Monografia mecanica cuantica

Introducción
La mecánica cuántica es una de las teorías más importantes que se ha propuesto en los últimos años. Esta al igual que la relatividad requiere una modificación de las ideas del mundo físico.
Las ideas de esta teoría fueron introducidas por Max Planck pero los desarrollos posteriores fueron hechos por otros físicos importantes: De Broglie, Heisenberg, Bohr, Schrodinger y Einstein.Esta teoría permite comprender gran cantidad de fenómenos que involucran átomos, moléculas y núcleos; los cuales no se pueden explicar aplicando los conceptos de la física clásica.

1. Hipótesis de Planck
Según las leyes de la física clásica un objeto a cualquier temperatura emite una radiación, la cual depende de la temperatura y las propiedades del objeto. En la figura 1 se observa como laenergía de la radiación varia con la temperatura y la longitud de onda.

Figura 1.- Energia de radiación en función de la temperatura y la longitud de onda

En esta gráfica, se observan dos características importantes:
* Conforme aumenta la temperatura el pico de la distribución se corre hacia las longitudes de ondas más cortas.

* La cantidad total de energía que el objeto emiteaumenta con la temperatura, este efecto se conoce como la ley de Raleigh-Jeans y está definida con la siguiente fórmula matemática:

I,λ,T= 2πcKTλ4

Donde:
K: Constante de Boltzman
λ: Longitud de Onda
T: Temperatura

De acuerdo a esta ley, se esperaba que cuando la longitud de onda tiende a cero la intensidad de la luz tienda al infinito. Experimentalmente se encuentra que estapredicción es errónea. En la figura 2 se muestra una comparación entre la predicción de la ley de Raighlet Jeans y el experimento.
Se observa que cuando la longitud de onda tiende a cero la intensidad luminosa también tiende a cero.

Figura 2.- Radiación de un cuerpo en forma experimental

Otra inconsistencia que se encontró con los experimentos es el valor de la energía total emitida, teóricamenteeste valor debería tender al infinito. Este resultado evidentemente no se puede cumplir.
En el año 1900, Max Planck descubrió una fórmula para la radiación de un cuerpo, que concordaba con los experimentos para todas las longitudes de onda.
Sugirió dos suposiciones:
* Que la luz y otras ondas electromagnéticas solo podrían ser emitidas en ciertos paquetes discretos que se denominancuantos.
Con esto, las moléculas solo pueden tener valores discretos de energía En definidos por la siguiente fórmula:

En = nhf

Donde:
n: número cuántico,
f: frecuencia natural de la molécula
h: la constante de Planck: 6.626x10-34

Y que cada valor de n, representa un estado cuántico específico para la molécula.

* Las moléculas absorben o emiten energía saltando de un estadocuántico a otro. Esta energía es absorbida en paquetes de energía discretos llamados fotones.
Dependiendo de la dirección del salto, se absorbe o se irradia energía, si el salto es hacia arriba se absorbe energía, si el salto es hacia abajo se emite energía. Esto se puede observar mejor en la figura 3.



Figura 3.- Emisión y Absorción de energía de una molécula

*
2 El EfectoFotoeléctrico
Experimentalmente se demostró que la luz incidente sobre ciertas superficies metálicas ocasionaba que se emitieran electrones desde ellas. Este fenómeno se conoce como efecto fotoeléctrico.
En la figura 4 se muestra un circuito para explicar el efecto fotoeléctrico.

Figura 4

En este circuito, cuando la placa no tiene luz incidente sobre su superficie el amperímetro marca 0.Sin embargo, cuando se irradia luz sobre la placa, el amperímetro detecta una corriente.
Esta sección de la monografía ha sido extraída literalmente del libro Física para Ciencias e Ingeniera, Serway, Beichner, Quinta Edición, pág. 1296.
“Varias características del efecto fotoeléctrico no se pueden explicar con la física clásica:
No se emiten fotoelectrones si la frecuencia de la luz...