J. W. (2009). F Í S I C A para ciencias e ingeniería con fisica

moderna Vol.2.

Serway, R. A. (s.f.). fisica moderna 3ed. thomson.