Fotones-Propiedades corpusculares de la radiación 45

Transcripción

1 &C.A:tQ -~ 2 E. 'S 2ol~ c-t Contenido Radiación térmica y el postulado de Planck l Introducción 19 Radiación térmica 19 Teoría clásica de la cavidad radiante 24 Teoría de Planck de la cavidad radiante 31 Aplicación de la ley de Planck de la radiación en termometría El postulado de Planck y sus-implicaciones 39 Breve historia del quantum Fotones-Propiedades corpusculares de la radiación ' Introducción 47 El efecto fotoeléctrico 47 Teoría cuántica de Einstein del efecto fotoeléctrico 50 El efecto Compton 55 Naturaleza dual de la radiación elect~omagnética 61 Fotones y emisión de rayos X 62 Producción y aniquilación de pares 65 Secciones transversales para absorción y dispersión de fotones 3 Postulado de de Broglie. Propiedades ondulatorias de las partículas Ondas de materia 81 Dualidad onda-partícula 88 El principio de incertidumbre 91 Propiedades de las ondas de materia 95 Algunas consecuencias del principio de incertidumbre 105 Filosofía de la teoría cuántica

2 8 CONTENIDO Modelo de Thomson Modelo de Rutherford Estabilidad del átomo nuclear Espectros atómicos 126 Postulados de Bohr 129 Modelo de Bohr 130 Modelo atómico de Bohr Corrección por masa nuclear finita Estados de energía atómica Interpretación de las reglas de cuantización Modelo de Sommerfeld El principio de correspondencia Una crítica a la teoría cuántica antigua 151 Teoría de Schrodinger de la mecánica cuántica Introducción Argumentos de plausibilidad que conducen a la ecuación de Schrodinger Interpretación de Born de las funciones de onda Valores de expectación La ecuación de Schrodinger independiente del tiempo Propiedades requeridas para las eigenfunciones Cuantización de la energía en la teoría de Schrodinger Resumen Soluciones a las ecuaciones de Schrodinger independientes del tiempo Introducción 217 El potencial cero 218 Potencial escalón (energía menor que la altura del escalón) Potencial escalón (energía mayor que la altura del escalón) La barrera de potencial 240 Ejemplos de penetración de barrera por partículas 247 Potencial de pozo cuadrado 251 Potencial de pozo cuadrado infinito Potencial de oscilador armónico simple Resumen Introducción 279 Desarrollo de la ecuación de Schrodinger Atomos con un electrón 277

3 CONTENIDO Separación de la ecuación independiente del tiempo Solución de las ecuaciones Eigenvalores, números cuánticos y degeneración Eigenfunciones Densidades de probabilidad Impulso angular orbital Ecuaciones de eigenvalores Momentos magnéticos dipolares, spin y razones de transición Introducción Momentos magnéticos dipolares orbitales Experimento de Stern-Gerlach y spín del electrón Interacción spín-órbita Momento angular total Energía de interacción spín-órbita y niveles de energía del hidrógeno Razones de transición y reglas de selección Comparación entre las teorías cuánticas antigua y moderna Atomos multielectrónicos-estados hase y excitaciones de rayos X 353 Introducción 355 Partículas idénticas 356 El principio de exclusión 362 El átomo de helio y las fuerzas de intercambio 365 Teoría de Hartree 374 Resultados de la teoría de Hartree Estados base de átomos m u! tielectrónicos y la tabla periódica Espectros de líneas de rayos X 393 Atomos multielectrónicos-excitaciones ópticas Introducción A tomos alcalinos Atomos con varios electrones ópticamente activos Acoplamiento LS 416 Niveles de energía del átomo de carbono 422 El efecto Zeeman 425 Resumen

4 1 0 CONTENIDO 11 Estadística cuántica 437 ll-1 Introducción 439 ll-2 lndistinguibilidad y estadística cuántica 440 ll-3 Funciones de distribución cuánticas 444 ll-4 Comparación de las funciones de distribución 447 ll-5 Calor específico de un sólido critalino 452 ll-6 La distribución de Boltzmann como una aproximación a las distribuciones cuánticas 456 ll-7 Ellaser 457 ll-8 ll-9 ll-10 ll-ll ll-12 ll-13 Gas de fotones 463 Gas de fonones 464 Condensación de Bose y Helio líquido 465 El gas de electrones libres 471 Potencial de contacto y emisión termiónica 474 Descripciones clásica y cuántica del estado de un sistema Moléculas Introducción Enlaces iónicos Enlaces covalentes Espectros moleculares Espectros rotacionales Espectros vibro-rotacionales Espectros electrónicos El efecto Raman Determinación del spin nuclear y características de simetría 504 Sólidos-Conductores y semiconductores Introducción 515 Tipos de sólidos 515 Teoría de bandas de los sólidos Conducción eléctrica en metales Modelo cuántico del electrón libre Movimiento de electrones en una red periódica Masa efectiva 534 Semiconductores 538 Dispositivos semiconductores

5 CONTENIDO Sólidos-Superconductores y propiedades magnéticas Superconductividad 557 Propiedades magnéticas de sólidos 566 Paramagnetismo 567 Ferromagnetismo 571 Antiferromagnetismo y ferrimagnetismo Modelos nucleares Introducción 585 Generalidades sobre algunas propiedades nucleares 587 Dimensiones y densidades nucleares Masas nucleares y sus abundancias Modelo de gota 604 Números mágicos 607 Modelo del gas de Fermi 609 Modelo de capas 612 Predicciones del modelo de capas Modelo colectivo 622 Resumen Decaimiento nuclear y reacciones nucleares Introducción 635 Decaimiento Alfa 635 Decaimiento Beta 642 Interacción por decaimiento Beta 653 Decaimiento Gamma 660 El efecto Mossbauer 666 Reacciones nucleares 669 Estados excitados de los núcleos 679 Fisión y reactores 683 Fusión y origen de los elementos 688 Introducción 701 Fuerzas nucleónicas 701 lsospín 715 Piones 717 Muones 725 Extrañeza Partículas elementales

6 12 CONTENIDO 17-7 Interacciones fundamentales y leyes de conservación Familias de partículas elementales Hipercarga y Cuarks 739 Apéndice A Teoría especial de la relatividad 7 49 Apéndice B Radiación de una carga acelerada 769 Apéndice C Distribución de Boltzmanri 773 Apéndice D Trayectorias en la dispersión de Rutherford 781 Apéndice E Cantidades complejas 785 Apéndice F Solución numérica de la ecuación de Schrodinger independiente del tiempo para un potencial de pozo cuadrado 789 Apéndice G Solución analítica de la ecuación de Schrodinger independiente el tiempo para un potencial de pozo cuadrado 795 Apéndice H Solución en serie de la ecuación de Schrodinger independiente del tiempo para un potencial de oscilador armónico simple 801 Apéndice 1 El laplaciano y los operadores de impulso angular en coordenadas polares esféricas 807 Apéndice J La precesión de Thomas 811

7 CONTENIDO 13 Apéndice K El principio de exclusión en el acoplamiento LS 815 Apéndice L Referencias 819 Apéndice M Respuestas a problemas seleccionados 821 Apéndice N Constantes usuales y factores de conversión 823 lndice 825