Física Contemporánea con Laboratorio p. 1

Transcripción

1 Física Contemporánea con Laboratorio Javier M. Hernández FCFM - BUAP Primavera 2015 Física Contemporánea con Laboratorio p. 1

2 Física clásica Física Clásica (ca. 1880) Teoría: Newton, Maxwell, Gibbs Exps: óptica, electrodinámica, termodinámica, mecánica La imagen mecanicista del Universo pero la física es una ciencia experimental : radiación EM < >EM (Faraday) Los resultados experimentales cruciales entre 1850 y 1900 Física Contemporánea con Laboratorio p. 2

3 Experimentos, experimentos, : espectros de la materia (Kirchhoff y Bunser) 1862: cuerpo negro (Kirchhoff) : experimentos de Tyndall, deducción de Stefan, derivación de Boltzmann, ley de Stefan-Boltzmann 1880: Rayos catódicos de Crookes 1887: Experimento de Michelson-Morley Efecto fotoeléctrico (Hertz) 1893: espectro de radiación térmica (cuerpo negro) a bajas frecuencias (Wien) Física Contemporánea con Laboratorio p. 3

4 Experimentos, experimentos, : Rayos catódicos = e- (Perrin) = rayos X (Roentgen) 1896: Rayos X naturales (Becquerel) 1897: Rayos catódicos = e- (Thomson) : ley de Rayleigh-Jeans para emisión EM de un cuerpo en equilibrio térmico 1900: Cuantización de la energía (Planck) rayos gamma de la radioactividad (Villard) Física Contemporánea con Laboratorio p. 4

5 Problema 1. Entendiendo a los átomos La materia es discreta: átomos Gay-Lussac, Dalton - Química leyes de combinación discretas masa atomica relativa C densidad diamante =.012kg 3500kg/m 3 = m m atomos/mol = m 3 /atomo Volumen de un átomo, lado = m radio de un átomo m, y por qué no 10 6 m? Física Contemporánea con Laboratorio p. 5

6 Problema 2. Espectroscopía Luz amarilla de Na sobre una rejilla de difracción líneas espectrales frecuencias discretas senθ n = nλ/d Cada elemento/material tiene un patron individual de líneas espectrales (análisis químico) Desde 1860 ya se tenian un monton de espectros, pero cómo los interpretaban? Por qué sólo tenían líneas discretas? Física Contemporánea con Laboratorio p. 6

7 El experimento 1885, Balmer se fijó en el átomo mas simple: Hidrógeno Experimento (parte visible): nm, nm, nm, nm (6 cifras significativas = bien medidas) Serie y fórmula de Balmer n 2 λ = ( n 2 )nm, n = 3,4,5,6 4 Qué pasa si n = 7,8,9,... Prediccion: UV y ahí se encontraron! Física Contemporánea con Laboratorio p. 7

8 Problema 3. la radiación del cuerpo negro Cuerpo calientes emiten radiación EM: intensidad aumenta con T, por ejemplo luz roja obscura a 600 C luz naranja a 1000 C (radiación térmica) luz blanca a 1400 C Intensidad varía suavemente, no de manera discreta! Por qué el cuerpo negro? espectro de un CN ideal sería el emitido por un objeto que emitiera y absorbiera de manera perfecta la radiación. Objetos negros al Sol se calientan mas que los blancos Física Contemporánea con Laboratorio p. 8

9 Problema 3. la radiación del cuerpo negro III Una casa con una ventana peque na en un día soleado! cavidad OK, 1890 espectros de CN bien medidos pero y cómo? Física clásica: teorema de la equipartición de la energía (democracia) Un sistema en equilibrio térmico a temperatura T (K) con n grados de libertad, a cada gdl le corresponde una energía de 1 2 kt (de aqui podemos obtener la ley de gases ideales) El espectro de CN debe de depender sólo de la radiación EM y no del material del objeto! Física Contemporánea con Laboratorio p. 9

10 radiación CN catastrofe UV I = 8πkT λ λ 4, Física Contemporánea con Laboratorio p. 10

