Teoría Cuántica A. Einstein N. Bohr W. Heisenberg P. A. M. Dirac E. Schrödinger M. Planck
Circuitos impresos (Si) Diodo Transistor Materiales semiconductores: La MICROELECTRÓNICA Aplicaciones de la mecánica cuántica La revolución del siglo XX Walter H. Schottky
LED’s RGB Azul (GaN) U.V (Si) Ventajas: Bajo consumo y alta eficiencia OPTOELECTRÓNICA Aplicaciones de la mecánica cuántica La revolución del siglo XX Tubos fluorescentes Iluminación: Conseguir luz blanca Sustitución de bombillas y tubos fluorescentes Iluminación de ciudades Láseres Investigación Códigos de barras Metrología Telecomunicaciones Medicina
Células solares Investigación espacial Energías renovables Aplicaciones de la mecánica cuántica La revolución del siglo XX
Física actual Cosmología moderna ¿De qué está hecho el universo? ¿Materia oscura? ¿¿Energía oscura?? ¡No sabemos qué es el 96% del universo!
Física actual El origen de la masa ¿Qué es la masa? Newton Einstein “Los cuánticos” La masa es una propiedad de las partículas Peter Higgs Pero ahora pensamos otra cosa… La masa es un efecto de la interacción con una partícula… EL BOSÓN DE HIGGS Nadie lo ha visto todavía…
Física actual El origen de la masa 27 km de longitud El LHC Detectores gigantescos The Large Hadron Collider (LHC)
El Gran Colisionador de Hadrones ( LHC ) es considerado como "uno de los grandes hitos de la ingeniería de la humanidad". [ 1 ] Fue construido por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) de 1998 a 2008, con el objetivo de permitir a los físicos para poner a prueba las predicciones de diferentes teorías de la física de partículas y la física de alta energía , y sobre todo probar o refutar la existencia de la teoría de Higgs partículas [ 2 ] y de la gran familia de nuevas partículas predichas por supersimétrica teorías . [ 3 ] La partícula de Higgs fue confirmada por los datos del LHC en 2013. Se espera que el LHC para abordar algunas de las cuestiones sin resolver de la física , promoción de la comprensión humana de las leyes físicas . Contiene siete detectores cada uno diseñado para tipos específicos de exploración. El LHC fue construido en colaboración con más de 10.000 científicos e ingenieros de más de 100 países, así como cientos de universidades y laboratorios. [ 4 ] Se encuentra en un túnel de 27 kilómetros (17 millas) de circunferencia, a una profundidad de 175 metros (574 pies) por debajo de la frontera franco-suiza cerca de Ginebra , Suiza .
Física actual Instalaciones subterráneas Millones de partículas producidas ¡La relatividad en funcionamiento! El origen de la masa El LHC
Física actual
El experimento más caro de la historia (6000 millones de euros) ¡Y se ha puesto en marcha en 09/2008 La máquina más grande del mundo (27 km de longitud – 8,5 km de diámetro) Temperaturas extremadamente bajas (1.9 K = – 271ºC) El origen de la masa El LHC
Física actual El origen de la masa El LHC
La mecánica cuántica amplió gradualmente el conocimiento de la estructura de la materia, proporcionó una base teórica para la comprensión de la estructura atómica, y resolvió las grandes dificultades que preocupaban a los físicos en los primeros años del siglo XX tales como: El espectro de radiación de los cuerpos calientes (Kirchhoff 1860) Radiación de los cuerpos negros El efecto fotoeléctrico (Hertz 1887) La generación de rayos X (Roentgen 1895). El efecto Compton
RADIACION DEL CUERPO NEGRO
Gustav Kirchhoff
La ley de Kirchhoff establece que un cuerpo que es buen emisor de energía es también buen absorbedor de dicha energía. Así, los cuerpos de color negro son buenos absorbedores y el cuerpo negro es un cuerpo ideal, no existente en la naturaleza, que absorbe toda la energía Un cuerpo negro a mayor temperatura emite mayor cantidad de radiación y a longitudes de onda más cortas mientras que un cuerpo a menor temperatura emite poca intensidad en longitudes de onda largas.
Stefan Boltzman
La ley de Stefan-Boltzmann establece que un cuerpo negro emite radiación térmica con una potencia emisiva hemisférica total (W/m²) proporcional a la cuarta potencia de su temperatura:
1.- La intensidad total de la radiación (área bajo la curva) es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. Ley de Stefan Boltzmann
W. Wien
La ley del desplazamiento de Wien Formulada en 1893 por el físico alemán Wilhelm Wien, expresa de manera cuantitativa el hecho empírico mediante el cual el pico o máximo de emisión en el espectro de un cuerpo negro se desplaza hacia longitudes de onda más cortas (frecuencias mayores) a medida que aumenta la temperatura
Ley de Wien La longitud de onda para la cual la intensidad es máxima sufre un corrimiento al violeta cuando la temperatura aumenta . Especifica que hay una relación inversa entre la longitud de onda en la que se produce el pico de emisión de un cuerpo negro y su temperatura.
