Física Cuántica Por:

Anna Keren Sánchez JuárezRebeca Ruiz

Iván Soto

¿Qué es la física cuántica?

O La física, o mecánica cuántica, estudia el comportamiento de la materia cuando las dimensiones de ésta son tan pequeñas que empiezan a notarse extraños efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud la posición de una partícula o simultáneamente su posición y velocidad, sin afectar a la propia partícula.

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Principios básicos de la física cuántica

O Los principios básicos de la física cuántica son fundamentalmente dos. El primero es que las partículas intercambian energía en múltiplos enteros de una cantidad mínima posible, es el llamado quantum de energía. El segundo es que la posición teórica de las partículas está dada por una función probabilística, es decir que no es una certeza sino más bien una posibilidad.

SurgimientoO La mecánica cuántica surgió en la primera

mitad del siglo XX en respuesta a algunos problemas que no podían ser resueltos por los principios de la física clásica, que comenzaba a perder credibilidad. No es casual que la mecánica cuántica se haya desarrollado de forma más o menos contemporánea (pero paralela) a la teoría de la relatividad, que también enfrenta algunos de los principios fundamentales de la física clásica.

O Hasta el siglo XX se creía que la energía era emitida, propagada y absorbida de forma continua e infinita y fue Max Planck quien por primera vez planteó que la energía radiada de un cuerpo negro no era continua sino discreta. Es decir que la energía se propaga y absorbe en cantidades mínimas, o cuantos, de allí el nombre de quantum.

Max Planck

O Este descubrimiento se dio de forma conjunta a uno de los hallazgos más importantes de las ciencias físicas: la dualidad onda-partícula, que demostró que la luz y la materia pueden poseer propiedades de partícula tanto como propiedades ondulatorias.

O Los avances de la teoría cuántica permitieron aplicaciones en distintos ámbitos como la electrónica (transistores, microprocesadores y componentes electrónicos), en la física de nuevos materiales, (semiconductores y superconductores), en la física de altas energías, en la criptografía y la computación cuánticas, y en la Cosmología teórica del Universo temprano. En medicina la teoría cuántica es utilizada en campos tan diversos como la cirugía láser, o la exploración radiológica.

EjemploO A modo de ejemplo y a la vez un dato

curioso: según el segundo principio de la mecánica cuántica es posible que, al patear una pelota la elevemos hasta la estratósfera o más allá. ¿Por qué? Porque básicamente, por muy pequeña que sea, existe una posibilidad de que suceda, porque la posición de la materia está dada por una simple probabilidad.

O También se puede aplicar a los humanos y afirmar que no somos nada más que un resultado de entre infinitas probabilidades. La física contemporánea se funda básicamente en dos teorías principales, la teoría de la relatividad general y la mecánica cuántica, aunque ambas teorías parecen contradecirse mutuamente.

Teoría Cuántica

¿Qué es la teoría cuántica?

O La teoría cuántica, es una teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación.

TeoríaO Las bases de la teoría fueron sentadas por el

físico alemán Max Planck, que en 1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos. Otra contribución fundamental al desarrollo de la teoría fue el principio de incertidumbre, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica.

Introducción históricaO En los siglos XVIII y XIX, la mecánica

newtoniana o clásica parecía proporcionar una descripción totalmente precisa de los movimientos de los cuerpos, como por ejemplo el movimiento planetario. Sin embargo, a finales del siglo XIX y principios del XX, ciertos resultados experimentales introdujeron dudas sobre si la teoría newtoniana era completa. Entre las nuevas observaciones figuraban las líneas que aparecen en los espectros luminosos emitidos por gases calentados o sometidos a descargas eléctricas.

O Otro enigma para los físicos era la coexistencia de dos teorías de la luz: la teoría corpuscular, que explica la luz como una corriente de partículas, y la teoría ondulatoria, que considera la luz como ondas electromagnéticas. Un tercer problema era la ausencia de una base molecular para la termodinámica. En su libro Principios elementales en mecánica estadística (1902), el físico estadounidense J. Willard Gibbs reconocía la imposibilidad de elaborar una teoría de acción molecular que englobara los fenómenos de la termodinámica, la radiación y la electricidad tal como se entendían entonces.

Introducción del cuanto de Planck

O 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 (el término "cuerpo negro" se refiere a un cuerpo o superficie ideal que absorbe toda la energía radiante sin reflejar ninguna). Un cuerpo a temperatura alta —al rojo vivo— emite la mayor parte de su radiación en las zonas de baja frecuencia (rojo e infrarrojo); un cuerpo a temperatura más alta —al rojo blanco— emite proporcionalmente más radiación en frecuencias más altas (amarillo, verde o azul).

O Durante la década de 1890, los físicos llevaron a cabo estudios cuantitativos detallados de esos fenómenos y expresaron sus resultados en una serie de curvas o gráficas. La teoría clásica, o precuántica, predecía un conjunto de curvas radicalmente diferentes de las observadas. 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. Su hipótesis fue que la energía sólo es radiada en cuantos cuya energía es h·n , donde n es la frecuencia de la radiación y h es el ‘cuanto de acción’, ahora conocido como constante de Planck.

