2. Paradigma clàssic de la física

3. EL CANVI DEL PARADIGMA: LA REVOLUCIÓ QUÀNTICA

4. L’ORIGEN DEL PROBLEMA(la interacció matèria – radiació)

5. Processos d’emissió i adsorció llum - matèria Lleis experimentals Un cos sòlid o líquid incandescent produeix llum que és espectralment contínua. Un gas incandescent emet llum que origina un espectre discontinu (conjunt de línies discretes que corresponen a diferents tipus de radiacions) que depèn de la composició química del gas. La interacció de la llum procedent d’un sòlid o líquid incandescent, llum d’espectre continu, amb un gas, a menor temperatura que la font, dóna lloc a un espectre continu amb línies fosques discretes les posicions de les quals varien amb la composició química del gas. Representació

6. Tipus d’espectres

7. ESPECTRES ATÒMICS Anàlisi dels espectres d’emissió Importància dels espectres Identificar els elementsquímics que formen les substàncies Descobrir nous elementsquímics Obtindreinformació “xifrada” sobre l’estructuradelsàtoms

8. Com sabem la composició de les estrelles?

9. Anàlisi de l’espectre d’hidrogen Comparant l’espectre d’emissió i absorció de l’hidrogen? Relacionant les longituds d’ona. La llei empírica de Balmer

10. Problemes relacionats amb els espectres atòmics Com explicar-los? Com interpretar-los? Com justificar la llei empírica de Balmer? EL PARADIGMA CLÀSSIC DE LA FÍSICA: L’ENERGIA ES TRANSFORMA, ES TRANSFEREIX I ES PROPAGA DE FORMA CONTÍNUA. NO POT RESPONDRE

11. RADIACIÓ TÈRMICA EMISSIÓ ABSORCIÓ - REFLEXIÓ

12. PLANTEJAMENT DEL PROBLEMA:COM ES DISTRIBUEIX L’ENERGIA TÈRMICA EMESA PER UN COS? Referent ideal: cos negre Cos Negre, concepte introduït per Kirchhoff el 1862, i que es refereix a un cos que absorbeix tota l’energia que li incideix sense reflectir res i, en conseqüència, emet totes les possibles radiacions .

13. ESTUDI EXPERIMENTAL A cada temperatura li correspon una distribució de la intensitat de radiació que és independent de la natura del material. Però sempre la intensitat augmenta en disminuir la longitud d’ona fins un valor màxim per a posteriorment disminuir bruscament, comprovant que: • L’àrea compresa entre la corba i l’eix d’abscisses augmenta amb la temperatura, la qual cosa significa que per unitat de superfície un cos a major temperatura emet més energia que un a menor temperatura. • La longitud d’ona a la qual es produeix la màxima emissió disminueix en augmentar la temperatura.

14. LLEIS EXPERIMENTALS Llei de Stefan-Boltzmann L’energia emesa per un cos negre per unitat d’àrea i temps és directament proporcional a la quarta potència de la temperatura absoluta. Llei de Wien La longitud d’ona per a la qual la radiació és màxima és inversament proporcional a la temperatura del cos. En augmentar la temperatura la màximaintensitat de radiació es desplaçacap a longitudsmés curtes.

15. LA IMPOSSIBILITAT D’EXPLICACIÓ AMB EL MODEL ONDULATORI La catàstrofe de l'ultraviolada Conclusió “la física clàssica fracassa totalment en la seua temptativa de descriure la radiació tèrmica per a freqüències elevades i temperatures baixes”

16. La proposta de Planck: la discontinuïtat en la transferència d’energia Max Planck, el físic teòric d’alemanya que va introduir una gran i creativa idea. Una premissa purament formal Quan un sistema emet o absorbeixradiaciómonocromàtica, elscanvisenergètics s’ajusten a l’equació:

17. La interpretació de Planck

18. El problema: l’energia

19. 1905 ANNUS MIRABELISL’INICI DE LA REVOLUCIÓ

20. EL CIENTÍFIC QUE VA REVOLUCIONAR LA FÍSICA PER FOMENTAR LES LLEIS FÍSIQUES “Seria trist que l'embolcall fora millor que la substància que conté” “L’essencial en l'existència d’una persona com jo és el que pensa i com ho pensa; no allò que fa o viu”

21. TRES MINUTS AMB EINSTEIN

22. LA SOLUCIÓ: LA HIPÒTESI QUÀNTICA “La llum (més àmpliament radiació) consisteix en un nombre finit de quants (originalmentdenominats “lichtquanten”) d’energialocalitzats en punts de l’espai, els quals es mouensense dividir-se i noméspoden ser absorbits o emesos com unitatscompletes”

23. CONSEQÜÈNCIES DE LA HIPÒTESI La radiació està formada per un feix de partícules energètiques (FOTONS). L’energia d’un fotó s’expressa per l’equació: L’energia transferida per radiació d’una única longitud d’ona,està integrada per un nombre enter de fotons. És a dir:

24. Conclusions “la llumés una pluja de fotons, sent el fotó la unitat elemental de l’energia lluminosa.” El focus emet unitats energètiques, que denominem fotons, en totes les direccions. Els fotons es propaguen de forma independent i contenen una quantitat fixa d’energia que ve determinada per l’equació: E fotó = h·ν. L’energia del fotó es mantéconstant en la seuapropagació.