11 Problema 4. Comprendiendo el efecto fotoeléctrico 1887, Hertz; 1902, Lenard Exp: sólo sucede a determinadas frecuencias de la luz MecClas: debe pasar para todas las frecuencias Exp: casi no hay tiempo de retardo MecClas: debe de existir un tiempo de retardo Exp: energía cinética máxima de los e expulsados no depende de la intensidad de la luz, sólo de la frecuencia MecClas: energía cinética máxima depende de la intensidad Física Contemporánea con Laboratorio p. 11

12 Problema 5. Dónde está el eter? 1860, Maxwell determina que los fenómenos eléctricos y magnéticos son parte de un solo proceso, las ecuaciones de Maxwell conducen a la existencia de la radiación EM (ondas) y predicen una velocidad de ondas: c (la velocidad de la luz), pero velocidad respecto a qué? qué vibra? Pues el eter!! 1890, Michelson-Morley buscan medir el movimiento de la Tierra respecto al eter y no encuentran nada! No hay necesidad del eter! Física Contemporánea con Laboratorio p. 12

13 Soluciones (por tiempo) 1900, Planck, CN Requerimos que I decrezca rápidamente cuando λ 0 i.e. teo. equipartición de la energía no es válido! Energía cuantizada E = hν y hc λ (ehc/λkt 1) kt ley de radiación de Planck (Ok con los experimentos) h = Js Física Contemporánea con Laboratorio p. 13

14 1905, Einstein, efecto fotoeléctrico le hizo caso a Planck: E = hν energía de un cuanto (foton) de luz!!! Bastantes pequeños, p.ej. luz roja, ν = Hz, E = J, un foco de 100 W emite fotones/segundo (con solo una eficiencia del 3%) 1 2 m ev 2 max = hν φ mat Física Contemporánea con Laboratorio p. 14

15 1905, Einstein, no eter No se necesita el eter si la velocidad de la luz es absoluta: velocidad máxima de cualquier objeto: pero hay que cambiar la dinámica para que concuerde con ello Postulados de Einstein: c como velocidad límite de los objetos, y la obviedad de un sistema inercial preferente de referencia El mundo es 4D!! TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL Física Contemporánea con Laboratorio p. 15

16 1911, Rutherford, como son los átomos Una fuente radiactiva irradia hacia una placa de oro, vemos que puede pasar: La mayor parte del peso se lo lleva el núcleo (+) y la carga (-) se concentra afuera de él, pero nos lleva a que el átomo es inestable!! (un e acelerado emite radiación cae al núcleo!!! 1913, Bohr, Postulado 1. El e esta confinado a moverse solo en las órbitas donde L = nh/2π y el e no emitirá radiación r = n 2 a o, a o = 4πǫ o h 2 /(m e e 2 ) = m (radio de Bohr) Física Contemporánea con Laboratorio p. 16

17 Bohr Postulado 2. Un cuanto de radiación se emite cuando un e pasa de una órbita a otra con menor energía: E = hν E n = E 1 /n 2, E 1 = J = 13.6eV λ = ch/ E λ n q = (ch/e 1 )( n2 q 2 si q = 2 obtenemos la fórmula de Balmer!!! n 2 q 2) = ( n2 q 2 n 2 q 2)nm Física Contemporánea con Laboratorio p. 17

18 Aun hay más... Pero en la fórmula de Bohr queda claro que pueden haber mas transiciones y de otros tipos, para q = 1,3,4,5,... Lyman, Paschen, Brackett, Pfund Pero este fue el inicio de la MECÁNICA CUÁNTICA Física Contemporánea con Laboratorio p. 18

19 Más experimentos 1912: Difracción de rayos X (von Laue) 1913: Difraccion de Bragg Espectro de H/modelo atómico de Bohr (Bohr) carga de e- = carga cuantizada = Experimento de Millikan (Millikan) 1914: cuantización de energía en átomos = Experimento de Franck-Hertz 1918: proton (Rutherford) 1919: transmutación de elementos químicos (Rutherford) : hipótesis de De Broglie 1929: Difraccion de electrones (Difraccion de electrones) 1930: defecto de masa 1932: neutrón (Chadwick) Física Contemporánea con Laboratorio p. 19