198- fisica moderna

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CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA TEMAS Introducción , Comportamiento Corpuscular de la Radiación Electromagnética - Modelo de Planck, Radiación del Cuerpo Negro, Efecto Fotoeléctrico, Generación de Rayos FISICA MODERNA

Author: victorino-vizcarra

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fisica moderna

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  • CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS

    UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

    FISICA MODERNA

    TEMASIntroduccin , Comportamiento Corpuscular de la Radiacin Electromagntica - Modelo de Planck, Radiacin del Cuerpo Negro, Efecto Fotoelctrico, Generacin de Rayos

  • IntroduccinLa fsica moderna o fsica cuntica, es la rama de la fsica que estudia el comportamiento de las partculas teniendo en cuenta su dualidad onda-corpsculo. Esta dualidad es el principio fundamental de la teora cuntica. El fsico alemn Max Planck fue quien estableci las bases de esta teora al postular que la materia slo puede emitir energa en pequeas unidades discretas llamadas cuantos

  • La mecnica cuntica ampli gradualmente el conocimiento de la estructura de la materia, proporcion una base terica para la comprensin de la estructura atmica, y resolvi las grandes dificultades que preocupaban a los fsicos en los primeros aos del siglo XX tales como:

    El espectro de radiacin de los cuerpos calientes (Kirchhoff 1860)Radiacin de los cuerpos negrosEl efecto fotoelctrico (Hertz 1887)La generacin de rayos X (Roentgen 1895).El efecto Compton

  • MECANICA CUANTICAEl estudios de los fenmenos a escala microscpica mediante la hiptesis de la cuantizacin de la energa y la dualidad onda partcula fue desarrollado por Schrodinger, Dirac, WernerGustav Kirchhoff , propone el concepto del cuerpo negroStefan Boltzman propone que la energa de radiacin es proporcional a T4W. Wien propuso que la distribucin de la energa segn la frecuencia y la temperaturaRayleigh aplica el teorema de la equiparticin para explicar los resultados de la distribucin de los cuerpos negros Planck tomando los trabajos de Wien y Rayleigh hizo una interpolacin matemtica

  • A principios del siglo XX, los fsicos an no reconocan claramente que stas y otras dificultades de la fsica estaban relacionadas entre s. El primer avance que llev a la solucin de aquellas dificultades fue la introduccin por parte de Planck del concepto de cuanto, como resultado de los estudios de la radiacin del cuerpo negro realizados por los fsicos en los ltimos aos del siglo XIX. Max PlanckLa interpolacin matemtica de las ecuaciones de Wien y Rayleigh fue una de las contribuciones mas importantes a la fsica

  • RADIACION DEL CUERPO NEGRO

  • Radiacin del Cuerpo NegroUn objeto ideal que absorbe toda la radiacin que llega a su superficie se llama cuerpo negro. Un cuerpo negro es tambin un emisor perfecto de radiacin y emite la mxima cantidad de energa a cualquier temperatura Para determinar con precisin la radiacin trmica se elige el cuerpo negro

  • 1.- La intensidad total de la radiacin (rea bajo la curva) es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. Ley de Stefan Boltzmann

  • Ley de Wien La longitud de onda para la cual la intensidad es mxima sufre un corrimiento al violeta cuando la temperatura aumenta . Especifica que hay una relacin inversa entre la longitud de onda en la que se produce el pico de emisin de uncuerpo negroy sutemperatura.

  • Ley de Lord Rayleigh Lord Rayleigh presento un calculo clsico para la energa radiada. Predeca que un cuerpo negro debera emitir una energa infinita"catstrofe ultravioleta"

  • La energa irradiada por unidad de rea, por unidad de tiempo y por intervalo de longitud de onda, emitida por un cuerpo negro, se llama radiancia (R)Max Planck diseo una formula para que describiera las curvas reales obtenidas experimentalesLey de Max Planck

  • Lo que hizo Planck fue disear una frmula matemtica que describiera las curvas reales con exactitud; despus dedujo una hiptesis fsica que pudiera explicar la frmula:

  • Hiptesis de Planck: Los tomos se comportan como osciladores que vibran con una determinada frecuencia.La energa que emiten estos osciladores no es continua sino mas bien discreta (cuantizada)La energa slo se puede intercambiar en forma de cuantos. La energa de un cuanto es igual a E=nh donde h = 6,63 10-34 J s (constante de Planck)

  • EFECTO FOTOELECTRICO

  • Lentes y pticaMayo 2004LuzElectronesLa iluminacin de una superficie metlica con un haz de luz tiene como resultado la extraccin de electrones libres desde la superficieEfecto Fotoelctrico

  • La teora ondulatoria sugiere que se liberarn electrones con una energa cintica mayor, a medida que la luz que incide sobre el metal se hace ms intensa, sin embargo los experimentos mostraron que la mxima energa cintica posible de los electrones emitidos slo depende de la frecuencia de la luz incidente y no de su intensidad.

