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INTRODUCCIÓN * Varios fenómenos de la naturaleza no pueden explicarse lógicamente en la Física que vimos hasta hoy, llamada física clásica. Se deben inventar nuevas explicaciones. * Esos fenómenos que se van presentando son: · Radiación del Cuerpo Negro · Efecto Fotoeléctrico · Emisión de Rayos X · Efecto Compton, etc * Veremos acontecimientos importantes en cuya explicación es necesaria y obligatoria la introducción de nuevos conceptos. * Hasta 1900 la energía de la radiación electromagnética se considera como una distribución continua en el espacio. * Las ideas básicas de la teoría cuántica fueron introducidas primero por Max Planck, pero la mayor parte de los desarrollos e interpretaciones matemáticas subsecuentes fueron hechos por varios físicos distinguidos, entre los que sobresalen Einstein, Bohr, Schrödinger, De Broglie, Heisenberg, Born y Dirac. RADIACIÓN TÉRMICA I. Concepto * Todo cuerpo que presente una temperatura mayor a -273°C emite radiación. · Donde: )(aTemperatur )( RADEnergía · Por ejemplo: * Se define como cuerpo negro, a aquel cuerpo ideal que absorbe o emite el 100% de la radiación térmica (UV, LV, IR). Este nombre fue acuñado por Gustav Kirchhoff. Gustav R. Kirchhoff (1824-1887) * Una aproximación de cuerpo negro es la Cavidad Radiante ∙ La naturaleza de la radiación emitida a través de un pequeño agujero que conduce a la cavidad depende sólo de la temperatura de las paredes de la cavidad · Dos cuerpos a igual temperatura emitirán el mismo tipo de espectro. ∙ Mientras un cuerpo negro se encuentra emitiendo radiación, puede en forma simultánea estar absorbiendo radiación desciende TEE AbsorciónEmisión aumenta TEE AbsorciónEmisión constante TEE AbsorciónEmisión (Equilibrio Térmico) * Gráfica IRAD vs λ de un cuerpo negro a distintas temperaturas · Donde: 0RAD 0 RADI RAD 0 RADI · Además: La rapidez a la que un objeto radia energía es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta 4.. TAPRAD 42 810.67,5 Km W Ley de Stefan Constante de Stefan - Boltzmann Josef Stefan (1835-1893) Ludwig Boltzmann (1844-1906) * Posibles soluciones al fenómeno del cuerpo negro 1. Teoría de Wien · Estudia la región de longitudes de onda corta o de alta frecuencia; es decir, el rango de la radiación ultravioleta · Planteó: KmTmáx 10.898,2. 3 ∙ Al aumentar la temperatura, el máximo de su distribución de Intensidad se desplaza hacia longitudes de ondas más cortas (o a la zona de mayor frecuencia) ∙ Es por ello que a esta teoría se le denomina Ley de Desplazamiento Donde: )(T )( máx Wilhelm R. Wien (1864-1924) 2. Teoría de Rayleigh - Jeans · Estudia la región de longitudes de onda larga o de baja frecuencia; es decir, el rango de la radiación infrarroja y la luz visible · Planteó: 4 ...2 TKc I B · Donde: 0RAD RADI RAD 0 RADI ∙ Es por ello que a esta teoría se le denomina Catástrofe Ultravioleta II. Hipótesis de Max Planck * En una reunión de la Sociedad Alemana de física el 14 de Diciembre de 1900 Max Planck leyó un trabajo titulado "La teoría de la ley de distribución de energía del espectro normal". * Desarrolló una teoría para la radiación de un cuerpo negro ante la imposibilidad de dar una solución, donde planteó una ecuación para la Intensidad que está en total acuerdo con los resultados experimentales a todas las longitudes de onda. Max Planck (1858-1947) 1 1..2 .. .5 2 TK ch Be ch I Donde: 0RAD 0 RADI RAD 0 RADI John William Strutt Lord Rayleigh (1842-1919) Sir James Jeans (1877-1946) * Planck propone que la radiación de la cavidad radiante se genera a causa de osciladores atómicos o cuánticos en las paredes de la cavidad * Formuló dos