Conocimientos básicos de física cuántica

FÍSICA CUÁNTICA (2º BACHILLERATO)
(Resumen de algunos aspectos esenciales)
1. LIMITACIONES DE LA FÍSICA CLÁSICA Y NACIMIENTO DE LA TEORÍA
CUÁNTICA.
La naturaleza ondulatoria de radiación electromagnética había quedada plenamente
establecida e interpretada en 1864 mediante la teoría electromagnética de Maxwell y sus
ecuaciones que describían los fenómenos electromagnéticos.
Sin embargo afinales del siglo XIX aparecieron algunos fenómenos físicos experimentales
que no pudieron ser explicados con el electromagnetismo clásico de Maxwell. Tres de
estos fenómenos, relacionados con la interacción entre la radiación electromagnética y la
materia fueron claves para el nacimiento y desarrollo de la Teoría Cuántica, que
revolucionó la física clásica conocida hasta ese momento.
Estosfenómenos fueron:
 La radiación térmica el cuerpo negro.
 El efecto fotoeléctrico.
 Los espectros atómicos.
La interpretación de la radiación del cuerpo negro dio lugar a la hipótesis de Planck, la
interpretación del efecto fotoeléctrico realizada por Einsntein dio lugar a la “dualidad ondacorpúsculo de la luz”, y los esfuerzos para la interpretación de los espectros atómicos
siguieronavanzando en las ideas cuánticas que desembocaron en la mecánica cuántica.
1.1 RADIACIÓN TÉRMICA DEL “CUERPO NEGRO”. HIPÓTESIS CUÁNTICA DE
PLANCK.
CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO


Se llama radicación térmica a la energía electromagnética (radiación) que emite un
cuerpo debido a su temperatura.



Las características de la radiación térmica emitida por un cuerpo dependentanto de
la temperatura del cuerpo como con las características y composición del cuerpo.



Se llama “cuerpo negro” a cualquier cuerpo que cumple con la condición de que es
capaz de absorber toda la radiación que le llega (no refleja nada).



Cualquier “cuerpo negro” presenta la propiedad de que la radiación que emite no
depende de qué este hecho, sólo de su temperatura.



Lagráfica experimental que representa la energía emitida por un cuerpo negro por
m2 y segundo, en función de la longitud de onda de la radiación tiene una forma
característica para cada Tª según la figura.

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

En general a cualquier Tª se emiten muchas longitudes de onda, pero para cada Tª
siempre hay una λ en la que se produce el máximo de emisión, a partir de ese valor
la energíaemitida a longitudes de onda menores disminuye hasta llegar a hacerse
cero.



La longitud de onda en la que se produce el máximo de emisión disminuye con la Tª
según la ley de desplazamiento de Wien.

INTERPRETACIÓN DE LA RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO: HIPÓTESIS
CUÁNTICA DE PLANCK
Fracaso del electromagnetismo clásico:
A principios de 1900 los físicos ingleses Rayleigh y Jeans aplicaronlos principios del
electromagnetismo de Maxwell y la termodinámica para explicar la radiación del cuerpo
negro. El intento fue un fracaso pues obtuvieron una expresión matemática que
predecía que la energía emitida crecía indefinidamente al disminuir la longitud de onda
(catástrofe ultravioleta). Es decir no consiguieron explicar los resultados
experimentales.
Hipótesis de Planck:
Afinales de 1900 el físico alemán Max Planck formuló las siguientes hipótesis como
punto de partida para intentar explicar la radiación del cuerpo negro:


Los átomos que emiten radiación electromagnética se comportan como osciladores
armónicos.



Hipótesis cuántica: Cada oscilador (cada átomo) cuando emite o absorbe energía
electromagnética no puede hacerlo en cualquier cantidad sino quedeben hacerlo
en forma de “cuantos” o “paquetes” de energía cuyo valor debe ser un múltiplo de
un valor mínimo que viene dado por la expresión:

E0 = hf

siendo:





“f” la frecuencia de la radiación emitida.
“h” la “constante de Planck” a la que le asignó el valor de 6,625 10-34 J.s-1

Cuando aplica esta ideas Planck consigue explicar la curva experimental de la
radiación...