Universidad Autónoma de Zacatecas Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica Programa del curso: Física Moderna Carácter Semestre recomendado Obligatoria 4º Sesiones Créditos Antecedentes Teoría 32 Lab 0 Teoría 7 Lab 0 Total 7 Electricidad, Magnetismo y óptica, Cálculo II Carreras: IE, ICE Tipo: Ciencias de la Ingeniería Fecha: 07 agosto, 2006 Descripción y objetivos del curso Descripción: El curso de Física Moderna comprende el estudio de la Física del siglo XX enfatizando los hechos científicos que no pudieron ser explicados por la física clásica y la forma en que, con la física moderna, pudieron explicarse. Se relacionan los avances tecnológicos actuales con las bases de la física moderna con el fin de explicar, a nivel microscópico, el funcionamiento de los dispositivos electrónicos actuales. También se revisan algunas aplicaciones de la energía nuclear y el papel del ingeniero actual como agente que transforma los recursos naturales en productos útiles y tangibles analizando el impacto ambiental y la responsabilidad de este impacto. Objetivo general: Estudiar las bases y fundamentos de la Física Moderna y la forma en que éstos explican el desarrollo actual de la tecnología. Al finalizar el curso, el estudiante estará capacitado para resolver cualquier problema concerniente con el mundo microcósmico. La aprobación del presente curso permitirá que el estudiante cuente con la información y la formación necesarias y suficientes (conceptual y operacional) para abordar los cursos relacionados con el estado sólido y los dispositivos electrónicos. Temario de sesiones del curso teórico Tema 1. Introducción (4 sesiones) Aprender el desarrollo de la Física, desde los Griegos hasta el nacimiento de la Física Moderna (diciembre de 1900), enfatizando en los hechos científicos no explicados por la Física clásica. 1
1.1.- Historia del Calor 1.2.- Historia de la Electricidad 1.3.- La Física Clásica 1.4.- Estado de la Física antes de 1900 1.5.- Hechos empíricos sin explicación 1.6.- Problemas no resueltos por la Física Clásica Tema 2. Problemas sin solución en 1900 (3 sesiones) Aprender los tres problemas que dieron pie a una nueva Física ; la forma en que fueron resueltos; enfatizando en las motivaciones personales y los personajes centrales y analizar el impacto de estos hechos. 2.1.- El Efecto Fotoeléctrico 2.2.- El Problema del Cuerpo Negro o la Catástrofe Ultravioleta 2.3.- La existencia del Éter Tema 3. Teoría de la Relatividad (3 sesiones) Aprender la teoría de la relatividad, separando la especial o restringida de la general. En la teoría especial se revisan los cambios en los conceptos de espacio, tiempo y energía en comparación con la definición de estos conceptos dados en la física clásica. 3.1.- Relatividad General 3.2.- Relatividad Especial o Restringida 3.3.- La masa en función de la velocidad 3.4.- El tiempo en función de la velocidad 3.5.- La longitud en función de la velocidad 3.6.- Relación entre la masa y la energía Tema 4. Modelos Atómicos (6 sesiones) Revisar la tecnología analítica de la espectroscopia a través de dos experimentos demostrativos estimulando que el estudiante intente explicar lo que observa. A partir de esto aprender el concepto de materia y dentro de ésta su manifestación discreta y continua; repasando el concepto de átomo y la evidencia experimental que dio pie a los diferentes modelos atómicos. 4.1.- Los espectroscopistas. 4.1.1.- Experimento con una vela 4.1.2.- Construcción y prueba de un espectrómetro con un CD y un DVD 4.2.- Modelo atómico de Demócrito 4.3.- Modelo atómico en los siglos XVI y XVII 4.4.- La relación entre la masa y la carga del electrón. 4.5.- Modelo atómico de Thomson, sus éxitos y fracasos. 4.6.- Modelo atómico de Rutherford, sus éxitos y fracasos. 4.7.- Modelo atómico de Bohr, sus éxitos y fracasos. 4.8.- Órbitas permitidas y prohibidas. Su relación con el estado sólido. Tema 5. La Ecuación de Schrodinger (6 sesiones) Aprender el origen y significado físico de la Ecuación de Schrodinger; Aprender a resolverla en tres sistemas coordenados, para 1, 2 y 3 dimensiones; para el caso estacionario y no estacionario. Aprender el significado físico de la solución y su aplicación para explicar los órbitales atómicos y el fenómeno del Efecto Túnel. 2