atrevidas y controvertidas hipótesis respecto a la naturaleza de los osciladores en las paredes de la cavidad: 1. La energía de un oscilador solo puede tener ciertos valores discretos En fhnEn .. n: número cuántico o estado cuántico (n=1,2,…) · Es decir; la energía almacenada esta cuantizada · Donde: 2. Los osciladores emiten o absorben energía cuando realizan una transición de un estado cuántico a otro. · Donde la mínima energía emitida o absorbida será de un cuanto o fotón (paquete de energía) fhEcuanto . fPDEcuanto .. · Es decir; la emisión o absorción es en forma discreta o discontinua · Si permanece en un mismo estado cuántico, no existe absorción o emisión de energía * La emisión es discreta, pero la propagación es continua NOTA: Tener en cuenta Fuente de luz Fotón o paquete de energía fotónRad EnE . Número de Fotones fotónRad E t n P . Número de Fotones Emitidos o Absorbidos por cada segundo Área E t n I fotón Rad . sJh 10.626,6 34 seVh 10.14,4 15 III. Preguntas 22. Sobre la intensidad de la radiación de una cavidad radiante (cuerpo negro), señale la proposición correcta: I. Depende de la temperatura de la cavidad radiante. II. No depende del material que constituye la cavidad radiante. III. La radiación tiende al infinito para longitudes de onda pequeñas. Rpta. I. CORRECTA II. CORRECTA Ya que únicamente depende de la temperatura III. INCORRECTA Ya que para longitudes de onda corta, la radiación tendería a cero 23. Señale la veracidad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones respecto al modelo de Planck. I. Los osciladores atómicos de una cavidad radiante emiten y absorben energía en valores discretos. II. La mínima energía emitida por una cavidad radiante es h.f donde f es la frecuencia de oscilación y h la constante de Planck. III. La radiación electromagnética está cuantizada. Rpta. I. VERDADERA II. VERDADERA III. FALSA Ya que en el modelo de Planck la cuantización se baso en la energía que se almacena en los estados cuánticos 24. Indique las proposiciones correctas respecto de la radiación de cuerpo negro. I. Planck demuestra que la curva experimental de radiación del cuerpo negro se ajusta exactamente a la predicción de la teoría clásica II. El modelo de Planck de radiación solo es válido para frecuencias cercanas al UV III. Planck propone que los átomos de la superficie del cuerpo negro emiten cantidades discretas de energía Rpta. I. INCORRECTA Ya que según la teoría clásica, en el rango de longitudes de onda corta la intensidad de radiación debería tender hacia el infinito II. INCORRECTA Ya que es válido para la radiación ultravioleta, luz visible e infrarroja III. CORRECTA Ya que solo se dará emisión si es que existe una transición entre estados cuánticos IV. Problemas 26. En circunstancias favorables el ojo humano puede detectar 10–15 J de energía electromagnética. ¿Cuántos fotones de 5 000Å representan aproximadamente? (h = 6,63x10–34 J∙s, 1Å = 10–10 m) Solución: * Piden n * Recordar: fotónRad EnE . )..( fhnERad c hnERad .. 10 8 3415 10.5000 10.3 ).10.63,6.(10 n fotonesn 826,2513 28. Una estación de radio FM (La Zona) transmite a 90,5 MHz con una potencia de salida de 66 300 W. ¿Cuántos fotones, en 1031, emite al espacio durante una canción que dura 3 minutos? Solución: * Piden n * Recordar: fotónRad E t n P . )..( fh t n PRad )10.5,90).(10.63,6.( 180 66300 634 n fotonesn 10.889,19 31 30. En una placa de 0,5 m2 de superficie, incide luz monocromática de longitud de onda de 6,62×10−7 m. Determine el número de fotones que incide en la placa durante 1 min, si se sabe que la potencia por unidad de área, con la cual llega la luz es de 10−8 W/m2 (FINAL 2007-II) Solución: * Piden n * Recordar: Área E t n I fotón Rad . )..