Doctorado en Ciencias: Desarrollo Científico y Tecnológico para la Sociedad

Unidad/Taller: Desarrollo de La Física

TEMA: Examen de la Materia PROFESOR: Dr. Rafael Baquero Parra

CONCEPTO: Resumen de Caps. 4, 5, 6 y 7 del Libro “Biografía de la Física de George Gamow. Salvat Editores.

AUTOR: CARLOS JAVIER FLORES SARACHO

FECHA: 9 de octubre de 2009.

Resumen detallado de Capítulos 4, 5, 6 y 7 del Libro “Biografía de la Física de George Gamow.

Parte 4.- Resumen del Capítulo 7 “La ley de los cuanta”.

Divisibilidad de la materiaLos átomos, que se consideraban indivisibles, de ahí su nombre en griego, si se pueden dividir en partículas más elementales, las cuales aún no se sabe si se pueden a su vez subdividir sin límite.

En 1906, J. J. Thompson pudo determinar la masa del electrón, la cual es 1,840 veces más pequeña que la masa del átomo de hidrógeno. Obtuvo el premio Nobel por su descubrimiento del electrón. Thompson descubrió que mientras los iones de Faraday eran átomos que transportaban cargas, las partículas que forman los rayos catódicos eran cargas eléctricas y les dio el nombre de “electrones”.

J. J Thompson (1856-1940)

Los misteriosos rayos XEn 1895, W. K. Roetgen descubrió que una pantalla fluorescente se hacía luminosa cuando la corriente eléctrica pasaba sobre un tubo cercano de rayos catódicos. Se trataba de una nueva radiación que podía pasar a través de materias opacas. A fotografía que tomó Roetgen con estos rayos fue la mano de su mujer con su anillo de bodas. Los rayos se producían al chocar los electrones en el extremo del tubo de rayos catódicos. Al ser detenidos súbitamente en su camino, los electrones desprenden su energía cinética en la forma de ondas electromagnéticas muy cortas, una gama de frecuencias de rayos X. Como los rayos X no son desviados por un campo magnético, Roetgen supuso de inmediato que se trataba de ondas semejantes a la luz ordinaria. Roetgen con Max von Laue experimentaron con cristales para difractar los rayos X, aquellos utilizados como retículas de difracción.

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Isótopos del Carbono

IsótoposEn 1907 Thompson ahora experimenta con campos magnéticos y eléctricos simultáneamente en tubos de rayos catódicos. Con ello puede demostrar que átomos del mismo elemento pueden tener distintos pesos atómicos, lo que se denomina isótopo.

El modelo atómico de RutherfordA principios del siglo XX Lord Rutherford demostró que las partículas llamas “alfa” emitidas por varios elementos radioactivos eran en realidad átomos de Helio cargados positivamente., expulsados con enorme energía de los átomos inestables. Con ellas pudo crear una concepción enteramente nueva del átomo, con un núcleo central, pequeño pero de gran masa y fuertemente cargado, que Rutherford llamó el núcleo atómico y un enjambre de electrones girando a su alrededor bajo la acción de la atracción de Coulomb (campo eléctrico). Parecía más o menos como nuestro sistema planetario. Así se llegó a la actual concepción de la estructura del átomo.

La catástrofe ultravioletaEn 1900, Max Planck propuso que la luz y todas las demás radiaciones electromagnéticas, que siempre eran consideradas como trenes continuos de ondas, consisten realmente en paquetes individuales de energía con cantidades bien definidas de energía por paquete. La cantidad de energía por paquete depende de su frecuencia de radiación “f” y es directamente proporcional a ella, de modo que

energía = h x frecuenciaen la que h es una constante universal. Planck llamó a estos paquetes de energía cuanta de luz (cuanta de radiación) y la constante h es conocida como constante cuántica. Con esto se deduce que no puede existir una “catástrofe ultravioleta” predicha por Jeans en su razonamiento de una caja cerrada conteniendo ondas en todas las vibraciones posibles.

La realidad de los cuanta de luzEn 1905, Einstein aplicó la idea de los cuanta de luz para la explicación del efecto fotoeléctrico, el cual consiste en la liberación de electrones (fotoelectrones) de materiales sobre los cuales se hace incidir una luz. Para una cierta frecuencia de luz, la energía de los fotoelectrones emitidos no cambia, pero su número aumenta en proporción directa a la intensidad de la luz.Cuando la frecuencia de la luz cambia, no son emitidos fotoelectrones hasta que se alcanza cierto umbral de frecuencia (que depende del metal). Es decir, existen diferencias cuantizadas o cuánticas de frecuencias (no es un fenómeno continuo).

