Física Cuántica: Hipótesis de Planck, Efecto Fotoeléctrico y Teoría de Einstein

Hipótesis de Planck

Planck afirma que la energía emitida por un cuerpo negro no es continua, sino discontinua, formada por cuantos de energía y frecuencia determinada. La energía de un cuanto viene dada por:

E = hf

Efecto Fotoeléctrico

Cuando la luz incide sobre una superficie metálica, si la frecuencia de la luz sobrepasa un valor umbral, se desprenden electrones los cuales, sometidos a un potencial, pueden provocar una corriente eléctrica.

La intensidad de la luz incidente no influye en la velocidad de los electrones arrancados del metal, aunque sí en la intensidad de la corriente generada. La frecuencia de la luz incidente y la longitud de onda sí influyen en la velocidad de los electrones desprendidos.

El efecto fotoeléctrico fue una constatación de la teoría cuántica de la luz. El estudio del efecto fotoeléctrico ha conducido a las siguientes conclusiones experimentales:

• Para cada metal existe una frecuencia umbral.
• Solo cuando la frecuencia de la luz incidente es mayor que la frecuencia umbral, se produce corriente fotoeléctrica.
• La intensidad de la corriente fotoeléctrica es proporcional a la intensidad de la radiación luminosa.
• La energía cinética de los electrones aumenta al hacerlo la frecuencia de la luz incidente, pero es independiente de su intensidad luminosa.
• La emisión de electrones es prácticamente instantánea; se produce en un intervalo de tiempo del orden de $10^{-9}$ segundos a partir de la incidencia de la luz.

Teoría de Einstein (1905)

Explica el efecto fotoeléctrico aplicando a la luz las ideas de Planck sobre la radiación térmica: la luz se propaga por el espacio transportando la energía en cuantos de luz, llamados fotones, cuya energía viene dada por:

E = hf

Según Einstein, toda energía de un fotón se transmite a un electrón del metal, y cuando este salta de la superficie metálica posee energía cinética, cumpliéndose:

hf = W_e + E_c

Si hf es menor que W_e el electrón no se escapa, no se produce el efecto fotoeléctrico. Si hf es mayor que W_e el electrón se escapa del metal con una determinada velocidad, con una energía cinética determinada. La función trabajo ($W_e$) es diferente para cada material metálico.

Dualidad Onda - Corpúsculo (De Broglie)

Vemos que la luz puede tener un doble comportamiento. Cuando se propaga se comporta como una onda (se difracta, polariza...). Por otra parte, cuando interacciona con la materia se comporta como una partícula en movimiento.

Así pues, De Broglie lanza la hipótesis de que toda partícula de cantidad de movimiento "p" lleva asociada una onda cuya longitud de onda cumple:

\(\lambda = h/p\)

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

Si la dualidad onda-corpúsculo es cierta (\(\lambda = h/p\)), entonces hay que aceptar para una partícula cuántica:

\(\Delta p \cdot \Delta x \ge \frac{h}{2\pi}\)

Por ello destacamos que no se puede medir con precisión absoluta y simultáneamente la posición y el momento de una partícula (posición y velocidad). Si sabemos dónde está, no podemos medir la velocidad y viceversa.

Fisión y Fusión Nuclear

La fisión nuclear es el proceso en el cual se rompen núcleos atómicos cuando se bombardean con alguna partícula. Por el contrario, la fusión nuclear es la unión de varios núcleos para formar un núcleo más pesado. Son procesos inversos.

La fisión se produce sobre todo con núcleos pesados y la fusión con núcleos ligeros, produciéndose en ambos casos gran cantidad de energía. Aún no sabemos controlar la fusión, pero sí la fisión.

Espectro Electromagnético

Conjunto de todas las radiaciones de distinta frecuencia en que se puede descomponer la radiación electromagnética; todas las ondas electromagnéticas tienen la misma naturaleza.

Son ondas transversales formadas por un campo eléctrico y otro magnético oscilantes que vibran en planos perpendiculares entre sí. Solo se diferencian en la frecuencia y en su longitud de onda.

La ecuación fundamental del movimiento ondulatorio es: c = \(\lambda\) \cdot f

Clasificación de Radiaciones

RAMIINVIUL (Espectro visible y no visible):

• Ondas de radio
• Microondas
• Radiación infrarroja
• Luz visible: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil, violeta
• Radiación ultravioleta
• Rayos X
• Rayos gamma