Unidad 10: Física Cuántica

Física cuántica
10.1
Unidad 10: Física Cuántica
I Introducción
Como hemos visto en la unidad anterior, la crisis de la física clásica a principio del siglo XX tiene
que ver con la imposibilidad de detectar un sistema de referencia absoluto. Otro de los aspectos en
los que fallaba tenía que ver con la absorción y emisión de ondas electromagnéticas.
•
La emisión de la radiación en los cuerpos presentaba inconsistencias
•
El efecto fotoeléctrico, emisión de electrones al iluminar superficies metálicas
•
La emisión electromagnética de gases al calentarlos. Se esperaba un espectro continuo y se
obtenía uno discontinuo
Estos “pequeños” problemas contribuyeron a la crisis de la física clásica, marcando sus límites de
validez y pusieron en evidencia la necesidad de cambiarla.
Inicialmente las primeras soluciones aparecen como “retoques” para seguir usando la física de
siempre (igual que sucedió con Lorentz y su hipótesis de acortamiento del interferómetro), pronto
se ve la necesidad de replantearlo de manera global.
II Radiación del cuerpo negro
La teoría electromagnética generaba un problema cuando intentaba
explicar la emisión de radiación de cualquier objeto en equilibrio,
llamada radiación térmica, que es la que proviene de la vibración
microscópica de las partículas que lo componen.
Se propuso un modelo llamado Cuerpo Negro para describir la
radiación emitida por los cuerpos. Se trata de un material que es capaz
de absorber toda la energía que recibe y que es capaz de emitir en todas
las longitudes de onda formando un espectro continuo.
El gráfico de la derecha muestra una representación de la energía
emitida por un cuerpo negro.
La cantidad total de energía emitida por unidad de tiempo y superficie es proporcional a T4 según
E=σT 4
−8
con σ=5,67· 10
Ley de Stefan-Boltzmann
J
m s K4
2
Usando las ecuaciones de la electrodinámica clásica, la energía térmica emitida tendía al infinito si
se suman todas las frecuencias en que emitía el objeto.
En 1900 al físico alemán Max Planck se le ocurrió un artificio matemático: si en el proceso
aritmético se sustituía la integral de esas frecuencias por una suma no continua, se dejaba de obtener
infinito como resultado, con lo que se eliminaba el problema; además, el resultado obtenido
concordaba con lo que después era medido. Enunció la hipótesis
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10.2
la radiación electromagnética es absorbida y emitida por la materia en forma de «cuantos» de luz
de energía
E=h ν
con h=6,63⋅10−34 J s
III El efecto fotoeléctrico
En 1887, Hertz llevó a cabo los experimentos que confirman por primera vez la existencia de ondas
electromagnéticas predichas por Maxwell. Hertz, apreció en el curso de sus experimentos que las
descargas eléctricas entre electrodos saltaba con más facilidad si se iluminaba uno de ellos.
1. A modo de hipótesis, intenta explicar este fenómeno
2. Partiendo de los conocimientos de la luz como onda electromagnética con una distribución
uniforme de energía. Explica como deben influir la frecuencia y la intensidad sobre: la
cantidad de electrones emitidos, su energía cinética, el tiempo que tardan en emitirse.
Mediante el montaje experimental de la figura, se puede estudiar con detenimiento el efecto
fotoeléctrico.
En el recipiente de vidrio se ha hecho el vacío. Si se ilumina con luz el ánodo, se “cierra” el circuito
y comienza a pasar corriente, lo cual nos hace pensar que se comienzan a emitir electrones que se
mueven hacia el cátodo.
Si en el montaje invertimos el potencial de la pila, se puede observar que disminuye la corriente.
Esto se debe a que los electrones se van “frenando” por el camino. En el momento en que deja de
pasar corriente, todos los electrones se han frenado y el potencial se llama “potencial de frenado”.
La energía potencial de frenado es igual a la energía cinética de los electrones, con lo que
disponemos de una medida de la energía cinética de los electrones.
