Foros Ciencias Galilei

He hecho un trabajo para Ciencias Del Mundo Contemporaneo, el problema es que el profesor de esa materia es Biólogo y no tiene forma de saber si lo que puse en mi trabajo es correcto o no, y es normal que cometa errores dado que esto nadie me lo ha explicado y he tenido que buscar información por internet en páginas con contenido ininteligible para mi....

Inicios de la mecánica cuántica

      
Mecánica Cuántica
            -Nacimiento de la Mecánica Cuántica
             Radiación de cuerpo negro
             Efecto fotoeléctrico
             Líneas espectrales
            -Principios de la Mecánica Cuántica
             Hipótesis de Broglie
             Principio de indeterminación de Heinsenberg
             Probabilidad de Schrödinger
  Agujeros Negros
            -Definición
            -Formación de los Agujeros Negros


Nacimiento de la Mecánica Cuántica:

La mecánica cuántica es una rama de la física que estudia el comportamiento de la materia y energía, consiguiendo describir múltiples situaciones/estados matemáticamente (Estados cuánticos). Gracias a esto, la mecánica cuántica logra explicar fenómenos los cuales la física clásica no ha podido.
Las teorías cuánticas se originan en el momento en el cual se comienzan a realizar experimentos cuyos resultados la física clásica no logra explicar (Por ejemplo; La dualidad onda-partícula)
La necesidad de encontrar una explicación a una larga lista de fenómenos incomprensibles e indescriptibles por la física clásica dio lugar a la creación de múltiples teorías diversas, en las cuales se intenta dar una explicación a dichos fenómenos. Esta serie de teorías son las que dieron a luz a la actual Mecánica Cuántica.
Actualmente, muchos Físicos intentan ‘unir’ tanto la Mecánica Cuántica como la Mecánica Clásica para crear una teoría “Universal del Todo”.


Radiación de cuerpo negro:

Al incidir cualquier tipo de onda electromagnética sobre un cuerpo, suceden 2 cosas: Las ondas son absorbidas, las ondas son reflejadas.
Posteriormente al haber sido absorbidas, comienzan a ser emitidas.
En la naturaleza no existe ningún cuerpo que absorba en su totalidad toda la energía que recibe, incluso el humo refleja una ínfima cantidad de energía electromagnética. Por ende, si medimos la radiación que proviene de un cuerpo, estaremos midiendo la suma de la radiación reflejada y la radiación emitida. Esto presenta un problema al intentar medir únicamente la radiación emitida por un cuerpo. Para superar esta problemática, se crea un hipotético cuerpo, denominado “Cuerpo Negro” el cual ÚNICAMENTE absorbe energía, nunca la refleja, por lo que toda energía que midamos proveniente de él, será energía emitida y no reflectada.
El dilema surge cuando observamos que la física clásica es incapaz de predecir la gráfica de emisión de un cuerpo negro.
La ley de Rayleigh-Jeans (Modelo clásico) es una función que intenta relacionar todas las longitudes de onda dada una temperatura dada con la temperatura absoluta (T), la velocidad de la luz (c) y la constante de Boltzmann (k)

Esta ley predice una energía infinita a longitudes de onda muy pequeñas ( Visible, Ultravioleta, Rayos X, gamma)…a mayor temperatura, ondas con mayor energía(Frecuencia más baja); lo cual resulta ser, un resultado completamente absurdo.
Sin embargo, en 1900, Planck, formuló una ley la cual expresada en términos de longitud de onda igual a velocidad de la luz dividido frecuencia es:



Ésta ley predecía correctamente los resultados obtenidos durante los experimentos, sin que sucediese una catástrofe ultravioleta.
Cabe destacar que la ley, en su forma general es:



Variables, constantes y dimensiones:
[list=][*]        Donde la I es la radiancia espectral (Cantidad de energía por unidad de superficie y unidad de tiempo por unidad de ángulo sólido por frecuencia/longitud de onda) lo que vendría a ser la radiación emitida para todo el espectro.
[*]        Donde la v es la frecuencia (Número de repeticiones por unidad de tiempo)
[*]        Donde la c es la velocidad de la luz.
[*]        Donde la T es la temperatura absoluta.
[*]        Donde e es un número irracional.
[*]        Donde h es la constante de Planck (Julios por segundo)
[*]        Donde k es la constante de Boltzmann (Julios/Kelvin)
[*]        Donde λ es la distancia entre una onda y la consecutiva.[/list]


La ley del desplazamiento de Wien se obtiene a partir de la ley de Planck. Esta ley afirma que la longitud de onda en la cual el cuerpo emite más radiación por la temperatura absoluta es igual a una constante. Si observamos con atención, podemos ver que a mayor temperatura se necesitan de ondas de longitud menor para alcanzar la densidad de energía máxima.