25. Problemes de la hipòtesi quàntica

26. Aplicació

27. CONSTRASTACIÓ DE LA HIPÒTESI:L’EFECTE FOTOELÈCTRIC Concepte de l’efecte fotoelèctric L’estudi experimental: cèl·lula fotoelèctrica L’efecte fotoelèctric consisteix en l’emissió d’electrons en il·luminar amb llum apropiada una làmina metàl·lica.

28. L’ESTUDI DE L’EFECTE FOTOELÈTRIC

29. Com explicar l’efecte fotoelèctric? Referent observacional Interpretació quàntica

30. FET EXPERIMENTAL Per a un metall donat, només e s produeix l’efecte fotoelèctric si la freqüència de la llumutilitzadasobrepassa un límit, anomenat freqüència llindar, νo. Per tant, si la freqüència és menor que aquest valor, no s’hi poden arrancar electrons. T. ONDULATORIA. Per a arrancar un electró del metall cal una quantitat d’energia. Aquesta quantitat depèn de la intensitat de l’ona, amb independència de la seua freqüència. T. QUÀNTICA. L’efecte fotoelèctric és conseqüència de la transferència d’energia dels fotons incidents als electrons retinguts pel metall. Per això, la freqüència llindar (νo) correspon al fotó que posseeix la suficient energia per a arrancar un electró de la superfície, el menys retingut. És a dir:

31. FET EXPERIMENTAL T. ONDULATORIA. L’energia necessària per a arrancar un electró es proporciona de forma contínua, i precisa d’untemps de transferència en funció de la intensitat de la radiació. A causa de la xicotetasuperfície en què té lloc l’efecte fotoelèctric, el temps necessari perquè hi incidisca suficient energia com per a arrancar l’electróseria molt elevat. T. QUÀNTICA. En originar-se l’efecte per la interacciód’unfotóamb un electró del metall, el temps de transferènciade l’energia depèn de la natura de la interacció, i que per ser de caràcteratòmic i tractar-se d’unainteracció entre duespartículesporta associats temps de l’ordre del ns (10–9 s). Quan l’efecte es produeix, ho fa instantàniament, fins i tot per a baixes intensitats lluminoses, és a dir il·luminant amb fonts que aporten poca energia per unitat de temps.

32. FET EXPERIMENTAL T. ONDULATORIA. L’energia associada a la llum incident depèn de la seua intensitat. Per tant, hauria d’haver una relació entre la intensitat de llum i l’energiacinèticadelselectronsemesos. Per a qualsevolfreqüència seria d’esperar l’emissió d’electrons, nomésésqüestiód’esperar el temps suficient. T. QUÀNTICA. L’energia dels fotons incidents és directament proporcional a la freqüència de la radiació. En conseqüència és d’esperar que els electrons adquirisquenmajorenergiacinètica en augmentar la freqüència de la llumincident, ja que el fotó pot transferir més energia a l’electró. Per sobre de la freqüència llindar, l’energia cinètica màxima de l’electró emés és independent de la intensitat de la llum incident, però depèn de la freqüència de la llumincident.

33. De què depèn la freqüència llindar per originar l’efecte fotoelèctric? La freqüència llindar a partir de la qual es produeix l’efecte fotoelèctricdepèn de la natura del metall. L’energia mínima requerida perquè un electró puga escapar del metall, i superar així el pouenergètic, es denomina treballd’extracció (We) o funció de treball. El treballd’extraccióésdistint per a cada metall i determina el valor de la freqüènciallindar.

34. El fonament de la interpretació quàntica Des del punt de vista quàntic la situacióenergèticamés favorable és aquella en la qual un fotócedeix tota la seuaenergia a un electró del metall. L’electróproveït de l’energia del fotóescapa del metall, per a això requereix una quantitat d’energia (W).

35. Quan es produeix l’efecte fotoelèctric?

36. Com varia el corrent elèctric de la cèl·lula fotoelèctrica ? Corba experimental ∆V = 0, els electrons s’alliberen sense l’acció de cap força elèctrica externa que els impulse. ∆V  0, sobre els electrons alliberats actua una força que els impulsa cap la placa col·lectora (positiva). ∆V 0, sobre els electrons alliberats actua una força que els atrau cap la placa emissora (positiva).