La energía es discontinua y depende de la frecuencia de la radiación:

Ecuación de Planck: E=h·n = h·c/l

Aportes de EinsteinO Los siguientes avances importantes en la teoría cuántica se debieron

a Albert Einstein, que empleó el concepto del cuanto introducido por Planck para explicar determinadas propiedades del efecto fotoeléctrico, un fenómeno experimental en el que una superficie metálica emite electrones cuando incide sobre ella una radiación.

O Según la teoría clásica, la energía de los electrones emitidos —medida por la tensión eléctrica que generan— debería ser proporcional a la intensidad de la radiación. Sin embargo, se comprobó que esta energía era independiente de la intensidad —que sólo determinaba el número de electrones emitidos— y dependía exclusivamente de la frecuencia de la radiación. Cuanto mayor es la frecuencia de la radiación incidente, mayor es la energía de los electrones; por debajo de una determinada frecuencia crítica, no se emiten electrones. Einstein explicó estos fenómenos suponiendo que un único cuanto de energía radiante expulsa un único electrón del metal. La energía del cuanto es proporcional a la frecuencia, por lo que la energía del electrón depende de la frecuencia.

Efecto ComptonO Es el comportamiento de la energía como has

luminoso.O El físico Compton en 1923 observo que al

incidir un haz de rayos X sobre una superficie de grafito una parte de la radiación se difundía aumentando su longitud de onda. Posteriormente se comprobó, que independientemente de la naturaleza del cuerpo sobre el que inciden los rayos X, la longitud de onda de los rayos difundidos aumenta en función del ángulo que forma el rayo difundido con el rayo incidente.

O Al chocar un fotón con un electrón aparece un nuevo fotón pero con menor energía, por consiguiente su frecuencia es también menor que la de la radiación incidente. La diferencia de energías entre los 2 fotones es cedida al electrón en forma de energía cinética

O El principio de conservación de la energía aplicado a este caso permite escribir:

Efecto Fotoeléctrico O Es la difusión de fotones debido a las

interacciones entre la radiación electromagnética y la materia.

O Viene de fotones, que es la partícula mas pequeña que compone un has de luz.

O Un átomo tiene en su núcleo un cierto número de protones, cuya carga positiva queda exactamente compensada por la carga negativa de los electrones y esto hace que la materia sea eléctricamente neutra.

O En 1887 Hertz observo que la descarga entre 2 electrodos era mayor cuando eran iluminados por la luz de otra descarga. Este hecho indica que en estas condiciones se produce una emisión de electrones superior a la que tenia lugar sin iluminación. Se produce emisión de electrones cuando incide la luz sobre la superficie de determinados metales.

Leyes del efecto Fotoeléctrico

O El efecto foto eléctrico es instantáneo, es decir, aparece en el mismo momento en el que el metal es iluminado y termina en cuanto se interrumpe la iluminación.

O La intensidad de la corriente es proporcional a la intensidad de la luz incidente.

O La velocidad de emisión es independiente de la intensidad de la luz incidente.

O La velocidad de emisión depende de la frecuencia de la radiación.

O Por debajo de una frecuencia mínima , que depende de la naturaleza del metal no se produce el efecto fotoeléctrico.

Usos y AplicacionesO ¿Tiene el mundo cuántico

aplicaciones para nuestro ámbito cotidiano? ¿Cómo algo tan diminuto puede sernos de ayuda? Repasemos la tecnología de almacenaje y procesamiento de la informática actual. Nos percataremos de que más o menos cada dos años, la velocidad y la capacidad de almacenamiento de los equipos informáticos se duplica, todo acompañado de una miniaturización de los microprocesadores y soportes de almacenaje. Si esta progresión continúa en el futuro, la física cuántica tendrá aún más peso en nuestra sociedad de la información.

Obleas que contienen chips NAND flash de 30 nanómetros

O El futuro de la física cuántica estará ligado a la computación cuántica (ordenadores capaces de realizar cálculos exponencialmente más rápidos y con dispositivos de alta densidad de almacenaje), la criptografía y el cifrado de códigos secretos, la nanotecnología y la mayoría de ámbitos donde se requiera la manipulación y control de átomos y moléculas para múltiples aplicaciones, la producción de cantidades ingentes de energía a partir de la antimateria y del vacío cuántico, además de todos los avances asociados para la creación de los mismos.

ExperimentaciónExperimento de “EFECTO FOTO ELECTRICO-ELECTROSCOPIO”Materiales:

O *Un globo.O *Una lata. (de refresco de 355ml.)O *Diurex.O *Papel.O *Navaja.O *Alambre de cobre.O *Mica.O *Embace de unisel.O *Regla.O *Tijeras.O *lija gruesa.

Procedimiento:Cortar un pedazo de papel en forma de un cuadro, después cortar tiras del papel muydelgadas con la regla y navaja. ya que tenemos las tiras de papel las vamos a pegar en elalambre de cobre con el diurex. después lijamos la lata de aluminio y pegamos elalambre de cobre, luego pegamos la lata con el embate de unisel de forma que el baso deunisel quede boca abajo y la lata encima de manera horizontal. después con el globoinflado lo frotas sobre tu cabello y los juntas con los trozos de papel.

O Resultados:O Las tiras de papel van

tornando forma en la forma en que tu pongas el globo, después

O haciendo tierra, tocas la lata de aluminio con tu mano y vas a observar de manera lenta

O de que los trozos de papel van tornando forma a su manera original.