Liberación de electrones por el efecto fotoeléctrico

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Estas dos leyes empíricas se explican aplicando la idea de los cuanta de luz que transportan una cantidad definida de energía proporcional a su frecuencia. La energía del fotoelectrón debe vencer la barrera la “función de trabajo W” de diferente para cada metal; la energía del fotoelectrón está dada por una proporción muy sencilla: E = hf -W. Einstein explicó las misteriosas leyes del efecto fotoeléctrico y dio un vigoroso apoyo a la idea original de Planck respecto a los paquetes de energía radiante.

Otro fuerte apoyo para la hipótesis de los cuanta de luz provino de los experimentos de dispersión de rayos de luz al chocar con electrones (el efecto Compton). En este proceso de dispersión de luz por chocar con electrones libres, ocurre un cambio de la longitud de la onda incidente (y por lo tanto de la frecuencia) por dicha colisión elástica. El cambio de longitud es mayor conforme aumenta el ángulo de dispersión, pero no depende de la longitud de la radiación de la onda incidente

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El átomo de BohrLa teoría atómica de Bohr, publicada en 1913, postula que el movimiento de los electrones atómicos puede existir en ciertos estados “estacionarios” en los cuales no radían energía; estos estados estacionarios corresponden a las órbitas en la imagen clásica, con los electrones moviéndose como en un sistema planetario. La luz emitida por ellos al ser energizados está “cuantificada”: la transición de un electrón de un alto nivel cuántico a uno más bajo emitirá un cuanto de luz con hf igual a la diferencia de energía entre los dos niveles. Los radios de las sucesivas órbitas cuánticas aumentan en razón de 1/(cuadrado de n), lo que se deduce de las series de Balmer y de otras series que representan las rayas del espectro del Hidrógeno.

El modelo atómico de Bohr y el sistema periódico de los elementosReflexionando sobre el movimiento de electrones en un átomo, W. Pauli (1900-1958) formuló su principio ahora famoso: el principio de exclusión de Pauli. Dicho principio explica la estructura interna de los elementos por la manera como van llenándose sus capas consecutivas de electrones alrededor del átomo. Después se descubrió que los electrones en el átomo se comportan como pequeños magnetos, porque poseen un momento magnético a causa de que giran rápidamente sobre sí mismos cuando circulan en torno al núcleo. Un electrón en una órbita compartida por otro electrón, gira en un sentido y el segundo electrón en sentido contrario, ésto es el “spin”. Asimismo, el principio de exclusión se utiliza para explicar la valencia de un átomo.

Las ondas de la materiaDe Broglie(1892-1987) postuló que el movimiento de partículas materiales va acompañado de ciertas ondas asociadas que se propagan en el espacio en compañía de las partículas (dualidad onda-partícula).Se comprobó que un haz de electrones se difracta al incidir sobre un cristal, lo que comprueba esa dualidad. Las ideas de De Broglie fueron generalizadas y puestas matemáticamente por E. Schrodinger(1887-1961) en 1926, incorporándolas en su famosa ecuación de onda, aplicable al movimiento de partículas en cualquier campo de fuerza. Al mismo tiempo W. Heisenberg (1901-1976) propuso la utilización de matrices para representar las cantidades mecánicas como posición, velocidad y fuerza.

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Relaciones de incertidumbreEn el mundo atómico, no podemos pasar por alto la perturbación producida por la introducción de los aparatos de medición. Hay con ello una intervención completamente inevitable entre el observador y el fenómeno. Heisenberg encontró que el producto de las incertidumbres sobre posición y momento p=(mv) de una partícula nunca puede ser menor que la constante de Planck dividida en 4 pi. En 1931, el físico Carl Anderson(1905-1991) trabajando con cámaras de niebla descubrió los positrones, equivalentes a electrones pero con carga positiva. Esto fue predicho por las teorías de Paul Dirac(1902-1984).

Principio de incertidumbre de Heisenberg

AntimateriaEn 1955, Emilio Segré y O. Chamberlain descubrieron a los protones de carga negativa, utilizando aceleradores de partículas. En 1956 se realizó el descubrimiento de los anti-neutrones. Como en este caso no existe carga, para poder detectar un anti-neutrón, éste se debe aniquilar cuando choque con un neutrón. La posible existencia de la antimateria presenta tremendos problemas para la astronomía y la cosmología.

Estadísticas cuánticasLa estadística de partículas Bose-Einstein describe las distribuciones estadísticas de acuerdo a la mecánica cuántica de partículas indistinguibles con spin entero (0, 1, 2, ...), mientras que la estadística de Fermi-Dirac describe estadísticas de partículas con distribución Fermi de spin entero-medio (½, 3/2, 5/2, ...).

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