37. INTERPRETACIÓ DE L’EFECTE FOTOELÈTRIC

38. Problema d’aplicació Conversió d’unitats Obtenció de la freqüència Relació de la longitud d’ona llindar Anàlisiintraccióradiacióambmetall 3,424 5,16 580,5 nm Longitud d’ona baixes Longitud d’ona altes λ↑ (fotons ↓ energia) Longitud d’ona llindar Situació límit No origina efecte 600 nm Produeix efecte 500 nm

39. Com quantificar l’energia cinètica màxima del electrons emesos? Predicció de la teoria quàntica: “Si la fórmula deduïdaés correcta, la representaciógràfica de ΔV0 (per simplicitat V0) en coordenadescartesianes en funció de la freqüència de la llumincident ha de ser una recta el pendent de la qual no depèn de la natura de la substància emissora”. Invertir polaritat de la cèl·lula, a fi de frenar els electrons emesos. Placa emissora : positiva Placa receptora : negativa 2. Augmentar el valor de la diferencia de potencial, entre les plaques, fins aturar el corrent elèctric. Segons la teoria quàntica

40. Confirmació experimental

41. Conclusió “Vaig passar deu anys de la meua vida comprovantl’equació d’Einstein del 1905 (la de l’efecte fotoelèctric) i, contràriament a totes les meues expectatives, em vaig veure obligat, el 1915, a proclamar la seua indubtable verificació experimental malgrat com era de desenraonat, ja que semblava violar el que sabíem sobre la interaccióde la llum”. Robert Mlilikan Però, Millikan va canviar les seues ides?

42. Càlcul de la longitud d’ona llindar

43. Representació gràfica del potencial de frenat en funció de la freqüència Obtenció del pendent Interpretació quàntica Freqüència llindar

44. RESUM Explicació del fenomen i com estudiar-lo. factors que influeixen en el fenomen. Explicació del fenomen.

47. ACTIVITATS DE TREBALL

48. EL CARÀCTER CORPUSCULAR DEL FOTÓ Energia del fotó: Comprovació: Efecte fotoelèctric. Quantitat de moviment del fotó: Comprovació: Efecte Compton.

49. L’EFECTE COMPTON Efecte experimental: Compton va comprovar experimentalment que quan un feix de rajos X o rajos γ (radiaciómoltenergètica) incideix sobre substàncies com la parafina o el grafit, que contenen electrons feblement lligats, s’observa que a més de la radiació incident (λ), n’hi ha una altra que té una longitud d’ona (λ’) major que la inicial (radiació dispersada). Llei experimental

50. ANÀLISI DE L’EFECTE COMPTON

51. INTERPRETACIÓ DEL FENOMEN MODEL ONDULATORI MODEL QUÀNTIC ??

52. INTERPRETACIÓ: XOC ELÀSTIC ENTRE EL FOTÓ INCIDENT I L’ELECTRÓ

53. XOC ELÀSTIC: FOTÓ - ELECTRÓ CONSERVACIÓ DE L’ENERGIA CONSERVACIÓ DE LA QUANTITAT DE MOVIMET CONCLUSIÓ:

54. ANÀLISI DE L’EFECTE COMPTON

55. L’APLICACIÓ DE LA TEORIA QUÀNTICA AL MODEL ATÒMIC MODEL DE BOHR ANTECEDENTS MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD ESTUDI DE DELS ESPECTRES ATÒMICS

56. FONAMENTS DE MODEL DE BOHR 3. Suposant que l’òrbita de l’electróés circular, el moment angular de l’electró que gira al voltant del nucliés un múltiple enter de h/2π: 4. La radiacióemesadurant la transició entre dos estatsestacionariséshomogènia, i la relació entre la freqüènciai l’energiaemesa és ΔE = h ν, on h és la constant de Planck. 1. L’energia radiada no s’emet (ni s’absorbeix) de la forma contínua que suposal’electrodinàmicaordinària, sinónomés quan els sistemes passen d’un estat estacionari a un altre. 2. En els estats estacionaris, l’equilibri dinàmic del sistema està regit per les lleis ordinàries de la mecànica, lleis que no són vàlides en les transicions entre els diferents estats estacionaris.

