Física y tecnología

contemporánea

Cuantización de la materia y de la energía

Karina Álvarez Cruz

LA FISICA CLÁSICA

• Se denomina física clásica a la física basada en los principios previos a laaparición de la física cuántica, incluyendo la Teoría de la relatividad.

• La física clásica se considera determinista (aunque no necesariamentecomputable o computacionalmente predictible), en el sentido de que elestado de un sistema cerrado en el futuro depende exclusivamente delestado del sistema en el momento actual.

• La Física clásica describe los fenómenos naturales observables. Sus leyessiguen una lógica “ingenua” y aclaran el buen sentido del hombre.Comprende por ejemplo la Mecánica de Newton, la teoría delElectromagnetismo de Maxwell, la Óptica geométrica, la Ópticaondulatoria, algunas partes de la Termodinámica. En la Física clásica, lavelocidad de las partículas observadas es siempre muy pequeña comparadaa la velocidad de la luz (el límite es de aproximadamente 4/10 de ésta);además, los valores de la energía son muy elevados con respecto al quantumde energía de Plank.

La crisis de la física clásica

• Finales del siglo XIX, los físicos llegaron a pensar que el edificio de lasciencias estaba prácticamente completo.

• Sin embargo, en muy pocos años se realizaron varias experiencias quevinieron a demostrar lo contrario. Estos son los principales aspectos quehicieron que el edificio científico construido se derrumbara con granestrépito:

• La catástrofe ultravioleta

• El comportamiento de los calores específicos a temperaturasbajas

• El efecto Foto-eléctrico

• La radiactividad

La emisión de la radiación térmica del

cuerpo negro

• Mejor conocida como la catástrofe ultravioleta, La catástrofeultravioleta, es un fallo de la teoría clásica del electromagnetismo alexplicar la emisión electromagnética de un cuerpo en equilibrio térmicocon el ambiente y la resolución de este fallo dio origen a una nuevarama de la física: la mecánica cuántica.

• El origen de la teoría cuántica provino del lugar más inesperado posible.Se conecta con un fenómeno bien conocido que consiste en quecualquier cuerpo cuando se calienta lo suficiente comienza a brillar.Todos los cuerpos brillantes, desde una barra de hierro en el fuego hastael filamento de una bombilla incandescente, tienen un comportamientomuy semejante. Casi independientemente del material con que estáhecho el cuerpo, el color que toma depende sólo de su temperatura.

• Este es un hecho sorprendente y fue objeto de la investigación científicatratando de encontrar una explicación simple en términos de las leyesconocidas de radiación y calor.

¿En que consiste la mecánica cuántica?

• También conocida como la física cuántica o la teoría cuántica, esuna rama de la física que se ocupa de los fenómenos físicos a escalasmicroscópicas, donde la acción es del orden de la constantede Planck. Su aplicación ha hecho posible el descubrimiento ydesarrollo de muchas tecnologías.

• La mecánica cuántica describe, en su visión más ortodoxa, cómo encualquier sistema físico –y por tanto, en todo el universo– existeuna diversa multiplicidad de estados, los cuales habiendo sidodescritos mediante ecuaciones matemáticas por los físicos, sondenominados estados cuánticos. De esta forma la mecánica cuánticapuede explicar la existencia del átomo y desvelar los misterios dela estructura atómica, tal como hoy son entendidos; fenómenos queno puede explicar debidamente la física clásica o más propiamentela mecánica clásica.

El comportamiento de los calores

específicos a temperaturas bajas• El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de

masa para elevar la temperatura un grado Celsio. La relación entre calor ycambio de temperatura, se expresa normalmente en la forma que semuestra abajo, donde c es el calor específico. Esta fórmula no se aplica si seproduce un cambio de fase, porque el calor añadido o sustraído durante elcambio de fase no cambia la temperatura.

• La temperatura de un objeto está directamente relacionada con la energíacinética media de los átomos y las moléculas que componen dicho objeto. Elcalor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otrocomo consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipode energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denominaenergía térmica.

El efecto foto-eléctrico

• El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por HeinrichHertz en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodosconectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina conluz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicación teóricafue hecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionarioartículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”, basando suformulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobrelos cuantos de Max Planck.

• El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal ofibra de carbono cuando se hace incidir sobre él una radiaciónelectromagnética (luz visible o ultravioleta, en general)

• Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad eléctrica de lamateria o en diodos provocada por la luz. Descubierta por WilloughbySmith en el selenio hacia la mitad del siglo XIX.

• Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa enenergía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Frittsen1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.

La radiactividad• La radiactividad o radioactividad es un fenómeno físico natural, por el cual

algunos cuerpos o elementos químicos llamados radiactivos, emitenradiaciones que tienen la propiedad de impresionar placasfotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacosa la luz ordinaria, entre otros. Debido a esa capacidad, se les sueledenominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes).

• Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas, en forma de rayosX o rayos gamma, o bien corpusculares, como pueden ser núcleos dehelio, electrones o positrones, protones u otras.

• La radiactividad ioniza el medio que atraviesa. Una excepción lo constituyeel neutrón, que posee carga neutra (igual carga positiva comonegativa), pero ioniza la materia en forma indirecta.

• La radiactividad se aprovecha para la obtención de energía nuclear, se usaen medicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales(medidas de espesores y densidades, entre otras).

• La radiactividad puede ser:

• Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza.

• Artificial o inducida: manifestada por los radioisótopos producidos entransformaciones artificiales.

Referencias

• http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_cl%C3%A1sica

• http://cpreuni.blogspot.mx/2011/02/catastrofe-ultravioleta.html

• https://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_cu%C3%A1ntica

• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/spht.html

• http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm

• http://www.ulpgc.es/descargadirecta.php?codigo_archivo=5213

• http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoel%C3%A9ctrico

• es.wikipedia.org/wiki/Radiactividad

• https://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_cu%C3%A1ntica

• http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm

• http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/19/htm/sec_13.htm

GRACIAS POR SU ATENCION