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Teoría electromagnética de la luz: J.C. Maxwell (1868)

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Teoría electromagnética de la luz: J.C. Maxwell (1868)

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A completar por los alumnos

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La radiactividad: descubrimiento y tipo de emisiones radiactivas (1896)

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La radiactividad: descubrimiento y tipo de emisiones radiactivas (1896)

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A completar por los alumnos

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Curva experimental de la radiación del cuerpo negro

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La radiación del cuerpo negro (1858-1897)

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La radiación del cuerpo negro (1858-1897)

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La materia a temperaturas superiores al cero absoluto emite radiación electromagnética.

El estudio experimental de esta radiación se lleva a cabo utilizando un sistema ideal denominado cuerpo negro.

Los datos experimentales obtenidos trataron de explicarse haciendo uso de las leyes de la Física clásica con las que se disponía: Termodinámica y la TEM. Sin embargo, todos los intentos fueron inútiles (catástrofe del ultravioleta)

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(Ejemplo de publicación a realizar por los alumnos)

En 1900 Max Planck logra justificar matemáticamente los datos experimentales de la radiación del cuerpo negro llevando a cabo una modificación de los cálculos clásicos al considerar que "la materia absorbe o emite energía de modo discontinuo, en forma de pequeños paquetes o cuantos de energía" E = h f

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Einstein, 1905: explicación del  Efecto Fotoeléctrico. 

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Einstein, 1905: explicación del  Efecto Fotoeléctrico. 

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La explicación de Einstein, propuesta en 1905, desempeñó un papel importante en el desarrollo de la física atómica. Basó su teoría en una hipótesis muy atrevida, ya que pocos de los detalles experimentales se conocían en 1905. Además, el punto clave de la explicación de Einstein contradecía las ideas clásicas de la época.

Einstein asumió que la energía de la luz no estaba distribuida uniformemente en todo el frente de onda en expansión (como suponía la teoría clásica).

En el modelo que propone Einstein, la energía luminosa en un haz de frecuencia viene en paquetes, cada uno con una energía E = hf, donde h tiene un valor de 6,626·10⁻³⁴ J · s. La cantidad de energía radiante de cada paquete se llama cuanto de luz o fotón.

La explicación cuantitativa que Einstein propuso muestra que la energía de un fotón absorbido es igual a la energía necesaria para liberar un electrón mas la energía cinética del electrón emitido.

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(Ejemplo de publicación a realizar por los alumnos)

Durante el siglo XIX (el primero data de 1853) se habían observado los espectros de absorción y emisión de diversas sustancias. Estos consisten en una serie de líneas que corresponden a unas frecuencias determinadas para las cuales la radiación electromagnética es absorbida o emitida. Este conjunto de frecuencias es característico de cada sustancia. Es como un código de barras que permite identificar la presencia de una sustancia tanto en un material en el laboratorio como en una estrella lejana. Dichos espectros fueron asociados a la estructura atómica. Puesto que los distintos elementos se diferencian en última instancia en los átomos que los componen, los espectros deben ser característicos de dichos átomos y por tanto emitidos por éstos.

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A completar por los alumnos

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Explicación de los espectros atómicos: modelo atómico de Borh (1913)

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Explicación de los espectros atómicos: modelo atómico de Borh (1913)

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10 de septiembre de 1892, en Wooster, Ohio (Estados Unidos) - 15 de marzo de 1962 en Berkeley, California (Estados Unidos)

De familia académica, su padre fue decano de la Universidad de Wooster, su hermano mayor obtuvo el doctorado en Filosofía en la Universidad de Princeton y fue presidente del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) de 1930 a 1948, su otro hermano obtuvo un doctorado en Economía también en Princeton y fue presidente del State College of Washington. Arthur Compton estudió su maestría en artes en la Universidad de Princeton y después estudió para su doctorado de física bajo la supervisión de Hereward L. Cooke, sobre "La intensidad de la reflexión de los rayos X y la distribución de los electrones en los átomos".

