cuantización de la energía

Cuantización de la energía concepto e importancia en la física

El experimento llevado a cabo por Franck y Hertz en 1914 fue de gran importancia para el desarrollo de la teoría atómica moderna. Este experimento demostró la teoría de Bohr al revelar que los átomos pueden absorber energía en pequeñas cantidades, también conocidas como cuantos de energía. Por medio de una simulación, se intentará explicar las características fundamentales de este experimento, analizando el movimiento de los electrones y sus colisiones con los átomos de mercurio. Asimismo, se estudiará el comportamiento de la corriente Ic en relación a la diferencia de potencial U aplicada entre el cátodo y la rejilla.

El efecto fotoeléctrico

Hace tan solo cinco años, la teoría de Planck sobre la cuantización sirvió para explicar otro fenómeno desafiante para la física clásica. Cuando se expone ciertos metales a radiación, los electrones son liberados de su superficie, en lo que se conoce como efecto fotoeléctrico (Figura (PageIndex{3})). Según la física clásica, el número y la energía cinética de estos electrones dependen únicamente de la intensidad de la luz, no de su frecuencia.

Sin embargo, los resultados experimentales muestran que, cuando el haz de luz incide sobre el metal con una frecuencia determinada, no se producen electrones eyectados, mientras que por encima de dicha frecuencia, se liberan electrones cuya energía cinética es proporcional a la frecuencia. Además, se observa que a mayor intensidad del haz, se producen más electrones.

Figura (PageIndex{3}): El efecto fotoeléctrico

(a) Cuando se irradian fotones con suficiente energía sobre un metal, se liberan electrones de su superficie.

(b) Esta es la configuración experimental utilizada, donde se pueden observar los electrones viajando hacia el ánodo luego de ser atraídos por el fotón incidente en el cátodo. Estas fotocélulas se usan como sensores, por ejemplo, en puertas automáticas que se abren cuando alguien interrumpe el haz de luz.

(c) Contrariamente a lo que predice la física clásica, no se producen electrones cuando la energía del fotón es menor al umbral de energía...

Descripción

El experimento consiste en una figura que muestra un esquema de un tubo que contiene vapor de mercurio a baja presión. En este tubo, el cátodo caliente emite electrones con una energía cinética casi nula, los cuales adquieren energía al pasar por la diferencia de potencial entre el cátodo y la rejilla. Este movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico es clave en el experimento.

Durante su recorrido, estos electrones chocan con los átomos de vapor de mercurio, lo que puede provocar una pérdida de energía. Sin embargo, aquellos que lleguen a la rejilla con una energía cinética de 1.5 eV o más, impactarán en el ánodo y generarán una corriente Ic. Por el contrario, aquellos con una energía menor a 1.5 eV no lograrán alcanzar el ánodo y retornarán a la rejilla, sin contribuir a la corriente Ic.

Cabe señalar que, cuando un electrón choca inelásticamente con un átomo de mercurio, este último queda en un estado excitado. Para volver a su estado normal, el átomo emite un fotón de 2536 A de longitud de onda, equivalente a una energía E=hf=hc/λ de aproximadamente 4.9 eV. Este fenómeno es visible en el paso del haz de electrones por el vapor de mercurio y, en esta simulación, se aproxima su valor a 5 eV.

Radiación del cuerpo negro

La radiación proveniente de un cuerpo negro es aquella emitida por dicho cuerpo a cierta temperatura, sin importar su composición o superficie. La intensidad de esta emisión, en cada longitud de onda, está determinada por la temperatura (ver Figura (PageIndex{2})). A pesar de ello, la teoría física clásica no lograba explicar su forma.

Veamos el otro lado de la moneda, es decir, algunos ejemplos de la vida diaria que ilustran este fenómeno. Una resistencia en una cocina o estufa eléctrica, al calentarse, muestra un brillo rojo o naranja. En cambio, la luz producida por el tungsteno en una lámpara incandescente, al estar a una temperatura mucho mayor, es de tonalidad amarillenta. ¡Pero hay más detalles que resultan interesantes!

Resumen

La base esencial de la materia son los átomos y de la energía son los cuantos. El cuerpo negro, un fenómeno que emite radiación en objetos calientes, no podía ser explicada por la física clásica. Max Planck propuso que la energía estaba cuantizada y solo podía ser emitida o absorbida en múltiplos enteros de una unidad de energía muy pequeña, llamada cuanto. La energía de un cuanto se relaciona con la frecuencia de la radiación mediante una constante fundamental, conocida como la constante de Planck (h).

Con base en la teoría de Planck, Einstein utilizó el concepto de cuantización de la energía para explicar un fenómeno que la física clásica no podía abarcar: el efecto fotoeléctrico. A partir de esta idea, se demostró que la luz también puede ser considerada como un agente cuántico, compuesta por partículas indivisibles de energía llamadas fotones. Este concepto revolucionó la física y sentó las bases para la teoría cuántica moderna, que ha sido ampliamente utilizada en diversas áreas de la ciencia y la tecnología.

El descubrimiento de los cuantos y su relación con la frecuencia de la radiación también abrió la puerta al estudio de los átomos y las partículas subatómicas. Los físicos comenzaron a utilizar el concepto de cuantización para comprender mejor las propiedades y comportamientos de estas partículas, lo que llevó al desarrollo de modelos como el modelo atómico de Bohr y la mecánica cuántica.

Su aplicación en la física y otras disciplinas ha permitido avances significativos en nuestro conocimiento del universo y ha cambiado la forma en que entendemos el mundo que nos rodea.

Ejemplos de Cantidad Física Cuantificada

La física cuántica es una rama de la ciencia que se dedica a investigar las partículas subatómicas y sus interacciones. Una de las características esenciales de esta disciplina es la cuantificación de las cantidades físicas, lo que implica que dichas cantidades solo pueden adoptar valores discretos en lugar de valores continuos.

Cuando hablamos de cuantización de una cantidad física, nos referimos a que solo puede tomar valores específicos y no puede adquirir cualquier valor dentro de un rango continuo. Esto difiere radicalmente del enfoque de la física clásica, en la que las cantidades pueden tener cualquier valor en un rango determinado.

Un ejemplo ilustrativo de cuantización es la carga eléctrica. En la física clásica, se asumía que la carga eléctrica podía tener cualquier valor posible, pero en la física cuántica se descubrió que la carga está cuantificada. Esto implica que la carga eléctrica solo puede existir en múltiplos enteros de una carga elemental, que es la carga mínima que puede existir. Esta carga elemental equivale aproximadamente a 1.6 x 10^-19 culombios.

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