El efecto tiene las siguientes características:
– El efecto es instantáneo: nada más iluminar el metal se emiten electrones
– No se da el efecto fotoeléctrico para cualquier tipo de luz. Para cada metal existe una
frecuencia de luz por debajo de la cual no se emiten electrones (frecuencia umbral). Por
encima de esa frecuencia umbral los electrones son cada vez más energéticos.
– Cuando sucede el efecto, aumentar la intensidad de luz no aumenta la energía cinética de los
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electrones, sin embargo, aumenta la corriente que mide el amperímetro de manera
proporcional al aumento de intensidad de luz.
La explicación teórica fue hecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionario
artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”, basando su formulación de la
fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck.
La luz incidente se considera un conjunto de partículas llamadas fotones sin masa y sin carga que
transportan una energía E=h ν. Cuando uno de esos fotones incide sobre una placa de metal, parte
de su energía se invierte en extraer el electrón y otra parte se invierte en aumentar su energía
cinética.
1. A la luz de esta explicación, justifica las tres características del efecto fotoeléctrico antes
enunciadas
El trabajo de extracción del electrón depende del material empleado. Pero como sabemos que cada
metal tiene una frecuencia umbral, deducimos que existirá un fotón que arrancará el electrón sin
comunicarle energía cinética:
W ext =E umbral =h ν0
Por otra parte, la energía cinética máxima es igual a la energía potencial de frenado:
E C =e V frenado
MAX
De manera que la ecuación que representa la explicación dada puede escribirse como:
E=W Ext + E C
MAX
h ν=h ν0+ e V f
Einstein recibió el premio Nobel en 1921 ya que no fue posible antes la comprobación experimental
con suficiente exactitud. En 1923 Millikan recibió también en Nobel tras estar 10 años intentando
demostrar que el razonamiento de Einstein era erróneo sin conseguirlo.
IV El espectro discontinuo y su interpretación cuántica
Si en un tubo de vacío con sus dos electrodos se introduce un
gas a baja presión y se aplica una diferencia de potencial
entre sus extremos, las descargas que se producen entre
electrodos calientan el gas y éste se pone a emitir luz.
Si se hace pasar esta luz por un prisma, se produce una
dispersión cromática. Clásicamente, era de esperar que este
espectro fuese continuo. Sin embargo, se produce un espectro
de emisión discontinuo.
Si hacemos que luz blanca atraviese el gas, el espectro
resultante es casi continuo, pero le “faltan” justo las misma líneas que aparecían en el espectro de
emisión. A este espectro se le llama de absorción.
Estos espectros, eran empleados por los químicos para analizar sustancias químicas. En 1860
Kirchoff y Bunsen demostraron que había muchos elementos distintos en el sol. En 1903 Ramsay
encontró un nuevo elemento en el sol al que llamó Helio.
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10.4
Ampliando las líneas del espectro de emisión se descubren nuevas líneas muy juntas. Estudiando la
relación entre las líneas, se llega a la conclusión que:
(
1
1 1
λ=R H n2i – n2j
)
con R H =1,09 · 107 m−1 llamada constante de Rydberg
ni = 1 → Ultravioleta (Lymann)
ni = 2 → Visible (Balmer)
ni = 3 → Infrarojos (Paschen)
ni = 4 → Infrarojos (Bracket)
con nj =[ n i+ 1, ∞ [
De alguna manera, se intuía que esto estaba relacionado con la interacción entre radiación y los
átomos de la materia.
V Modelos atómicos
En 1986 Becquerel descubre la radiactividad y poco después Rutherford la estudia y clasifica en
rayos alfa, beta y gamma. Además demuestra que en las alfa y beta, los átomos de un elemento se
convertían en otros. En 1911, demuestra que los átomos poseen un núcleo muy masivo y que su
volumen está prácticamente vacío. Propuso un modelo atómico que consistía en un núcleo muy
masivo compuesto por cargas positivas alrededor del cual giraban (como los planetas) los
electrones.