    La teora ondulatoria sugiere que cualquier radiacin ser capaz de arrancar fotoelectrones de la superficie metlica si tiene la intensidad suficiente, sin embargo, los experimentos demuestran que slo la radiacin con una frecuencia mayor a un cierto valor mnimo (frecuencia de corte) arranca electrones. La teora ondulatoria sugiere que para arrancar los primeros electrones debe transcurrir un tiempo (llamado tiempo de retardo) en el cual el electrn acumula un mnimo de energa necesaria para poder desprenderse de la superficie, sin embargo, los experimentos demuestran que los electrones son arrancados casi instantneamente.Albert Einstein

  • Recurriendo a la hiptesis de Planck, Einstein consider la luz como un conjunto de "proyectiles", que cuando chocan contra un electrn libre del metal le entregan su energa, y si tienen la cantidad suficiente, el electrn es expulsado del metal, en caso contrario (por debajo de una determinada frecuencia de corte), no logran arrancar electrones. Es la energa mnima para desprender un electrnEs la frecuencia de corte por debajo de el no hay emisin

  • Se puede medir la energa cintica mxima invirtiendo la polaridad de la fuente y dndole un valor suficiente (llamado potencial de frenado Vo), de manera que frene a los electrones ms energticos. En este caso la energa cintica ser igual al trabajo hecho contra el campo elctrico

  • Si la Intensidad de la luz se incrementa para una luz de frecuencia constante, se observa que cuando el potencial es positivo las curvas son constantes lo que indica que todos los foto electrones son captados por el nodo. Si el potencial se hace negativo para reducir la corriente a cero el potencial de frenado no varia con la intensidad de la luz

  • Si se varia la frecuencia manteniendo constante la intensidad de la luz , el potencial de frenado crece . El potencial de frenado es funcin de la frecuencia

  • El potencial de frenado depende de la frecuencia , manteniendo constante el material. Se puede determinar el valor de h y la funcin trabajo como h/eCuanto mayor es la funcin trabajo mayor es la frecuencia umbral necesaria para emitir electrones

    MaterialFuncin trabajo (ev)Aluminio4,3Carbono5,0Cobre4,7Oro5,1Nquel5,1Plata4,3Sodio2,7Silicio4,8

  • La frecuencia umbral depende del tipo de metal usado.Para determinado material la energa cintica de los electrones emitidos es independiente de la intensidad y depende slo de la frecuencia de la luz.La emisin de electrones es casi instantnea.El nmero de fotoelectrones emitidos es proporcional a la intensidad de la luz incidente.El potencial de frenado vara linealmente con la frecuencia.Los electrones absorben la energa de un fotn por completo o simplemente no absorben nada.Recordamos que:

    e v = 1,6 x 10 -19 J me = 9,11 x 10 -31 kg

    Resumen

  • RAYOS X

  • Los rayos X son radiacin electromagntica altamente penetrante, con una longitud de onda menor que la de la luz visible. Son generados bombardeando un blanco metlico (generalmente de volframio) con electrones de alta velocidad en un proceso inverso al seguido en el efecto fotoelctrico Wilhelm Conrad Roentgen. Fsico alemn galardonado con el premio Nobel de Fsica en 1901, por su descubrimiento de una radiacin invisible ms penetrante que la radiacin ultravioleta a la que denomin rayos X Rayos X

  • nodoRayos XCtodo calentadoElectronesLa radiacin electromagntica emitida cuando los electrones acelerados por una diferencia de potencial Vo son frenados violentamente al chocar con la superficie metlica nodo

  • Despreciando la energa inicial de los electrones terminicos y cualquier prdida de energa en el impacto( K), la energa de los fotones X debe ser igual a la energa cintica de los electrones acelerados La energa potencial eVo se convierte en energa cintica del electrn que cuando choca contra el blanco genera rayos X

  • Experimentalmente se obtiene la curva que se muestra en la figura donde se observa la longitud de onda mnimo contradice la prediccin de la fsica clsicaLas longitudes de ondas caractersticos de los rayos X son del orden de 10-11 m

  • La radiografa es una de las aplicaciones ms difundidas de los rayos X

  • Gracias por la atencin

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