( 1 fh t n Área IRad c h t n Área IRad .. 1 7 8 348 10.62,6 10.3).10.63,6.( 60 . 5,0 1 10 n fotonesn 10.984,9 11 EFECTO FOTOELÉCTRICO (E.F.) I. Introducción * Examinemos los siguientes eventos: · Ciertos lugares cuentan con un sistema mediante el cual las puertas se abren o cierran automáticamente. ∙ Algunos postes de alumbrado público se enciende y apagan automáticamente a determinadas horas. · ¿Cómo ocurren estos fenómenos? ¡Para poder explicar estos fenómenos y otros más, estudiaremos el Efecto Fotoeléctrico! II. Antecedente Histórico * El primer indicio del efecto fotoeléctrico fue descubierto accidentalmente en 1887 por el físico alemán Heinrich Hertz, mientras realizaba experimentos acerca de la producción y recepción de ondas electromagnéticas. III. Concepto * Consiste en el desprendimiento (emisión o arrancamiento) de e-s de una sustancia mediante la incidencia de radiación. * Muestra el comportamiento corpuscular de la luz IV. Características * Fueron encontrados por Philipp von Lenard * Veamos: 1. Al incrementar la frecuencia de la radiación, aumenta la Ec de los e-s arrancados · Donde: 21 ff 21 VV · El número de electrones se mantiene constante Esto era contradictorio ya que al aumentar la frecuencia, debería incrementarse el número de e-s arrancados según la teoría clásica http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi-lZOPnP_JAhWG4CYKHVhsA4QQjRwIBw&url=http://ramanujan25449.blogspot.com.es/?view=classic&psig=AFQjCNFg2BGFT3W90XMalLgqfx4cqKHA5g&ust=1451414440514396 2. Al incrementar la intensidad de la radiación, aumenta el número de los e-s arrancados Observamos que la rapidez de los electrones arrancados se mantiene Esto era contradictorio ya que al aumentar la Intensidad, debería incrementarse la rapidez de los e-s arrancados según la teoría clásica 3. Si la radiación electromagnética no tiene una energía mínima, el electrón no era expulsado. El umbral mínimo sólo era alcanzado con radiación de cierta frecuencia. No hay emisión de e-s No hay emisión de e-s Si hay emisión de e-s Esto era contradictorio ya que: a. Los campos eléctricos oscilantes de la OEM, ejercen una fuerza al electrón el cual empieza a oscilar hasta ganar energía suficiente para desprenderse del átomo. Todo ello ocurría transcurrido un Δt considerable, lo cual NO ocurre en la experiencia. b. Si aumentamos el número de fuentes de luz roja, el electrón experimenta una mayor fuerza eléctrica y en algún momento tendría que desprenderse del átomo; pero, en la práctica esto NO ocurría. ¡Por lo tanto la mecánica clásica no podía explicar el efecto fotoeléctrico! V. Solución de Albert Einstein Albert Einstein (1879-1955) * Fue planteada en 1905 y premiado con el Nobel de Física en 1921 * Para dar solución a la problemática del E.F., plantea los siguientes postulados: · Principio de Conservación de la Energía · Hipótesis de Max Planck · Cada electrón absorbe un solo fotón * A partir de los postulados, propone la siguiente ecuación: máxfotón EcE 1. Energía del fotón RAD RADfotón c hfhE .. 2. Función Trabajo (ϕ) · Es la energía de enlace entre el electrón con el metal · Depende únicamente del metal · Es la mínima energía requerida para iniciar el E.F. · Se define: 0 0 .. c hfh Frecuencia Umbral (Es la frecuencia mínima) Longitud de onda Umbral (Es la λ máxima)· Se define: Energía del fotón Función Trabajo Energía Cinética Máxima 3. Energía Cinética Máxima (Ecmáx) 2. 