Raleigh
Los físicos lord Rayleigh (1842-1919) y James Jeans (1877-1946) interesados en encontrar una ecuación que pudiera explicar el comportamiento de la radiación del cuerpo negro, apoyados en la introducción de la mecánica a la teoría electromagnética y a la mecánica estadística clásica, se vieron en un dilema cuando dicha fórmula predice que el cuerpo negro presentaría un espectro que está en total desacuerdo con los hechos experimentales.
Entre 1900 y 1905 lord Rayleigh y James Jeans generaron un cálculo decisivo para definir la densidad de energía en función de la frecuencia. “Era elegante, se deducía de manera lógica a partir de las teorías conocidas… y predecía que un cuerpo negro debería emitir una energía infinita”. A partir del razonamiento termodinámico, pudieron explicar la forma de la curva para frecuencias pequeñas; Wilhelm Wien, físico interesado también en el problema del denominado cuerpo negro, hizo lo mismo para frecuencias grandes, aunque ninguno de los tres, Rayleigh-Jeans y Wien, pudo obtener la forma completa de la curva.
Graficas Teóricas y Experimentales
Debido a que dicha curva a partir de la fórmula de Rayleigh – Jeans no se ajustaba para longitudes de onda cortas, la fórmula teórica era inadmisible. Esto representaba un problema real, la incongruente contradicción con la experiencia a que condujo la estadística clásica, llevó a los contemporáneos a llamar a la situación que así se producía "catástrofe ultravioleta", pues la divergencia se producía para pequeñas longitudes de onda, en la región ultravioleta. Históricamente fue éste el primer caso bien estudiado de completa inadecuación de los conceptos clásicos.
La catástrofe ultravioleta, término sugestivo a la importancia de la falla y al inconveniente de los ámbitos académicos, al comprobar cómo un problema se resistía al cálculo más poderoso de la física. Algo faltaba, la salida a tan nombrada contradicción debía buscarse por fuera de las leyes de física clásica, pero ¿en donde?, ¿como? y ¿quien?
Ley de Lord Rayleigh Lord Rayleigh presento un calculo clásico para la energía radiada. Predecía que un cuerpo negro debería emitir una energía infinita "catástrofe ultravioleta”"
Planck
A principios del siglo XX, los físicos aún no reconocían claramente que éstas y otras dificultades de la física estaban relacionadas entre sí. El primer avance que llevó a la solución de aquellas dificultades fue la introducción por parte de Planck del concepto de cuanto, como resultado de los estudios de la radiación del cuerpo negro realizados por los físicos en los últimos años del siglo XIX. Max Planck La interpolación matemática de las ecuaciones de Wien y Rayleigh fue una de las contribuciones mas importantes a la física
Cuerpo Negro Un objeto ideal que absorbe toda la radiación que llega a su superficie se llama “cuerpo negro”. Un cuerpo negro es también un emisor perfecto de radiación y emite la máxima cantidad de energía a cualquier temperatura Para determinar con precisión la radiación térmica se elige el cuerpo negro
La energía irradiada por unidad de área, por unidad de tiempo y por intervalo de longitud de onda, emitida por un cuerpo negro, se llama radiancia (R) Max Planck diseño una formula para que describiera las curvas reales obtenidas experimentales Ley de Max Planck
Lo que hizo Planck fue diseñar una fórmula matemática que describiera las curvas reales con exactitud; después dedujo una hipótesis física que pudiera explicar la fórmula:
Hipótesis de Planck:
Los átomos se comportan como osciladores que vibran con una determinada frecuencia. La energía que emiten estos osciladores no es continua sino mas bien discreta (cuantizada) La energía sólo se puede intercambiar en forma de “cuantos”. La energía de un “cuanto” es igual a E=nh? donde h = 6,63 × 10-34 J s (constante de Planck)
EFECTO FOTOELECTRICO
Lentes y óptica Mayo 2004 Luz Electrones La iluminación de una superficie metálica con un haz de luz tiene como resultado la extracción de electrones libres desde la superficie Efecto Fotoeléctrico
La teoría ondulatoria sugiere que se liberarán electrones con una energía cinética mayor, a medida que la luz que incide sobre el metal se hace más intensa, sin embargo los experimentos mostraron que la máxima energía cinética posible de los electrones emitidos sólo depende de la frecuencia de la luz incidente y no de su intensidad.