Otra ley, la ley de Boltzmann dice que la potencia con la que la radiación términca es emitida superficialmente (W/m2) es igual a la constante de Boltzmann por la temperatura absoluta elevada a cuatro.


Efecto fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones por parte de un metal cuando se inciden sobre él radiación electromagnética.
Los fotones tienen una energía determinada por la zona de onda electromagnética a la que pertenezcan (Longitud de onda-Frecuencia), y al incidir sobre un metal, si tienen la energía suficiente, podrían desprenderlo, sin embargo, si no tiene la energía suficiente, por más que se aumente la intensidad lumínica, no se conseguirá que se desprendan (La intensidad lumínica sólo influye en la cantidad de electrones que se podrían desprender si la energía fuese suficiente)
La energía de un paquete de fotones se puede calcular mediante:

E=hv

Donde h es la constante de Planck y v la frecuencia de la luz.
Se llama función trabajo a la energía mínima necesaria para ‘arrancar’ un electrón de un sólido, o, mejor dicho, para llevarlo desde el nivel de Fermi al exterior, y frecuencia umbral, a la frecuencia mínima necesaria para que tenga lugar el efecto fotoelectrónico.

La frecuencia se obtiene fácilmente sumando la función trabajo y la energía cinética, ya que la energía cinética surge cuando la energía de los fotones que inciden son mayores que el de la función trabajo, por lo que la energía restante se invierte en dotar a los electrones libres de energía cinética.
Leyes de la emisión fotoeléctrica:

1.        Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incidente.
2.        Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, también conocida como "Frecuencia Umbral".
3.        Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente.
4.        La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente, independientemente de la intensidad de la luz incidente. Este hecho se contrapone a la teoría Clásica:la Física Clásica esperaría que existiese un cierto retraso entre la absorción de energía y la emisión del electrón, inferior a un nanosegundo.


Lineas espectrales

Ya a final del siglo XIX los científicos sabían que los electrones de los átomos producían radiación electromagnética, sin embargo, no podían explicar por qué al pasar por un prisma un único elemento, como el hidrógeno, no veían el espectro completo, sino parte de éste, también observaron, que cada átomo tenía su propia ‘firma’ en el espectro.
Esta incógnita fue explicada por Niels Bohr, Niels postuló que los electrones sólo podían moverse por unas órbitas específicas, y que al saltar de unas a otras producían pequeñas descargas de fotones (Luz) en el caso de que la orbita a la que salte sea de energía menor o ‘absorbía’ en el caso de que fuese mayor, esto implica que la energía sólo pueda cambiar de a pequeños ‘saltos’ de electrones, en quantum y que las transiciones entre los diferentes niveles siempre lleven a un mismo ‘color’ del espectro electromagnético.
Como el mismo salto produce el mismo ‘color’ de espectro electromagnético y cada átomo tienen sus propias órbitas, cada uno tendrá unos ‘colores’ diferentes: Esto es el llamado espectro electromagnético.



Suposiciones de la mecánica cuántica

Hipótesis de Broglie
En 1924, Louise de Broglie, un físico Francés, hipotizó que, si la luz posee propiedades ondo-corpusculares, la materia también podría tenerla: “Toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico.”
Más concretamente, en su tésis doctoral, postuló la idea de un carácter doble que posee toda partícula: Uno ondulatorio y otro corpuscular, y propuso que toda partícula en movimiento está acompañada de una onda cuya longitud está relacionada con la constante de Planck y el momento lineal de la misma.