1. Este modelo era inestable según la física clásica ¿por qué?
A pesar de ser inestable, el modelo explicaba los resultados obtenidos en laboratorio. En 1913, un
alumno suyo llamado Niels Bohr, corrigió el modelo aplicando la cuantización de Plank.
1 - Modelo Atómico de Bohr
Se basa en tres postulados
•
Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo del átomo sin radiar energía.
Cada órbita se identifica mediante un número llamado número cuántico principal (n)
•
No todas las órbitas para electrón están permitidas, tan solo se puede encontrar en órbitas
h
cuyo radio cumpla que el momento angular L del electrón sea un múltiplo entero de ℏ=
2π
Esta condición matemáticamente se escribe: L=mvr=n ℏ
•
El electrón solo emite o absorbe energía en los saltos de una órbita permitida a otra. En
dicho cambio emite o absorbe un fotón cuya energía es la diferencia de energía entre ambos
niveles.
2. Basándote en el modelo atómico de Bohr ¿sabrías explicar los espectros de absorción y
emisión de los gases?
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El modelo de Bohr permitió explicar los espectros atómicos, pero pronto surgieron problemas que
obligaron a modificarlo. Fallaba especialmente en espectros de átomos polielectrónicos, incluso en
los casos más sencillos, el modelo era incapaz de explicar la mayor intensidad o anchura de unas
líneas espectrales sobre otras.
Por otra parte, al usar espectroscopios más potentes, aparecieron desdoblamientos de las líneas
espectrales que el modelo no era capaz de predecir.
2 - El experimento de Frank-Hertz
Uno de los inconvenientes que presentaba el
modelo de Bohr, era que se podía considerar
que la cuantización se debía a una interacción
“especial” entre radiación (cuantizada por
Plank) y la materia.
Los físicos alemanes Frank y Hertz estudiaron
los choques entre átomos y electrones con el
experimento de la figura
Los electrones emitidos por el cátodo son acelerados hacia la rejilla según el potencial de
aceleración. Los electrones más energéticos llegan a la placa colectora (los otros se disperan por
choques con el gas) y producen una corriente medida por el amperímetro.
Clásicamente, era de esperar que la cantidad de electrones que llegaran a placa colectora aumentara
proporcionalmente al voltaje de aceleración. Sin embargo, la gráfica que se obtiene es
Es decir, aparecen unos mínimos de intensidad. Frank y Hertz interpretaron que los electrones
sufrían choques inelásticos con los átomos de mercurio, cediendo parte de su energía. Al estudiar
cuánta energía se perdía, comprobaron que el resultado coincidía con la de los fotones que
formaban las distintas rayas espectrales del mercurio.
Este experimento, demuestra pues que existen en los átomos niveles energéticos sin recurrir a la
interacción radiación-materia.
3 - Propiedades ondulatorias de las partículas
El estudio del efecto fotoeléctrico puso de manifiesto que las ondas se pueden comportar como
partículas. Louis de Broglie propuso en 1923 una relación inversa, es decir, postulaba que una
partícula se puede comportar como una onda.
Si tenemos en cuenta un fotón, su energía según la relatividad es E= pc
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Por otra parte, según la hipótesis de Plank la energía del fotón viene dada por E=h ν=h
c
λ
h
h
Igualando ambas expresiones λ= =
p mv
Hemos hallado una relación entre magnitudes ondulatorias ( λ, ν…) con magnitudes de partículas
( m, p ).
Dualidad onda-partícula
h
λv
•
Cualquier onda de longitud de onda λtiene asociada una masa (energía) m=
•
Cualquier partícula de masa m y velocidad v tiene asociada una onda cuya longitud de onda
h
es λ=
. Estas ondas, no son electromagnéticas y se han llamado ondas materiales.
mv
En 1927, Davisson observó por primera vez un patrón de interferencia (típicamente ondulatorio) de
electrones (materia) al lanzarlos contra un cristal de níquel.