2 1 máxmáx VmEc Donde: kgm 10.11,9 31 OBS.: Sabías que * Para darse el E.F.: .. :0 FEHabráffRAD .. :0 FEhayNoffRAD * Los electrones no absorben íntegramente a un fotón; ya que parte de la energía del fotón sirve para romper la conexión entre el electrón con el átomo OBS.: Experiencia de Millikan Robert Millikan (1868-1953) * Tratando de hacer ver que Einstein está equivocado, en 1917 logra verificar a través de los experimentos la ecuación de Einstein. Donde: 0ff E pendiente 0ff E pendiente fotón 0 0.. ff fhfh pendiente 0 0. ff ffh pendiente sJhpendiente 10.626,6 34 * Se hizo acreedor al premio Nobel en 1923. · La Ec es máxima; ya que los electrones arrancados son de la última capa de la zona extranuclear · Se define: VI. Preguntas 31. Respecto al efecto fotoeléctrico, identifique las proposiciones correctas: I. Es la emisión de radiación electromagnética de un metal al bombardearse con electrones muy energéticos. II. Es la emisión de electrones energizados de un metal al incidir sobre el metal una radiación electromagnética. III. Toda radiación al incidir sobre un metal puede producir el efecto fotoeléctrico Rpta. I. INCORRECTA Ya que consiste en la emisión de electrones al bombardear con radiación electromagnética al metal II. CORRECTA III. INCORRECTA Ya que para iniciar el E.F. se requiere de una frecuencia mínima 32. Con respecto al efecto fotoeléctrico, determine la veracidad (V) o falsedad (F) según corresponda I. La energía de los fotones incidentes debe ser mayor que el trabajo de extracción. II. En cualquier superficie metálica, la energía requerida para producir una emisión de electrones es la misma. III. Si duplicamos la intensidad de los fotones incidentes se duplicará el número de los electrones emitidos. Rpta. I. VERDADERA II. FALSA Ya que la energía requerida depende del tipo de material III. VERDADERA VII. Problemas 34. Sobre una superficie metálica con función de trabajo igual a 3×10−19 J, incide una onda electromagnética. Calcule aproximadamente la máxima longitud de onda (en nm), que debe de tener la onda electromagnética para que se observe el efecto fotoeléctrico. (h = 6,626×10−34 J∙s; c = 3×108 m/s; 1 nm = 10−9 m) Solución: * Piden λ0 * Recordar: 0. fh 0 . c h 0 8 3419 10.3).10.626,6(10.3 m 10.626,6 70 nm 6,6620 36. La energía cinética máxima “E” de los fotoelectrones de cierto metal depende de la frecuencia de la radiación que le incide según la gráfica adjunta. Determine el valor de “E” (en eV) (h = 4,14×10−15 eV∙s) Solución: * Piden E * Recordar: máxfotón EcE máxEcfhfh 0.. ).( 0ffhEcmáx )10.410.6).(10.14,4( 141415 máxEc eVEcmáx 828,0 38. La función trabajo del sodio es 2,3 eV. ¿Cuál será la energía cinética máxima, en J, de los fotoelectrones cuando luz de 2 000 Å incide sobre una superficie de sodio? (h = 6,626x10‒34 J·s y 1 eV = 1,602x10‒19 J) (FINAL 2011-II) Solución: * Piden Ecmáx * Recordar: máxfotón EcE máx RAD Ec c h . máxEc )10.602,1.(3,2 10.2000 10.3 ).10.626,6( 19 10 8 34 JEcmáx 10.2544,6 19 40. Se desea construir una célula fotoeléctrica que emita electrones con una energía cinética de 3 eV, cuando incida sobre ella un haz de radiación ultravioleta de longitud de onda de 300 nm. Calcule la longitud de onda umbral, en nm, del material a utilizar en la construcción de la célula. (h = 6,63.10-34 J∙s) Solución: * Piden λ0 * Recordar: máxfotón EcE máx RAD Ec c h c h 0 .. )10.6,1.(3 10.3 ).10.63,6( 10.300 10.3 ).10.63,6( 19 0 8 34 9 8 34 nm 88,10860 42. Se hacen dos experimentos de efecto fotoeléctrico sobre una misma superficie metálica. Se observa que cuando la frecuencia de la luz es de 1,9324x1015 Hz la energía cinética máxima de los fotoelectrones es K y cuando la frecuencia de la luz es 2,4155x1015 Hz la energía cinética máxima es 1,5K. ¿Cuál es la función trabajo (en eV) del metal? (h = 4,14×10–15 eV∙s) (UNI 2004-I) Solución: * Piden ϕ * A partir del enunciado: 1er Evento: máxfotón EcE Kfh 1. 