Explicación:

Primero hemos de comenzar por los conceptos:
Momento Lineal: Producto de la masa del cuerpo y su velocidad en un momento determinado; Describe el movimiento del cuerpo.
Conociendo este concepto, y dada la ecuación de Broglie, se puede decir que la longitud de onda es igual a la constante de Planck dividido el producto de la masa por su velocidad.
O sea, que a mayor masa y/o velocidad, la longitud de onda será menor, y por lo tanto la energía, mayor; podemos ignorar libremente la constante de Planck en esta conclusión ya que al ser una constante tiene siempre el mismo valor, y por lo tanto, la longitud de onda depende únicamente del valor del momento lineal.
Principio de indeterminación de Heinsenberg
Heinsenberg, un gran físico Alemán, afirma que es imposible conocer la posición exacta de un electrón y su velocidad en un mismo instante.

Esto se debe a que, para medir una partícula pequeña, como un electrón, debes usar ondas de muy alta energía (Gran cantidad de ondas, poca longitud de onda), ya que las longitudes de onda de la luz visible son mayores que el electrón.
Y, al ‘lanzar’ dichas ondas contra la partícula, rebotan contra la partícula alterando su movimiento, por lo que más potentes son las ondas que usamos para saber su con más exactitud posición, más estaremos alterando su movimiento, su velocidad; mientras que más débiles sean las ondas utilizadas, con menos seguridad podremos observar su posición, aunque con más su velocidad, ya que alterará menos su movimiento.
Mayor es el valor de las variables de la primera parte de la inecuación, menor es la indeterminación, y dado que la energía es la variación de masa por la velocidad de la luz al cuadrado, y como la velocidad de la luz es fija, para aumentar la energía debemos de aumentar la masa, por ende: Más masa implica menos indeterminación.
La indeterminación tiene un punto máximo: Cuando es igual a la constante de Planck dividido dos.

Probabilidad de Schrödinger

(Aquí sólo coloqué la fórmula ya que no la entiendo)
 


Agujeros Negros:

Definición:
Los agujeros negros son zonas del espacio tiempo que han colapsado sobre su propia masa masiva, nada, ni la luz, es capaz de escapar a su gran fuerza gravitacional; incluso si esto, se ha descubierto recientemente que emiten un tipo de radiación llamada ‘De Hawking’ por su descubridor.

Formación de los agujeros negros:

Cuando una estrella de masa superior a 30 masas solares ha quemado todo su hidrógeno, empiezan a quemar otros elementos, incluso llegando al hierro, a ir agotando su hidrógeno, se van desplazando hasta formar una supergigante azul que quema aún más rápido el hidrógeno de una forma tan violenta e inestable que sus capas superiores se desprenden de ella causando una gran pérdida de masa y una atmósfera muy baja en hidrógeno, formando así una estrella ya envejecida llamada estrella de Wolf-Rayet, estas estrellas, al carecer de hidrógeno, emiten otros elementos como helio, carbono, nitrógeno y oxígeno, hasta agotar todo su combustible nuclear y haber creado un núcleo tan pesado que a falta de energía por haber agotado todo el combustible, dejará de ser estable y comenzará a contraerse, las capas exteriores colapsarán contra el núcleo produciendo un brote de rayos gamma y formando el agujero negro.
El motivo por el que se forman se debe a que, la estrella, al no producir más energía, no puede equilibrar la fuerza gravitatoria que la contrae, la energía que expulsa intenta ‘dilatar’ la estrella, y la fuerza gravitatoria contraerla, por lo que hay un equilibrio mientras que produce energía, pero cuando esto deja de suceder el equilibrio se rompe, sin embargo, esto no basta para formar el agujero negro, ya que dos partículas no pueden estar en un mismo momento en un mismo estado cuántico (Principio de exclusión de Pauli), tenderán a la repulsión ante la contracción de la estrella, pudiendo crear un nuevo equilibrio, pero, esta fuerza de repulsión tiene un límite, y cuando la fuerza gravitatoria es superior a la fuerza repulsiva, se forma el agujero negro porque nada detiene la contracción de la estrella ya muerta.

Con respecto a la breve historia de mecánica cuántica, la función de probabilidad que el autor declara no entender se debe al trabajo matemático de Max Born, premio nobel de física 1954.
Born (profesor de la universidad de Gotinga) dio la interpretación probabilística al la solución de la ecuación de Schrodinger, al multiplicar la función por su conjugado complejo y luego normalizarla dividiendo la integral por el área de la integral impropia respectiva.
Es un aporte clave para comprender el universo cuántico y creo que merece toda nuestra atención.
Atentamente
Víctor Neira