Fundamentos de Ondas y Fenómenos Cuánticos: Conceptos Esenciales de Física

Clasificación de Ondas

Según la dirección de perturbación

• Longitudinales: Misma dirección de perturbación y propagación.
• Transversales: Propagación y perturbación perpendiculares.

Según la energía propagada

• Mecánicas: Requieren un medio para propagarse.
• Electromagnéticas: No es necesario un medio de propagación.

Según el número de dimensiones de propagación de la energía

• Unidimensionales: Propagación en una sola dirección.
• Bidimensionales: Propagación en una superficie plana.
• Tridimensionales: Propagación en las tres dimensiones del espacio.

Principios Fundamentales de Ondas

Principio de Huygens

Al caer una piedra en un estanque, aparecen círculos concéntricos en la superficie del agua, que propagan la perturbación, alcanzando al cabo de un tiempo t un punto P', observándose aquí la formación de nuevas ondas de las mismas características que las que llegan a él. Al llegar una onda a la superficie de separación de los dos medios, parte de la energía que lleva la onda puede pasar al segundo medio, cambiando la dirección de propagación (refracción) y otra, permanecer en el mismo medio (reflexión).

Fenómenos Ondulatorios

Reflexión

Se define como el cambio de dirección de propagación que experimenta una onda cuando llega a una superficie de separación de dos medios, sin cambiar de uno al otro. El ángulo que forma el rayo incidente de la onda con la normal se llama ángulo de incidencia, i, y el que forma la normal con el rayo reflejado es el ángulo de reflexión, r. Se comprueba que:

1. El rayo incidente, la normal y el ángulo de reflexión están en un mismo plano.
2. El ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son iguales.

Refracción

Se define como el cambio de dirección de propagación que experimenta una onda cuando pasa de un medio a otro... Se comprueba que:

1. Los dos rayos y la normal no están en el mismo plano.
2. Ley de Snell.

Polarización

Consiste en limitar la forma libre de vibración de las partículas de un medio. Si conseguimos que la vibración tenga lugar en un único plano, decimos que la onda está polarizada linealmente. El plano de polarización está formado por la dirección de propagación y la dirección de vibración.

Efecto Doppler

Fenómeno característico de todos los movimientos ondulatorios, siendo observable en las ondas sonoras y electromagnéticas. Cuando el foco emisor de ondas y el observador están en movimiento relativo con respecto al medio de onda en el que se propaga, la frecuencia de las ondas observada es distinta a la de las ondas emitidas.

Polarización

Consiste en limitar la forma libre de vibración de las partículas de un medio. Si conseguimos que la vibración tenga lugar en un único plano, decimos que la onda está polarizada linealmente. El plano de polarización está formado por la dirección de propagación y la dirección de vibración.

Efecto Doppler

Fenómeno característico de todos los movimientos ondulatorios, siendo observable en las ondas sonoras y electromagnéticas. Cuando el foco emisor de ondas y el observador están en movimiento relativo con respecto al medio de onda en el que se propaga, la frecuencia de las ondas observada es distinta a la de las ondas emitidas.

Fenómenos Cuánticos

Efecto Fotoeléctrico

Propiedad de algunos materiales de emitir electrones cuando se encuentran sometidos a la acción de la luz. Cuando una radiación luminosa incide sobre un cátodo y este emite electrones, que son atraídos por el ánodo, observamos que la energía transportada por un fotón incidente se distribuye de tal manera que:

1. En la energía necesaria para liberar un electrón de los átomos del metal, que es constante para cada metal, y recibe el nombre de trabajo de extracción (W).
2. En la energía cinética con la que sale el electrón del metal (Ec).

Ecuación de Einstein

La ecuación fundamental del efecto fotoeléctrico es hν = W + Ec, donde hν es la energía del fotón incidente, W es el trabajo de extracción y Ec es la energía cinética máxima del electrón emitido.

Efecto Compton

Compton estudió la dispersión de los rayos X. Encontró que la diferencia entre las longitudes de onda de la radiación dispersada (λ') y la incidente (λ) no depende de la longitud de onda inicial, sino únicamente del ángulo formado por las direcciones de las radiaciones.

Dualidad Onda-Corpúsculo

La ley de De Broglie se basa en que toda partícula en movimiento posee una onda asociada.

Para corpúsculos que viajan a la velocidad de la luz

La longitud de onda de De Broglie (λ) para partículas que viajan a la velocidad de la luz (como los fotones) se expresa como λ = h/p, donde h es la constante de Planck y p es el momento lineal.

Para corpúsculos que viajan a una velocidad diferente a la de la luz

Para partículas con masa que viajan a velocidades no relativistas, la longitud de onda de De Broglie se calcula como λ = h/(mv), donde m es la masa de la partícula y v es su velocidad.