1. fhK 2do Evento: máxfotón EcE Kfh 5,1. 2 12 .5,1. fhfh 5,1.5,1. 12 fhfh )5,1.(5,0 21 ffh )5,1(2 21 ffh 151515 10.4155,2)10.9324,1.(5,1).10.14,4.(2 eV 4 VIII. Arreglo Experimental 1. Concepto * Veamos: · El voltaje de frenado o potencial de frenado es la mínima diferenciade potencial que se debe tener para que el fotoelectrón llegue con las justas a la otra placa. · Del gráfico: 0EcEcW f F MN EL máxNM EcVVq 0).( máxEcVq 0. 0.VqEcmáx Donde: )(RADf )( máxEc )(0 V · Si el voltaje de la fuente fuera mayor al potencial de frenado, el electrón se detendrá mucho antes de llegar a la otra placa · Si el voltaje de la fuente fuera menor al potencial de frenado, el electrón llegará con cierta rapidez a la otra placa; a causa de ello, se tendrá una lectura por parte del galvanómetro (corriente fotónica o fotocorriente) · Si se invierte la polaridad de la fuente, los electrones arrancados serán acelerados y al llegar a la otra placa serán detectados por el galvanómetro (corriente fotónica o fotocorriente) * GráficaV0 vs f: Donde: 0 / f e pendiente 0 0 . . fe fh pendiente seV e h pendiente 10.14,4 15 * Tener en cuenta: 1er Caso: ∙ Donde: 21 ff 21 nn Número de Fotones 2do Caso: ∙ Donde: 21 ff 21 nn Número de Fotones OBS.: Sabías que * Si: VV 40 eVEcmáx 4 * Además: FECIN A mayor IRAD Mayor N° de electrones arrancados A mayor fRAD Mayor Ec de los electrones arrancados 2. Preguntas 43. Respecto del potencial de frenado y la fotocorriente indique la veracidad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones. I. El potencial de frenado es la mínima diferencia de potencial que se debe aplicar para poder detener a los electrones arrancados por la luz. II. Para conocer la rapidez con que son arrancados los electrones es suficiente conocer el potencial de frenado. III. Si el potencial es menor que el potencial de frenado necesariamente se podrá detectar una corriente eléctrica en el amperímetro. IV. Si se incrementa la intensidad de la luz y si el potencial es menor que el potencial de frenado necesariamente se incrementa la fotocorriente. Rpta. I. VERDADERA II. VERDADERA Ya que: 2 0 . 2 1 . máxmáx VmVqEc III. VERDADERA Ya que el electrón llegará con cierta rapidez a la otra placa; ocasionando una lectura por parte del amperímetro IV. VERDADERA Ya que se da un incremento de los fotoelectrones arrancados y ello provoca una mayor registro de corriente eléctrica 48. Sobre una misma placa metálica se realiza un experimento de efecto fotoeléctrico en que se hace incidir dos radiaciones A y B, pero en situaciones independientes. Si se construye una gráfica de la corriente fotoeléctrica versus el voltaje aplicado, como se muestra, indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda y elija la secuencia correcta. I. El voltaje de frenado para la radiación A es mayor que el voltaje para la radiación B. II. La frecuencia de las radiaciones A y B son iguales. III. La intensidad de las radiaciones A y B son iguales. Rpta. I. VERDADERA Ya que se encuentra más alejado del eje de coordenadas II. FALSA Ya que la radiación A presenta mayor frecuencia que la radiación B III. VERDADERA Ya que se observa la misma intensidad de corriente eléctrica; por ende, ambas radiaciones a bombardeado con el mismo número de fotones 3. Problemas 45. Halle el potencial de frenado Vo (en V) cuando se ilumina una placa de potasio con una luz de longitud de 3300 Å, la función trabajo para el potasio es de 1,05 eV. Solución: * Piden V0 * Recordar: máxfotón EcE máxRAD Ecfh . 