Introducció a la Mecànica Quàntica i els seus Fonaments

Limitacions de la Física Clàssica

A finals del segle XIX van aparèixer alguns fenòmens físics experimentals que van posar en dubte les lleis clàssiques aplicades a la interacció entre la radiació electromagnètica i la matèria: la radiació tèrmica del cos negre, l'efecte fotoelèctric i els espectres atòmics. L'energia electromagnètica que emet un cos a causa de la seva temperatura s'anomena radiació tèrmica. Aquesta radiació tèrmica varia tant amb la temperatura com amb la composició del cos.

Hipòtesi de Planck

A principis de l'any 1900, dos físics anglesos van utilitzar els principis de l'electromagnetisme i la termodinàmica clàssics per a descriure la radiació del cos negre, segons la qual l'energia de la radiació disminueix en augmentar la longitud d'ona. En canvi, segons els resultats experimentals, l'energia tendeix a 0 per a longituds d'ona molt petites. Planck va formular les següents hipòtesis:

• Els àtoms que emeten la radiació es comporten com a oscil·ladors harmònics.
• Cada oscil·lador harmònic absorbeix o emet energia de la radiació en una quantitat proporcional a la seva freqüència d'oscil·lació.

Efecte Fotoelèctric

El 1887, Hertz va descobrir que en sotmetre a l'acció de la llum determinades superfícies metàl·liques, aquestes superfícies desprenien electrons. El treball W necessari per a arrencar l'electró del metall depèn de la seva energia d'enllaç amb aquest.

Teoria Quàntica d'Einstein

Segons Einstein, tota l'energia emesa per una font radiant està quantitzada en paquets que s'anomenen fotons. Einstein va suposar que:

• La quantitat d'energia de cada fotó es relaciona amb la seva freqüència f mitjançant l'expressió: E=hf.
• Un fotó és absorbit completament per un fotoelectró.
• L'electró que està més dèbilment enllaçat escaparà amb energia cinètica màxima.

Característiques dels Fotons: Efecte Compton

La confirmació definitiva de l'existència dels fotons la va donar el físic Compton en analitzar teòricament l'efecte que duu el seu nom. Va fer incidir un feix de raigs X de longitud d'ona λ sobre una làmina de grafit i va observar que la radiació dispersada tenia dues longituds d'ona, una igual a la incident i una altra de més gran. Segons la teoria clàssica, l'ona dispersada hauria de tenir la mateixa longitud d'ona que la incident.

Mecànica Quàntica

Dos aspectes característics d'aquesta teoria són la dualitat ona-partícula i el principi d'indeterminació.

Dualitat Ona-Partícula

Els electrons podien tenir característiques ondulatòries. La hipòtesi, coneguda com de De Broglie, va consistir a ampliar el comportament dual de la radiació a la matèria, va considerar que la matèria (els electrons) també presentarien un aspecte corpuscular i un aspecte ondulatori.

Aplicacions de la Mecànica Quàntica

Avui dia, les seves aplicacions arriben a tots els àmbits de la vida moderna: cèl·lules fotoelèctriques, microscopi electrònic, làser, etc.

Experiment de la Doble Escletxa

Consisteix a llançar electrons des d'una font S cap a un parell d'escletxes pròximes. L'arribada de cada electró s'enregistra en una placa fotogràfica en la pantalla P. Tots els electrons es llancen a la mateixa velocitat i, per tant, amb la mateixa longitud d'ona. Tot i que no podem predir on xocarà cada electró, després de l'impacte de molts electrons apareix el patró d'interferència ondulatòria. El patró obtingut és idèntic al dels feixos de fotons de la mateixa longitud d'ona.