5.1.- La ecuación de Shrodinger 5.2.- La mecánica matricial de Jordan 5.3.- Solución de la Ecuación de Schrondinger 5.3.1.- Solución en Coordenadas Rectangulares 5.3.1.1.- 1-D, 2-D y 3-D 5.3.2.- Solución en Coordenadas Cilíndricas 5.3.2.1.- 1-D, 2-D y 3-D 5.3.3.- Solución en Coordenadas Esféricas 5.3.3.1.- 1-D, 2-D y 3-D 5.4.- Principio de Incertidumbre de Heinsenberg; implicaciones filosóficas y tecnológicas 5.5.- Principio de Exclusión de Pauli Tema 5. Física Nuclear (5 sesiones) Aprender los componentes de la estructura atómica y nuclear; estudiar los mecanismos de desintegración radiactiva, aprender el origen de la energía nuclear y su relación con el origen de la energía atómica y revisar los modelos nucleares. 5.1.- Estructura atómica 5.2.- Estructura nuclear 5.3.- Isótopos estables e inestables 5.4.- Ley de decaimiento radiactivo 5.5.- Formas de desintegración radiactiva 5.5.1.- Alfa 5.5.2.- Beta 5.5.3.- Gamma 5.6.- Radiactividad ambiental 5.6.1.- Experimento: Medición de la radiactividad natural 5.6.2.- Medición del espectro de la radiación gamma de fondo 5.7.- Origen de la energía nuclear 5.8.- Modelos del núcleo Modelo de la gota líquida Modelo de capas Modelo Estándard 5.9.- Antimateria Tema 6. Aplicaciones de la Energía Nuclear (5 sesiones) Revisar las aplicaciones, energéticas y no energéticas, de la energía nuclear, enfatizando el papel del ingeniero del siglo XXI en el uso de los recursos naturales con el mínimo impacto ambiental. Debatir sobre los aspectos éticos y morales de los usos bélicos así como los riesgos y beneficios de la energía nuclear. 6.1.- Aplicaciones en la medicina 6.2.- Aplicaciones en la industria 6.3.- Generación de energía eléctrica 6.4.- Aplicaciones bélicas 6.5.-Riesgos de la energía nuclear 6.6.- La Protección y seguridad de la energía nuclear Tema 7. Seminario de Investigación (2 sesiones) Fomentar las habilidades de expresión oral y escrita así como revisar la creatividad de los estudiantes a través de la exposición, por parte de los equipos colaborativos de trabajo, los resultados de los proyectos del curso. 3
Temario de sesiones de laboratorio Práctica 1 Observación del espectro visible producido durante la combustión de 3 sustancias Práctica 2 Demostración de la existencia de la radiactividad natural Práctica 3 Medición del espectro de la radiación gamma de fondo. Metodología de enseñanza y actividades de aprendizaje 1. Exposiciones mediante pizarron, cañon y demostraciones prácticas. 2. Visita al sistema de bibliotecas de la UAZ 3. Análisis de lecturas. 4. Discusiones de grupo. 5. Investigación independiente, exposición de resultados y redacción de reporte de investigación 6. Tareas 7. Debates Evaluación 1. Exámenes intermedio 30 % 2. Exámen final 20 % 3. Tareas 30 % 4. Proyecto final 15 % 5. Portafolio 5 % Herramientas de cómputo de apoyo 1. Sistema de cómputo algebraico (Mathematica y/o Matlab y/o Matcad) 2. Procesador de textos (MS Word) 3. Hoja de cálculo (MS Excel) 4. Lenguaje de programación (Fortran 90, Visual C o C++ o Basic o Fortran) Bibliografía Texto: 1. Física Cuántica: Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos y Partículas R. Eisber y R. Resnick LIMUSA, México DF, 1983 Referencias: 2. Introducción a las Ciencias Nucleares J.F. Lugo y cols Centro Regional de Estudios Nucleares, Zacatecas, 1987 4
3. Quantum Methods with Mathematica J. M. Fegain Springer Verlag, New York, 1994 4. Problems in Quantum Mechanics F. Constantinescu y E. Magyari Pergamon Press, Oxford, 1971 5. Introduction to Nuclear Reactions G.R. Satchler Oxford University Press, New York, 1990 6. Fundamentals of Nuclear Physics N.A. Jelley Cambridge University Press, Cambridge,1990 Lecturas seleccionadas de las siguientes revistas: Revista Mexicana de Física Editada por la Sociedad Mexicana de Física American Journal of Physics Editada por la American Association of Physics Teachers The Physics Teachers Editada por American Association of Physics Teachers Chemical Education Editada por American Chemical Society Estos artículos están disponibles en la página del curso que se puede acceder a través del portal http://fermi.infinites.net 5