Principio de complemantariedad
Es imposible reunir en un sólo experimento los aspectos ondulatorios y corpusculares de un sistema
físico. La totalidad de resultados observados son complementarios y en conjunto describen
completamente el sistema observado.
4 - Modelo atómico de la mecánica cuántica
Las ondas materiales permitieron justificar el segundo postulado de Bohr.
h
h
h
∣⃗
L∣=n
→ rmv=n
→ 2 πr=n
→ 2 πr=n λ
2π
2π
mv
Las posibles órbitas electrónicas estables tienen una longitud que es un múltiplo entero de
longitudes de onda de De Broglie.
El electrón forma ondas materiales estacionarias en las órbitas y de esta manera no radia energía.
En todas las ondas varía alguna magnitud. ¿Qué magnitud varía en las ondas materiales?
En 1926, Erwin Schrodinger formuló una ecuación de ondas y llamó a la magnitud que variaba Ψ.
iℏ
∂ Ψ(⃗
r , t)
ℏ2 ⃗
=−
∇ Ψ( ⃗
r , t)+ V ( ⃗
r , t)Ψ( ⃗
r , t)
∂t
2m
Esta magnitud no puede observarse directamente y aunque se le ha intentado atribuir, no tiene
significado físico directo.
Esta ecuación describe el movimiento de cualquier partícula. Su resolución depende de las
condiciones impuestas al movimiento y porporciona una funciones matemáticas llamadas funciones
propias que a su vez llevan asociados unos valores propios (valores permitidos) de la energía.
Para electrones en un átomo, las funciones propias son funciones espaciales llamadas orbitales.
Además, la resolución impone la cuantización de varias magnitudes físicas de los electrones:
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La energía
El módulo de L
La proyección de ⃗
L sobre
el eje z
E n=−
RH
n
2
10.7
n=1,2,3...
número cuántico principal.
h
∣⃗
L∣=√ l (l+ 1)
l = 0, 1, … (n–1) número cuántico orbital
2π
L z =m l
h
2π
h
∣⃗
S∣=√ s ( s+ 1)
2π
La proyección del momento
ángular intrínseco (spin)
h
S z=m s
2π
ml = [–l , +l ]
s=
1
2
m s=±
número cuántico magnético
Número cuántico de espín
1
2
que aparece al tener en cuenta efectos
relativistas en la ecuación de ondas
Cada conjunto de números cuánticos n, l y m definen un orbital o solución de la ecuación de ondas.
A su vez, cada orbital puede albergar un máximo de dos electrones con espines ms diferentes.
Para representar los orbitales, se recurre a zonas de probabilidad ( Ψ2 ) y se traza una superficie
cerrada en el espacio donde haya un 90% de probabilidad de encontrar los electrones.
Werner Heisenber, desarrolló la mecánica cuántica independientemente por un camino equivalente,
pero usando una notación matricial.
5 - Interpretación probabilista
La posición de una onda sólo se puede precisar con un orden de magnitud similar a su longitud de
onda. Dado que cualquier partícula es tambien una onda, parece lógico pensar que sólo se podrá
precisar su posición con el valor de su longitud de onda material asociada.
En 1926, el físico alemán Max Born, interpretó esta limitación en términos de probabilidad de
encontrar a la partícula en un espacio igual a su longitud de onda de De Broglie asociada. Esta
probabilidad está directamente relacionada con Ψ2 (densidad de probabilidad).
Esta interpretación probabilista (llamada de Copenhague) no fue aceptada inicialmente por algunos
físicos importantes (Einstein, De Broglie, …) Sin embargo, actualmente es aceptada
mayoritariamente.