0.. Vq c h RAD En eV: 0. V c h RAD 010 8 15 05,1 10.3300 10.3 ).10.14,4( V VV 714,20 47. La energía mínima para que se desprenda electrones del potasio es 2 eV, suponiendo que sobre el potasio incide luz de 331,5 nm. Determine el voltaje de frenado, en V, para los fotoelectrones más rápidos. (h = 6,63x10-34 J·s) Solución: * Piden V0 * Recordar: máxfotón EcE máxRAD Ecfh . 0.. Vq c h RAD En eV: 0. V c h RAD 09 8 15 2 10.5,331 10.3 ).10.14,4( V VV 746,10 RAYOS X I. Concepto * En 1895, Wilhelm Konrad Roentgen descubrió en forma casual que una corriente de e-s (conocidos en esa época como rayos catódicos) al chocar con un obstáculo producían una radiación que Roentgen llamó X, porque no conocía su naturaleza. * Los estudios posteriores demostraron que estos rayos son simplemente otro tipo de radiación electromagnética y que provenían de los saltos de los electrones en las capas internas del átomo (capas K, L, M,...) * Características de los Rayos X: ∙ Ante la acción de campos magnéticos, no presentan desviación alguna ∙ Al incidir sobre el vidrio, son reflejados totalmente ∙ Presentan alto poder de penetración ∙ Es ionizante ∙ Donde: 1 pm < λ < 10 nm II. Arreglo Experimental * Veamos: · Los electrones son arrancados del cátodo por el efecto termiónico · Los electrones son acelerados a causa de una fuente · Donde finalmente serán frenados violentamente por el ánodo (blanco) · A este fenómeno se le llamó Bremsstrahlung (Radiación de Frenado) * Examinemos el experimento: · A causa de la fuente: 0EcEcW f F MN EL 0. máxNM EcVVq Amáx VqEc .máxA EcVq . Voltaje Acelerador · A causa del impacto: térmicaChDXRmáx EEcEEc .. - Si: 0.. ChDEc 0térmicaE - Reemplazando: máxXRmáx EEc mín A c hVq .. A mín Vq ch 1 . . A mín V 610.24,1 Voltaje Acelerador (en decenas de kV) Relación de Duane - Hunt Longitud de onda de Corte Donde: )(AV )( mín - Si: 0.. ChDEc 0térmicaE - Se tendrá: máxXR EcnE . A XR Vqn c h ... A XR Vnq ch . 1 . . nVn mín A XR . 10.24,1 6 Factor de Transformación * La λmín depende del voltaje acelerador y no del material del cual este hecho el blanco * Los diferentes electrones no chocan con el blanco de igual manera, así que este puede ceder su energía en una o en varias colisiones, produciendo un espectro continuo. * Gráfica de la IRad vs λ de los rayos X emitidos para voltajes de aceleración aplicados, se obtienen resultados como los mostrados en la figura adjunta (el blanco es Tungsteno). III. Preguntas 49. Se tiene un tubo de generación de rayos X, donde electrones son acelerados por una diferencia de potencial de V voltios, para chocar contra un blanco metálico. Señale las proposiciones correctas: I. Los rayos X son electrones muy energizados que rebotan en el blanco metálico. II. Los rayos X son radiaciones electromagnéticas cuyas longitudes de onda están en el orden de 1 angstroms (Å) III. Se emitirán fotones de rayos X con cualquier valor de longitud de onda. Rpta. I. INCORRECTA Ya que los rayos X no son electrones, son ondas electromagnéticas II. CORRECTA Ya que: 1 pm < λ < 10 nm III. INCORRECTA Ya que se emitirán longitudes de onda a partir de un mínimo valor hacia adelante 50. Respecto a los rayos X responda verdadero (V) o falso (F) según corresponda I. La longitud de onda mínima de los RX generados depende del material empleado como blanco. II. Al impactar los electrones en el blanco se producen RX de muchas longitudes de onda. III. A mayor energía del electrón incidente, se obtendrá RX de mayor longitud de onda. Rpta. I. FALSA Ya que la longitud de onda mínima solo dependerá del voltaje acelerador únicamente II. VERDADERA Ya que se emitirán longitudes de onda a partir de un mínimo valor hacia adelante III. FALSA Ya que a mayor voltaje acelerador, menor será la longitud de onda mínima
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