RADIACIÓ TÈRMICA: energia electromagnètica que emet un cos a causa de la seva temperatura. La composició del cos La temperatura del cos.

Transcripción

1 A finals del segle XIX i principis del XX. Fenòmens físics que posen de manifest les limitacions de la física clàssica: Radiació tèrmica del cos negre Efecte fotoelèctric Espectres atòmics RADIACIÓ TÉRMICA DEL COS NEGRE RADIACIÓ TÈRMICA: energia electromagnètica que emet un cos a causa de la seva temperatura. Depèn de: La composició del cos La temperatura del cos L energia s emet en forma d ones electromagnètiques amb tot el ventall possible de longituds d ona de l espectre electromagnètic COS NEGRE: cos tal que la seva radiació tèrmica tant sols depèn de la seva temperatura. Un cos que absorbeix tota la radiació que li arriba es comporta com un cos negre Capsa amb un orifici petit i les parets interiors negres

2 Energia emesa per m 2 i per segon Llei de STEFAN-BOLTZMAN: l energia emesa per unitat de temps i per unitat de superfície, per un cos negre a una temperatura T ve donada per: 4 4 P T Per a una superfície S: P T S 5, W m 2 K 4 constant de Stefan-Boltzman Llei de desplaçament de WIEN: La longitud d ona per a la qual es produeix la màxima emisió d energia és inversament proporcional a la temperatura del objecte que emet la radiació. màx T 2, m K 2, m K La longitud d ona per a la que es produeix la màxima radiació es desplaça cap a la dreta en disminuir la temperatura del cos negre. La quantitat de radiació emesa (àrea sota la corba) augmenta al augmentar la temperatura del cos.

3 HIPÒTESIS DE PLANCK En la teoria clàssica es suposava que l energia de les radiacions era directament proporcional a la temperatura, i que per longituds d ona petites augmentava indefinidament. Cosa que contradiu els resultats experimentals (catàstrofe ultraviolada). Hipòtesis de PLANCK: Els àtoms o molècules que emeten radiació es comporten com a oscil ladors armònics que tant sols poden absorbir o emetre energia en quantitats discretes (quàntums o fotons) i proporcionals a la seva freqüència d oscil lació E nhf h = constant de Planck = 6, J s n = 1, 2, 3,... = nombre quàntic Energia d un quàntum E 0 = h f

4 EFECTE FOTOELÈCTRIC En incidir un feix de llum sobre determinades superfícies metàl liques, aquestes superfícies desprenen electrons (fotoelectrons) Hertz--Hallwachs Segons la física clàssica l energia que aporta l ona electromagnètica ha de ser proporcional a la intensitat de la llum incident. Per tant a partir d aquesta idea era d esperar que: 1. En augmentar la intensitat de la radiació incident, els electrons emesos han d adquirir una major energia cinètica i per tant una velocitat major. 2. Per a qualsevol freqüència de la llum incident s ha de produir l emissió d electrons. 3. Entre l inici de la il luminació del metall i la primera emissió hi ha d haver un temps de transició. Sorprenentment es va observar precisament l efecte contrari. 1. En augmentar la intensitat de la radiació, la velocitat dels electrons és la mateixa. El que sí s observa és un augment del nombre d electrons que salten del metall. 2. No es produeix l emissió d electrons per sota d una freqüència mínima i que és característica de cada metall. Aquesta freqüència s anomena freqüència llindar (f 0 ). 3. No existeix el temps de transició entre l'inici de la irradiació i la primera emissió.

5 L any 1916 Albert Einstein va solucionar les aparents contradiccions plantejades en el paràgraf anterior. Aprofitant la idea de Max Planck sobre la quantització de l energia, va establir que: 1. La llum que incideix sobre els electrons no ho fa com una ona sinó que ho fa com un flux de partícules. Aquestes partícules s anomenen fotons. 2. L energia d un fotó coincideix amb el quantum d energia suposat per Max Planck (E fotó = h f) 3. Cada electró del metall absorbeix un fotó de llum. L energia del fotó serveix per arrancar-lo del metall i proporcionar-li velocitat. E c (electró) = E fotó - W extracció del electó E c = h f - W Si el treball d extracció és mínim (electró més dèbilment enllaçat) E c màx = h f W 0 W 0 : funció de treball = mínima energia per arrancar un electró del metall (característica del metall) Si h f < W 0 no hi ha emisió d electrons Quan h f0 = W0 f0 és la mínima freqüència que ha de tenir la radiació incident per tal d arrancar un electró del metall (freqüència llindar) (característica de cada metall).

6 EFECTE COMPTON Quan sobre un electró incideix un fotó amb energia E = h f, suficientment gran, s observa que l electró surt amb velocitat v en una direcció que forma un angle ϕ amb la del fotó incident i al mateix temps apareix un altre fotó difractat d energia E1 = h f1 < h f que forma un angle θ (angle de difusió) amb la direcció d incidència. λ1 > λ Es conserven tant l energia com el moment lineal o quantitat de moviment del sistema Energia: Quantitat de moviment: Compton va demostrar que: Eix X: Eix Y:

7 DUALITAT ONA PARTÍCULA Hipòtesis de LOUIS DE BROGLIE: La matèria, especialment els electrons, presenta com la llum un doble aspecte: ondulatori, caracteritzat per la seva longitud d ona λ i la seva freqüència f, i corpuscular, caracteritzat per la seva energia E i quantitat de moviment p, que al igual que en el cas de fotó és: E = h f PRINCIPI D INETERMINACIÓ DE HEISEMBERG Existeixen certs parells de magnituds físiques, com la posició i la quantitat de moviment, o l energia i el temps, que no es poden mesurar simultàniament amb exactitud en el cas d un objecte quàntic, ja que quant més exactament es vol mesurar una de les magnituds del parell, menys exacte serà el mesurament de l altra. Δx: indeterminació en la posició Δp: indeterminació en la quantitat de moviment ΔE: indeterminació en l energia Δt: indeterminació en el temps