VI Relaciones de indeterminación
La cuantificación de la imprecisión de la medida de las propiedades de una partícula la hizo
Heisenberg en 1927 enunciando su famoso principio de indeterminación:
No es posible medir simultáneamente la posición y el momento (velocidad) de una partícula con
total precisión. Los errores en las precisiones vienen determinados por:
Δp⋅Δx ⩾h
En un principio, puede parecer que esto aparece como consecuencia del proceso de medida, pero se
trata de un hecho inherente a la naturaleza de los entes cuánticos.
Albert Einstein, propuso que el principio de incertidumbre se podía aplicar a cualquier pareja de
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magnitudes físicas que tengan dimensiones de acción (L2 M T-1).
Las magnitudes más empleadas después de las anteriores son la E y t.
ΔE⋅Δt⩾h
VII Ejercicios
1. El Sol se puede considerar como un cuerpo negro que emite a unos 5800 K.
a) Determina la energía emitida por unidad de superficie y de tiempo.
b) ¿A qué longitud de onda la emisión de energía radiante es máxima?
2. Un cuerpo está radiando energía. Conforme a la hipótesis de Planck:
a) Determina la energía de un “cuanto” cuya longitud de onda es λ = 25 nm.
b) Calcula la frecuencia correspondiente a dicho cuanto de energía.
3. La Ley de Stefan-Boltzmann se transforma en la expresión E=AσT 4 cuando el cuerpo que
radia no se puede considerar completamente negro. Al coeficiente A (A < 1) se le denomina
poder absorbente de su superficie y toma 1 para el cuerpo negro. Determina la energía que
radia un cuerpo de poder absorbente A = 0,9 cuando se encuentra a 1000 K de temperatura.
Dato. σ = 5,67 · 10–8 W m–2 K–4
4. Se puede suponer que el Sol se comporta aproximadamente como un cuerpo negro con una
temperatura superficial de 6000 K. Calcula:
a) La energía total que radia su superficie cada segundo.
b) La frecuencia de la luz más abundante en su espectro.
Datos. Radio solar Rs = 0,7 · 109 m
Cte. de Wien: 2,897 · 10–3 m K
Cte. de Boltzmann σ = 5,67 · 10–8 W m–2 K–4
5. Un objeto que puede ser considerado como un cuerpo negro radia el máximo de energía en la
longitud de onda de 650,0 nm.
a) Determina su temperatura.
b) Suponiendo que su forma es una esfera de 0,3 m de radio, calcula su potencia radiante y
la energía que radia en 2 minutos.
(Toma del texto los valores de las constantes.)
6. El espectro de luz visible (luz blanca) incluye longitudes de onda comprendidas entre 380
nm (violeta) y 780 nm (rojo).
a) Determina la frecuencia de la radiación correspondiente a estos colores.
b) Calcula, conforme a la hipótesis de Planck, la energía de los fotones que corresponden a
luz violeta y luz roja.
c) ¿Cuántos fotones de luz roja son necesarios para acumular 3 J de energía?
Datos: c = 3,00 · 108 ms–1; h = 6,63 · 10–34 J s
7. La teoría ondulatoria clásica supone que las ondas transportan la energía de forma continua.
En ella la energía depende de la intensidad de la onda. Indica alguna evidencia experimental
que entre en contradicción con los anteriores supuestos.
8. La longitud de onda umbral de un cierto metal es de 250 nm. Determina la frecuencia umbral
de la luz necesaria para extraer electrones de la superficie.
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10.9
9. ¿Producirá efecto fotoeléctrico una luz de 1015 Hz de frecuencia?Cuando una radiación de
250,0 nm incide sobre un metal, los electrones emitidos por efecto fotoeléctrico tienen una
velocidad máxima de 2,0 · 105 m s–1.
a) ¿Qué energía poseen los fotones incidentes?
b) Determina el trabajo de extracción correspondiente a ese metal.
c) Calcula su frecuencia umbral.
Datos. c = 3,00 · 108 m s–1; h = 6,63 · 10–34 J s; me = 9,1 · 10–31 kg
10. Se sabe que una superficie metálica tiene una frecuencia umbral en relación al efecto
fotoeléctrico de 5,00 · 1014 Hz. ¿Con qué velocidad se emiten electrones al ser iluminada
con luz de 7,00 · 1014 Hz?
