Cuántica

1. Introducción a la mecánica cuántica

A finales del siglo XIX tres grandes ramas formaban lo que se llama FÍSICA CLÁSICA:

Mecánica de Newton
Electrodinámica de Maxwell
Termodinámica de Clausius y Bolzmann

Estas tres ramas explicaban la mayoría de los fenómenos físicos. Pero está física clásica tenía importantes contradicciones cuando intentábamos explicar ciertos fenómenos en ámbitoscercanos a la velocidad de la luz. Surgió así la teoría de la relatividad especial ( Einstein ). También se había observado el fracaso de la ciencia al explicar fenómenos como la radiación del cuerpo negro y los espectros atómicos.

Para explicar estos fenómenos aparece una nueva teoría, la mecánica cuántica, impulsada por Planck, Einstein, de Broglie, Bohr, Heisenberg, Schrödinger...

2.Radiación del cuerpo negro e hipótesis de Planck

Nada más encender una hoguera, el carbón o leña mantienen su aspecto y color durante un tiempo pero si acercamos las manos notamos una radiación de calor. Está radiación invisible que percibimos es radiación infrarroja. A medida que aumentamos la temperatura la leña o el carbón comienzan a ponerse al rojo y llegará un momento en que estén amarillosy casi blancos. Un estudio cuidadoso de esta radiación demuestra que es una distribución de longitudes de onda que incluye infrarrojos, visible y ultravioleta .

De este ejemplo se desprende que la frecuencia de la radiación que emite un cuerpo caliente aumenta con la temperatura. La potencia irradiada ( energía por unidad de tiempo ) depende de las características del material. La máximapotencia irradiada se consigue con lo que llamaremos cuerpo negro.

En 1859, Kirchoff establece la definición de cuerpo negro: Cuerpo negro es un sistema ideal que absorbe toda la radiación que sobre el incide y una ley básica: Cuando un cuerpo está en equilibrio térmico la energía que absorbe es igual a la que emite. Por tanto, un cuerpo negro es también un emisor ideal, es decir, que emite en todaslas longitudes de onda.

Se puede conseguir una buena aproximación al cuerpo negro con una cavidad con un pequeño orificio en una de sus paredes y todas las paredes pintadas de negro. Cualquier radiación que entre por dicho orificio será absorbida por las radiaciones en las paredes internas y las posibilidades de escapar por el orificio son pocas. Si examinamos la radiación que emite esecuerpo en el interior de la cavidad a medida que se calienta, veremos que la radiación depende solo de la temperatura, no de las características de la sustancia.
Nota : También podríamos cesar el aporte de calor externo, y esperar a que en el interior se alcance el equilibrio entre energía absorbida y emitida. La energía radiante será una cantidad determinada. Si abrimos un orificio parte de laradiación escapa y se puede medir.

La radiación de un cuerpo negro viene determinada por:

Ley de Stefan- Boltzmann: La cantidad total, por unidad de tiempo y superficie, de energía emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta.
I =σT4 donde I se mide en W/m2 y σ es la cte universal de Stefan, de valor σ= 5,67 · 10-8 W/m2K4

Ley deldesplazamiento de Wien: El producto de la longitud de onda correspondiente al máximo de emisión por la temperatura absoluta es cte. max T = 2,897 · 10-3 m K. Esta ley permite medir la Tº de las estrellas o del filamento de una bombilla.

Las gráficas en las que se observa el perfil de la potencia irradiada en función de la longitud de onda y la temperatura , permiten comprobar como se cumplen las dosleyes. Para una temperatura fija existe una longitud de onda para la que la energía emitida es máxima. Si aumenta la energía del cuerpo, la máxima emisión de energía se obtiene para longitudes de onda menores.
La cantidad de radiación emitida ( area bajo la curva ) aumenta con la Tº( Ley de Stefan-Bolzmann)
pero la  del máximo de emisión , disminuye con la Tª ( ley de Wien)

A pesar de su...