La teoría ondulatoria sugiere que cualquier radiación será capaz de arrancar fotoelectrones de la superficie metálica si tiene la intensidad suficiente, sin embargo, los experimentos demuestran que sólo la radiación con una frecuencia mayor a un cierto valor mínimo (frecuencia de corte) arranca electrones. La teoría ondulatoria sugiere que para arrancar los primeros electrones debe transcurrir un tiempo (llamado tiempo de retardo) en el cual el electrón acumula un mínimo de energía necesaria para poder desprenderse de la superficie, sin embargo, los experimentos demuestran que los electrones son arrancados casi instantáneamente. Albert Einstein
Recurriendo a la hipótesis de Planck, Einstein consideró la luz como un conjunto de "proyectiles", que cuando chocan contra un electrón libre del metal le entregan su energía, y si tienen la cantidad suficiente, el electrón es expulsado del metal, en caso contrario (por debajo de una determinada frecuencia de corte), no logran arrancar electrones. Es la energía mínima para desprender un electrón Es la frecuencia de corte por debajo de el no hay emisión
Se puede medir la energía cinética máxima invirtiendo la polaridad de la fuente y dándole un valor suficiente (llamado potencial de frenado Vo), de manera que frene a los electrones más energéticos. En este caso la energía cinética será igual al trabajo hecho contra el campo eléctrico
Si la Intensidad de la luz se incrementa para una luz de frecuencia constante, se observa que cuando el potencial es positivo las curvas son constantes lo que indica que todos los foto electrones son captados por el ánodo. Si el potencial se hace negativo para reducir la corriente a cero el potencial de frenado no varia con la intensidad de la luz
Si se varia la frecuencia manteniendo constante la intensidad de la luz , el potencial de frenado crece . El potencial de frenado es función de la frecuencia
El potencial de frenado depende de la frecuencia , manteniendo constante el material. Se puede determinar el valor de h y la función trabajo como h/e Cuanto mayor es la función trabajo mayor es la frecuencia umbral necesaria para emitir electrones
La frecuencia umbral depende del tipo de metal usado. Para determinado material la energía cinética de los electrones emitidos es independiente de la intensidad y depende sólo de la frecuencia de la luz. La emisión de electrones es casi instantánea. El número de fotoelectrones emitidos es proporcional a la intensidad de la luz incidente. El potencial de frenado varía linealmente con la frecuencia. Los electrones absorben la energía de un fotón por completo o simplemente no absorben nada. Recordamos que:
e v = 1,6 x 10 -19 J me = 9,11 x 10 -31 kg
Resumen
RAYOS X
Los rayos X son radiación electromagnética altamente penetrante, con una longitud de onda menor que la de la luz visible. Son generados bombardeando un blanco metálico (generalmente de volframio) con electrones de alta velocidad en un proceso inverso al seguido en el efecto fotoeléctrico Wilhelm Conrad Roentgen. Físico alemán galardonado con el premio Nobel de Física en 1901, por su descubrimiento de una radiación invisible más penetrante que la radiación ultravioleta a la que denominó rayos X Rayos X
La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma, cuya longitud de onda está entre 10 pm a 10 nm (de 0,1 a 100 Angstrom), correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 30 000 petahertz (PHz) (se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma).
Ánodo Rayos X Cátodo calentado Electrones La radiación electromagnética emitida cuando los electrones acelerados por una diferencia de potencial Vo son frenados violentamente al chocar con la superficie metálica Ánodo
Los rayos x son producto de la desaceleración rápida de electrones muy energéticos (del orden 1000 eV) al chocar con un blanco metálico. Según la mecánica clásica, una carga acelerada emite radiación electromagnética, de este modo, el choque produce un espectro continuo de rayos x (a partir de cierta longitud de onda mínima). Sin embargo experimentalmente, además de este espectro continuo, se encuentran líneas características para cada material.
Actualmente los rayos x se generan artificialmente en los denominados tubos de rayos x. Un acelerador de electrones dentro del tubo dispara electrones de alta energía en un blanco metálico hecho de átomos pesados, tales como el tungsteno. Los rayos x salen debido a un proceso atómico inducido por los electrones energéticos que inciden en el blanco.
Emisión K- shell
Bremsstrahlung
Longitud de onda mínima
Despreciando la energía inicial de los electrones termiónicos y cualquier pérdida de energía en el impacto( K’), la energía de los fotones X debe ser igual a la energía cinética de los electrones acelerados La energía potencial eVo se convierte en energía cinética del electrón que cuando choca contra el blanco genera rayos X
Experimentalmente se obtiene la curva que se muestra en la figura donde se observa la longitud de onda mínimo contradice la predicción de la física clásica Las longitudes de ondas característicos de los rayos X son del orden de 10-11 m
Espectro de radiación
El espectro continuo de rayos x comienza en una longitud de onda mínima rigurosamente determinada por el voltaje acelerador, aumenta de intensidad al aumentar la longitud de onda, alcanza un máximo al cabo de varias décimas de Angstron a partir de la frontera de ondas cortas, y luego decrece lentamente. Observe que la longitud de onda mínima para un voltaje de 40 kV es la mitad que la respectiva longitud de onda mínima para un voltaje de 20 kV.
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