Datos. c = 3,00 · 108 m s–1; h = 6,63 · 10–34 J s; me = 9,1 · 10–31 kg
11. ¿Por qué las superficies metálicas son las más apropiadas para producir efecto
fotoeléctrico? De entre ellas, ¿cuáles son las que lo producen más fácilmente?
12. El cesio es un metal que tiene una baja energía de ionización y es capaz de emitir electrones
por efecto fotoeléctrico cuando se ilumina con luz de 579 nm.
a) Calcula la función trabajo de este metal e indica el resultado en julios y electronvoltios.
b) Determina la energía de los electrones emitidos por una célula fotoeléctrica de cesio
cuando se ilumina con luz de 400,0 nm.
13. Se hace incidir luz monocromática de 420 nm de longitud de onda y de 10 –3 W de potencia
sobre una superficie de cesio. Sabiendo que el trabajo de extracción de este metal es 1,93 eV
y suponiendo un rendimiento cuántico del 100% (cada fotón incidente extrae un electrón),
determina:
a) La corriente de electrones liberada por la superficie metálica.
b) El potencial de retardo que habría que aplicar para anularla.
14. Cuando se ilumina una superficie de potasio situada en un ambiente de vacío con luz de 589
nm, se liberan electrones que se detienen con un potencial retardador (potencial de frenado)
de 0,35 V. Si se ilumina la misma superficie con luz de 253,7 nm, el potencial de frenado de
los electrones emitidos es ahora de 3,14 V. Conociendo que la carga del electrón en valor
absoluto es 1,6 · 10–19 C y tomando como velocidad de la luz en el vacío c = 3,00 · 10 8 m s–1,
determina:
a) El trabajo de extracción de la superficie metálica citada.
b) El valor de la constante de Planck.
c) La longitud de onda umbral y la frecuencia umbral del potasio.
15. El potencial de frenado de los electrones emitidos por una superficie metálica cuando incide
sobre el una luz de 350 nm de longitud de onda es 2,45 V.
a) Determina la función de trabajo (trabajo de extracción) de la superficie expresada en eV.
b) Calcula la longitud de onda umbral en nm para que se produzca efecto fotoeléctrico en
esta superficie.
Datos. h = 6,63 · 10–34J s; c = 3,00 · 108 m s–1; carga del electrón, e = –1,60 · 10–19 C
16. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas razonando la respuesta.
a) El efecto fotoeléctrico se produce más fácilmente en superficies de elementos no
metálicos.
b) La emisión de fotoelectrones es inmediata como predice la teoría ondulatoria.
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10.10
c) Cualquier superficie metálica emite electrones por efecto fotoeléctrico al ser iluminada
con todo tipo de fuentes luminosas.
d) La teoría ondulatoria de la luz puede explicar perfectamente las características del efecto
fotoeléctrico.
e) Cada superficie metálica tiene una frecuencia umbral de emisión que está relacionada
con la mayor o menor dificultad de ionización de sus átomos.
17. Determina la frecuencia umbral de una superficie de sodio sabiendo que una luz de 400 nm
de longitud de onda extrae electrones cuya energía cinética es 0,35 eV.
18. Un cierto haz luminoso provoca efecto fotoeléctrico en un determinado metal. Explica
cómo se modifica el número de fotoelectrones y su energía cinética en los siguientes casos.
a) Si aumenta la intensidad del haz luminoso.
b) Si aumenta la frecuencia de la luz incidente.
c) Si disminuye la frecuencia de la luz por debajo de la frecuencia umbral del metal.
19. Para la serie de Balmer del espectro del átomo de hidrógeno, calcula:
a) Las longitudes de onda de la primera y de la segunda raya.
b) La diferencia de energías de los niveles energéticos entre los que se produce la transición
electrónica que origina la primera raya.
c) La longitud de onda que corresponde al límite de la serie.
20. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.
a) Las rayas de las series espectrales del hidrógeno se van separando conforme aumenta su
longitud de onda.
b) Cuanto más a la izquierda estén las rayas de una serie espectroscópica, menos
energéticos son los fotones que las forman.
c) El experimento de Franck-Hertz se basa en la existencia de choques elásticos e
inelásticos entre electrones y átomos.
21. Determina la longitud de onda material de De Broglie para las siguientes partículas.
a) Un electrón acelerado a través de una diferencia de potencial de 2000 V.
b) Un móvil de 0,04 kg de masa con una velocidad de 200 m s–1.
c) Compara los resultados con el tamaño respectivo de cada objeto y deduce alguna
consecuencia de ello.
Datos. me = 9,1·10–31 kg; e = 1,6 · 10–19 C.
22. Calcula la relación entre las longitudes de onda de De Broglie asociadas a un grano de
polen de 10–3 g de masa impulsado con una velocidad de 20 m s –1 y a un neutrón con una
velocidad de 2,4 · 104 m s–1.
23. Halla la ddp que hay que aplicar a un cañón de electrones para que la longitud de onda
asociada a los electrones sea de 7 · 10–11 m.
Datos. me = 9,1 · 10–31 kg; e = 1,6 · 10–19 C
24. Realiza los siguientes cálculos para el átomo de hidrógeno.
a) Calcula el valor de la energía de los niveles principales n = 1, 2 y 3.
b) Determina el valor del módulo del momento angular en un subnivel 2s y otro 2p.
c) Determina los valores de los números cuánticos asociados a los electrones del átomo de
carbono (Z = 6).
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25. Indica si son ciertas o falsas las siguientes afirmaciones razonando la respuesta.
a) La función de ondas, ψ, de la ecuación de Schödinger es una magnitud física medible.
b) La mecánica cuántica supone una concepción probabilística de la naturaleza.
c) La expresión ψ2 mide la probabilidad de encontrar una partícula en un determinado sitio.
d) Los orbitales delimitan zonas del espacio de la corteza atómica donde hay un 100% de
probabilidad de encontrar electrones.
26. Un protón se encuentra confinado en un núcleo que tiene un radio aproximado de 10–14 m.
a) Calcula la indeterminación asociada a la medida del momento lineal del protón
confinado en el núcleo.
b) Si la masa del protón es exactamente 1,672 · 10 –27 kg calcula la indeterminación en la
medida de su velocidad.
27. El tiempo medio que transcurre entre la excitación de un átomo y la emisión de un fotón es
de 10– 8 s.
a) Calcula la indeterminación asociada a la medida de la energía de los fotones emitidos en
estas condiciones.
b) Indica en qué se traduce esta indeterminación cuando se observan estos fotones.
28. Un jugador de tenis impulsa una bola 0,2 kg a la velocidad de 220 km h –1. Si se puede
determinar su posición con una incertidumbre del mismo orden que la longitud de onda de la
luz asociada, λ = 500 nm, determina la indeterminación en el momento lineal de la pelota y
compárala con el propio momento lineal de la misma.
29. Para localizar partículas subatómicas mediante un microscopio es preciso mandar fotones
hacia ellas de forma que el choque de los fotones con las mismas modifique su momento
lineal.¿Crees que sería posible determinar con precisión total la posición y el momento
lineal de una partícula si no fuese necesario mandar fotones para localizar su posición?
30. El principio de indeterminación se puede aplicar a cualquier pareja de magnitudes cuyo
producto tenga las dimensiones de la constante de Planck (magnitudes canónicamente
conjugadas). Indica cuáles de las siguientes parejas de magnitudes lo son.
a) Energía y velocidad.
b) Energía y tiempo.
c) Momento angular y velocidad.
d) Momento lineal y posición.
e) Impulso y posición.
31. Enuncia el principio de complementariedad de Bohr y reflexiona sobre su significado.