Cuando obtuvo su doctorado, él y sus dos hermanos se convirtieron en el primer grupo de hermanos en obtener un doctorado y, más tarde, se convertirían en el primer trío de este tipo en dirigir simultáneamente universidades estadounidenses.

En 1919, recibió una de las dos primeras becas del Consejo Nacional de Investigación que el permitió ir al Laboratorio de Cavendish de la Universidad de Cambridge en Inglaterra. Trabajando con George Paget Thomson, hijo de Joseph. J. Thomson, Compton estudió la dispersión y absorción de los rayos gamma. Compton quedó muy impresionado por los científicos de Cavendish, especialmente con Ernest Rutherford, Charles Galton Darwin, y Arthur Eddington. Por ello, su segundo hijo lleva los nombres de Thomson.

En 1923, fue profesor de física de la Universidad de Chicago. Durante su estancia en esta universidad, Compton dirigió el Laboratorio Metalúrgico en que se produjo la primera reacción nuclear en cadena dentro del Proyecto Manhattan.

En 1923, usó rayos X para investigar el ferromagnetismo, concluyendo que era el resultado de la alineación de los espines de los electrones y estudió los rayos cósmicos, descubriendo que estaban compuestos principalmente por partículas cargadas positivamente. Sus estudios de los rayos X le llevaron a descubrir el "Efecto Compton", por el que el cambio de la longitud de onda de la radiación electromagnética de alta energía al ser dispersada por los electrones. Éste confirmaba que la radiación electromagnética tiene propiedades tanto de onda como de partículas, un principio importante de la teoría cuántica.

Causó un gran revuelo en su época ya que la naturaleza ondulatoria de la luz había sido muy bien demostrada, pero la idea de que la luz tenía propiedades tanto de onda como de partícula no fue fácilmente aceptada.

En 1927, compartió el Premio Nobel de Física con el físico británico Charles Wilson, por su descubrimiento del efecto Compton y por sus investigaciones de los rayos cósmicos, de la reflexión, la polarización y los espectros de los rayos X.

Por la misma causa, fue galardonado en 1940, con la Medalla Hughes, concedida por la Royal Society.

Desde 1945 hasta 1953, fue rector de la Universidad de Washington y después fue catedrático de Filosofía Natural. Durante su mandato, la universidad separó formalmente sus divisiones de pregrado, nombró a su primera profesora titular e inscribió a un número récord de estudiantes después de que los veteranos de guerra regresaran a los Estados Unidos.

Compton murió de una hemorragia cerebral, a los 69 años, en Berkeley, California, y fue enterrado en el cementerio de su ciudad natal.

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Arthur Compton, descubridor del efecto que lleva su nombre que confirma que la luz tiene propiedades tanto de onda como de partícula - Rincón educativo

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Arthur Compton, descubridor del efecto que lleva su nombre que confirma que la luz tiene propiedades tanto de onda como de partícula.

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Hipótesis de Louis-Victor De Broglie 1924

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Hipótesis de Louis-Victor De Broglie 1924

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En 1923, Louis de Broglie sugirió que la dualidad onda-corpúsculo que se aplica a los fotones, a la radiación electromagnética, también podría aplicarse a los electrones y otras partículas atómicas. Quizás, dijo, la dualidad onda-corpúsculo es una propiedad fundamental de todos los procesos cuánticos. Si es así, las partículas que siempre se consideraron corpúsculos materiales pueden, en algunas circunstancias, actuar como ondas. De Broglie buscó una expresión para la longitud de onda que podría estar asociada con el comportamiento ondulatorio de un electrón. Encontró la expresión con un argumento muy simple.

El momento lineal de un fotón de longitud de onda λ es p = h/λ o, dicho de otra forma, la longitud de onda del fotón es λ = h/ p. De Broglie pensó que esta relación también podría aplicarse a los electrones que se mueven con velocidad v y, por tanto, con un momento lineal p = mv. Sugirió audazmente que la longitud de onda de un electrón es λ = h/mv, donde m es la masa del electrón y v su velocidad.

