TEORIA CUANTICA

TEORIA CUANTICA: la solución de Planck, el efecto fotoeléctrico y efecto Compton
Autor: Xihomara Lizzet Casallas Cruz
G9N7
DI. 1015418126
RESEÑA
¿Cómo se comporta la Luz?
A mediados del siglo XIX debido a la inconsistencia de los modelos de la física clásica aplicados al
movimiento de los electrones como parte fundamental del átomo y de la materia, se vio la
necesidad de crear una nueva teoría que explicara estos fenómenos: la mecánica cuántica. Así
consecuencia al estudio de la materia y para entender el comportamiento de esta, por medio del
concepto de la luz se requiere un entendimiento adecuado de ésta última. Ese entendimiento
cambió con Planck y su teoría cuántica de los cuerpos negros. La teoría cuántica dio paso a una
revolución científica con ideas que reemplazaron la antigua física. En 1905 la aplicación de la
teoría cuántica de Einstein concluyó en un paso fundamental seguido de Comptom, ideas que se
tradujeron en la nueva física, la moderna mecánica cuántica.
ENSAYO
“El conocimiento de las propiedades de la luz nos permite comprender el color azul de cielo y el
dispositivo de diseño óptico como los telescopios, microscopios, cámaras, anteojos y hasta el ojo
humano.”1
En el auge de Isaac Newton era conocido que la luz era una corriente de partículas emitidas por
fuentes de luz pero hasta 1665 se consideraron indicios de que la luz tenía comportamiento
ondulatorio, pero sólo hasta mediados del siglo XIX se pudieron demostrar. Para 1873 Maxwell
apareció con la teoría de las ondas y Hertz afirmó que la luz era una onda electromagnética.
En 1887, Hertz observó que en los tubos que estaban al vacío, cuando se proyectaba luz a una
pieza de metal ocurrían unos fenómenos eléctricos inexplicables ya que el electrón aún no había
sido descubierto. Tiempo después con el trabajo de algunos científicos se descubrió que los
experimentos realizados con luz ultravioleta proporcionaban unos resultados que eran difíciles de
explicar. Algunas observaciones a los experimentos fueron que la frecuencia de luz utilizada para
iluminar el metal marcaba una diferencia : Bajo cierta frecuencia umbral de frecuencia, no había
emisión de electrones; por encima de esa frecuencia había emisión, otra observación es que a una
mayor intensidad no hacía que los electrones se emitieran más rápido, como se esperaba, sino
que se emitían mayor número de electrones, pero a una frecuencia muy alta de luz provocaba
mayor rapidez en la emisión de electrones. Esto rompió un paradigma ya que se creía que la
intensidad estaba relacionada de una manera proporcional con la energía de la onda, pero los
electrones nos salían con una mayor energía cinética, fenómeno que si ocurría cuando se
incrementaba la frecuencia.
Los científicos comenzaron a estudiar la interacción luz-materia para comprender la forma en que
los materiales emitían y absorbían luz. Los cuerpos en teoría fáciles de estudiar recibieron el
nombre de cuerpos negros, los cuales presentaban características como: que son absorbedores y
emisores perfectos y que la radiación dependía de la temperatura únicamente y no del material.
Para modelar el comportamiento del cuerpo negro se hicieron una serie de experimentos,
sobresalió el experimento de Rayleigh donde supuso que la energía de una onda luminosa es
proporcional a su longitud de onda, propuso una ecuación que más tarde fue corregida por Jeans
que describe la energía por unidad de volumen en función de la longitud de onda:
Donde k es la constante de Boltzmann, la longitud de onda, T la temperatura absoluta.
El problema de esta deducción es que conforme disminuye la longitud de onda la densidad de
energía tiende a infinito lo que no concordaba con los resultados experimentales de describían
que la energía llegaba a un máximo y comenzaba a disminuir. Se dieron cuenta que esto sucedía
cuando se encontraba en la región de la luz ultravioleta así el fenómenos se conoció como
catástrofe ultra violeta.
Finalmente en 1900 Max Planck propuso una ecuación que predecía las intensidades de la
radiación del cuerpo negro. Planck consideró que la luz interactuaba con oscilaciones eléctricas en
la materia y que la energía de estas era proporcional a su frecuencia.
Donde h es la constante de Planck 6,626x10-34 J.s y v es la frecuencia, esta se conoció como la
energía de un cuanto. Por lo tanto se afirma que la energía de un oscilador está cuantizada, la
distribución de energía se replantea de la siguiente manera: c es la velocidad de la luz 3x108 m/s.
Pero Planck utilizó esa teoría cuántica aplicada a osciladores, mientras que Einstein en 1905
publicó un artículo donde la aplicaba a la luz misma: afirmó que un cuanto de luz era la energía
que posee la luz y que esa energía es proporcional a la frecuencia de la luz. Einstein supuso
algunas afirmaciones con respecto al efecto fotoeléctrico antiguamente explorado pero sin éxito
alguno:
La luz es absorbida por los electrones en un metal y la energía de la luz es directamente
proporcional a la energía del electrón.
El electrón esta enlazado al metal por una energía de enlace, cuando la luz incide sobre el metal
debe vencer esa energía antes de que el electrón sea expulsado del metal. Esta energía se conoce
como función de trabajo W.
El exceso de energía después de la función trabajo se convierte en energía cinética que lleva el
electrón.
La relación entre la energía de la luz y la del electrón se expresa de la siguiente manera:
Estas observaciones ponen en evidencia las propiedades corpusculares de la luz ya que para que
haya una transmisión de energía debe haber una colisión entre partículas en este caso fotónelectrón. De esta conclusión partió Arthur Compton 1923, cuando el fotón colisiona, éste cede
parte de su energía y sale con una energía menor, lo que se traduce en una longitud de onda más
grande. Entonces la longitud de onda de los fotones incidentes 0 y la longitud de onda de los
fotones dispersados están relacionadas y dependen del ángulo de dispersión θ.
𝛌0
Donde h y c ya fueron descritas, m0 es la masa en reposo del electrón.
=
es la longitud de onda de Compton y tiene un valor de 0,0242 .
El efecto Compton es una ampliación del efecto fotoeléctrico, este científico demostró y convenció
a todos los científicos de la validez de los argumentos de Einstein, paso definitivo que animó a los
científicos de la época a estudiar y ampliar el conocimiento de la naturaleza desde la física
cuántica, porque todavía faltaban preguntas por resolver ejemplo de esto son: ¿Cómo es la
estructura atómica? ¿Cómo plantear la mecánica cuántica si esta es diferente a la mecánica
clásica?
CONCLUSIONES
La teoría cuántica de Planck resolvió una de las grandes incógnitas de la física antigua, la radiación
del cuerpo negro, esa teoría es considerada como la puerta a la física moderna, a partir de 1900
los descubrimientos realizados se consideran de la física moderna.
Nada se hubiera demostrado sin la creación de una nueva teoría ya que la física antigua no pudo
especificar la naturaleza de la Luz.
BIBLIOGRAFÍA
 SEARS Zemansky Física Tomo II Ed. Mc Graw Hill.
 M. García y J. Ewert, Introducción a la física moderna, Unibiblos, Bogotá.
 BALL David Fisicoquímica. Ed. Thompson, México, 2004
 LEVINE, Fisicoquímica Tomo I, Ed Mc Graw Hill. Mexico. 2002.