57. CONSEQÜÈNCIES QUANTITZACIÓ DELS RADIS DE LES ÒRBITES QUANTITZACIÓ DE L’ENERGIA DE L’ÀTOM

58. PROCÉS D’ABSORCIÓ - EMISSIÓ DE RADIACIÓ Una possible transició Diferents possibles transicions absorció emissió Com calcular la longitud d’ona associada? a) Calcular l’energia transferida: ∆E = E nivell final – E nivell inicial Si ∆E  0 procés absorció Si ∆E  0 procés d’emissió b) Càlcul de la longitud d’ona

59. EXPLICACIÓ DE L’ESPECTRE D’HIDROGEN

60. 60 Límitsde les series E=0 n= n=6 n=5 n=4 n=3 Energía creciente Nivells energètic de l'àtom d'hidrogen n=2 n=1 Serie de Lyman Serie de Balmer Serie de Paschen Serie de Brackett ELS ESPECTRES DISCONTINUUS L’equació experimental dels espectroscopistes permet mesurar l’energia de les transicions electròniques. L'energia que s’absorbeix o es desprèn quan un electró salta d’un nivell energètic a un altre del àtom. RH=1,097.107 m-1 Els espectres atòmics són una proba de la quantització de la matèria

61. CONCLUSIÓ: CARÀCTER DUAL DE LA LLUM

62. L’EXTENSIÓ DEL CARÀCTER DUAL A LA MATÈRIA

63. 63 Calcula la longitud d’ona de DeBroglie associada, a: a) Una persona de 70 kg que es mou a 2 m/s b) Un electró de 9,1.10-31 kg de massa amb una rapidesa de 1000 m/s Molt menuda en relació a la grandària d’una persona, la qual cosa, evidència que el comportament ondulatori no és significatiu. Aplicació al càlcul de la longitud d’onda associada a) Per a la persona b) Per a el electró Unes 130000 vegades major que el radi de la primera órbita de Böhr; en conseqüència per estudiar el comportament de l’electró, a l’àtom, es fonamental el seu caràcter ondulatori.

64. NATURALEZA DUAL DE LA MATÈRIA

65. CONFIRMACIÓ EXPERIMENTAL: DIFRACCIÓ DE PARTÍCULES CONCLUSIÓ

66. FONAMENTS DE LA FÍSICA QUÀNTICA La discontinuïtat Certes magnitudsfísiques, com l’energia, relacionadesambelssistemesatòmicsestan “quantitzades”. Això significa que noméspoden prendre valors que són múltiples d’una quantitat mínima indivisible. La doble natura de l’electró El comportament de l’electró en certsfenòmenss’explicasobre la base del model ondulatori, mentre que per a d’altres s’usa el model corpuscular, però mai no es manifesten comportaments en què es precisen simultàniament ambdós models.

67. La indeterminació (principi d’indeterminació) No es pot determinar simultàniamentambprecisió absoluta la posició i el moment lineal d’una partícula

68. Explicació

69. Conseqüències El principid’indeterminació es refereix a la impossibilitat de mesurar al mateix temps amb exactitud dues magnituds d’acció (posició-quantitat de moviment, energia-temps) i és una conseqüència de la natura dual (ona-corpuscle) de la matèria, la qual cosa implica que no hi ha trajectòriesdefinides de partículessubatòmiques. Les relacions d'indeterminació permeten saber quan cal el tractament quàntic d’un sistema i quan n’hi ha prou amb el tractament clàssic. En efecte, triem dues magnituds rellevants, f i g, del sistema el producte del qual tinga les unitats de la constant de Planck (Js) i apliquem la regla següent:

71. 71 LA INTERPRETACIÓ DE COPENHAGUE Microscopis d’efecte túnel Niels Böhr El làser Qualsevol teoria sobre el comportament de les entitats quàntiques ha d’establir ELS MATEIXOS RESULTATS que la física clàssica quan s’apliquen a sistemes macroscòpics  Els efectes ondulatoris sols es manifesten en partícules de massa molt menuda (partícules subatòmiques) i no és observable en partícules de massa gran.  El comportament de la matèria atòmica es pot interpretar, algunes vegades, mitjançant la teoria corpuscular, y d’altres, a partir de la teoria ondulatòria, en funció de l’experiment utilitzat per observar-la. “no podem saber com és realment la natura, només podem conèixer com se’ns manifesta quan formem part d’un experiment” Cal aplicar el principi de complementarietat per interpretar el món quàntic:les idees de corpuscle i d’ona són complementàries i no es manifesten mai simultàniament. Aplicacions tecnològiques fonamentades en la física quàntica  Fonamentat en el caràcter quàntic de partícules subatòmiques, com l’electró, permet ampliar l’OBSERVACIÓ de la matèria, fins i tot, a escala atòmica.  La mecànica quàntica permet el desenvolupament d’una de les branques amb més expectatives: la nanotecnologia  Es fonamenta en la existència de nivells energètics quantificats en l’estructura atòmica.

72. APLICACIONS DE LA MECÀNICA QUÀNTICA EL LÀSER Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation. EL MICROSCOPI ELÈCTRONIC

74. LA PARADOXA DEL GAT DE SCHRÖNDINGER

75. La repercussió social de la mecànica quàntica