Pero, ¿qué significa decir que un electrón tiene una longitud de onda igual a la constante de Planck dividida por su mometo lineal? Como hemos visto, si esta afirmación tiene algún significado físico debe ser posible comprobarla mediante algún tipo de experimento. En este caso, se debería poder medir alguna propiedad ondulatoria del electrón. La primera de esas propiedades que se pudo medir fue la difracción.

De la relación λ = h/ mv se deduce que las longitudes de onda asociadas a los electrones serán muy cortas, incluso para electrones bastante lentos. Un electrón acelerado a través de una diferencia de potencial de solo 100 V tendría una longitud de onda de solo 10⁻¹⁰ m. Una longitud de onda tan pequeña no daría efectos de difracción mensurables al encontrar incluso un objeto microscópicamente pequeño (digamos, de una micra, 10⁻⁶ m). No podía manipularse un objeto así en la época. Había que buscar algo del tamaño de la longitud de onda que pudiese usarse.

En 1920 estaba bien establecido que los cristales tienen una estructura reticular regular. La distancia entre los planos de átomos en un cristal es de aproximadamente 10⁻¹⁰ m. Tras proponer De Broglie que los electrones podían tener propiedades de onda, varios físicos sugirieron que la existencia de ondas de electrones podría mostrarse usando cristales como rejillas de difracción. Los experimentos iniciados en 1923 por C.J. Davisson y L.H. Germer encontraron patrones de difracción similares a los obtenidos anteriormente para los rayos X.

El experimento de Davisson-Germer demostraba dos cosas. Primero, los electrones tienen propiedades de onda, de lo contrario no podrían mostrar el patrón de difracción de las ondas. Se podría decir que un electrón se mueve siguiendo el camino que toma la onda de Broglie que está asociada al electrón. En segundo lugar, las longitudes de onda de los electrones están dadas correctamente por la relación de de Broglie, λ = h/ mv .

Estos resultados fueron confirmados en 1927 cuando G.P. Thomson [1] hizo pasar un haz de electrones a través de una delgada lámina de oro. Thomson encontró un patrón como el que se muestra en la imagen 1. Se asemeja a los patrones de difracción producidos por los haces de luz que atraviesan hojas finas de materiales. Para 1930 la difracción que se producía en los cristales había permitido demostrar el comportamiento ondulatorio incluso de los átomos de helio y de las moléculas de hidrógeno. [2]

Los experimentos que confirmaban la hipótesis de De Broglie indicaban que la dualidad onda-corpúsculo es una propiedad general no solo de la radiación sino también de la materia.

Notas:

[1] Sí, el hijo de J.J. Thomson.

[2] Se puede decir que Joseph John Thomson demostró que el electrón es una partícula y que su hijo George Paget Thomson que es una onda. J.J. recibió el Nobel en 1906 y G.P. en 1937.
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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El comportamiento ondulatorio de los electrones - Cuaderno de Cultura Científica

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En 1923, Louis de Broglie sugirió que la dualidad onda-corpúsculo que se aplica a los fotones, a la radiación electromagnética, también podría aplicarse a los electrones y otras partículas atómicas. Quizás, dijo, la dualidad onda-corpúsculo es una propiedad fundamental de todos los procesos cuánticos. Si es así, las partículas que siempre se consideraron corpúsculos materiales [...]

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La Mecánica Cuántica Ondulatoria. Schrödinger (1926) 

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La Mecánica Cuántica Ondulatoria. Schrödinger (1926) 

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A completar por los alumnos

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Difracción de electrones. Davison y Germer  1927

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Difracción de electrones. Davison y Germer  1927

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A completar por los alumnos

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Principio de indeterminación de Heisenberg (1927)

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Principio de indeterminación de Heisenberg (1927)

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A completar por los alumnos