Física basada en Álgebra -...

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Física basada en Álgebra

Física cuántica y Modelo atómico

2015-10-15

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Tabla de contenidos

· Electrones, Rayos X y Radioactividad

· Modelos atómicos

· Ondas y Partículas

· Mecánica Cuántica

· *Unificación de Teoría

Click sobre el tema para ir a esa sección

https://www.njctl.org/video/?v=wOh5If8A52w

· Radiación de cuerpo negro, Energía cuantizada y Efecto fotoeléctrico

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Electrones, Rayos X y Radioactividad

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La Física a partir del siglo XIX

Mecánica Newtoniana.

Ecuaciones de Maxwell - unificación de la electricidad y el magnetismo.

Termodinámica. El calor es otra forma de energía.

Medición de la velocidad de la luz y marco de referneica no estacionario. (éter luminífero) encontrado- ayudó a enunciar la Teoría Especial de la Relatividad de Einstein en 1905. Muchos científicos estaban muy cómodos con todo lo que se había descubierto y explicado.

Pero luego, algunas cosas comenzaron a surgir de pronto. Como el electrón.

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Rayos catódicos

Unos 150 años atrás, se descubrieron los "rayos catódicos".

Nadie sabía que eran. Los científicos que trabajaban sobre el problema sólo sabían lo que podían observar.

Lo que vieron ellos es que cuando conectaban un alto voltaje a dos placas dentro de un tubo de vidrio, a una placa positiva y otra placa negativa, se proyectaba una sombra en el vidrio detrás de la placa positiva.

Además, el cristal que rodeaba a la sombra detrás de la placa positiva brillaba. Cuando se extraía el aire del tubo, aproximándose a un vacío, y el vidrio estaba tratado con químicos especiales fluorescentes, el efecto se potenciaba.

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Rayos catódicos

https://www.njctl.org/video/?v=Xt7ZWEDZ_GI

Esto parecía significar que algo estaba viajando en línea recta desde la placa negativa (el cátodo) hacia la placa positiva (el ánodo) y la placa positiva detenía algo creando una sombra rodeada por el resplandor.

De manera que los "rayos" parecían venir desde el cátodo y por eso los llamaron rayos catódicos. Haz click en el sitio web abajo del diagrama para verlos en acción:

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Rayos catódicos

La luz proyecta una sombra - de manera que esto que apareció en el tubo podría ser luz.

O, podría ser un haz de partículas invisibles.

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Rayos catódicos

¿De qué dos formas podrías determinar si los rayos eran partículas cargadas?

Una pista - no puedes abrir el tubo de vidrio!

Discútelo en tu grupo.

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https://www.njctl.org/video/?v=Xt7ZWEDZ_GI

Aplica un campo eléctrico

Una idea es aplicar un campo eléctrico cruzando a través del camino de los rayos. Si fueran partículas cargadas se desviarían, si fueran ondas, no.

También la dirección en la que se desvían indicaría si son positivos o negativos.

+

-

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+

-

1 En el diagrama de abajo, la línea azul indica el camino de los rayos catódicos en presencia de un campo eléctrico. Los rayos son:

A Ondas

B Partículas positivas

C Partículas negativas

D Partículas neutras

https://www.njctl.org/video/?v=1qRgRvgdeXA

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+

-

1 En el diagrama de abajo, la línea azul indica el camino de los rayos catódicos en presencia de un campo eléctrico. Los rayos son:

A Ondas





[This object is a pull tab]

Res

pues

ta

C

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O, aplicar un campo magnético

Otra idea es aplicar un campo magnético (mostrado con x rojas) cruzando el camino de los rayos. Si son partículas cargadas se desviarán, si son ondas, no lo harán.

También la dirección en la que se desvían indican si son negativos o positivos.

https://www.njctl.org/video/?v=bwK4i3b6YtQ

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2 En el diagrama de abajo, la línea azul indica el camino de los rayos catódicos en presencia de un campo magnético. Los rayos son:

A Ondas




https://www.njctl.org/video/?v=A2rkX95bSw0

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2 En el diagrama de abajo, la línea azul indica el camino de los rayos catódicos en presencia de un campo magnético. Los rayos son:

A Ondas






Res

pues

ta

C


https://www.njctl.org/video/?v=bwK4i3b6YtQ



+

-

Partículas cargadas negativamenteAmbos experimentos confirmaron que los rayos catódicos son haces de partículas negativamente cargadas. También, cuando se intentó con diferentes materiales para el cátodo, ocurrieron los mismos resultados, esto era independiente del material.

En 1897, J. J. Thomson usó el procedimiento experimental de usar campos magnéticos y eléctricos para aprender más sobre esas partículas. Él y sus asistentes ajustaron los campos de manera de empujar a las partículas en direcciones opuestas y canceladas resultando en que las partículas vayan en línea recta a través.

https://www.njctl.org/video/?v=bctkm8A0gU

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+

-

3 ¿Qusé sucedería si los campos magnético y eléctrico se encendieran al mismo tiempo?

A Si la fuerza eléctrica fuera más fuerte, las partículas se desviarían hacia arriba.

B Si la fuerza magnética fuera más fuerte, las partículas se desviarían hacia abajo.

C Si las fuerzas fueran iguales, las partículas irían en línea recta.

D Todo lo de arriba.

https://www.njctl.org/video/?v=sH7Y2-ZoOSs

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+

-

3 ¿Qusé sucedería si los campos magnético y eléctrico se encendieran al mismo tiempo?

A Si la fuerza eléctrica fuera más fuerte, las partículas se desviarían hacia arriba.

B Si la fuerza magnética fuera más fuerte, las partículas se desviarían hacia abajo.

C Si las fuerzas fueran iguales, las partículas irían en línea recta.

D Todo lo de arriba.



Res

pues

ta

D


https://www.njctl.org/video/?v=bctkm8A0gU



+

-

Aprendiendo sobre las partículas negativamente cargadas

A partir de la medición de la magnitud de ambos campos, calcularon la velocidad de las partículas como se muestra abajo:

ΣF= ma

FB - FE = 0

qvB = qE

vB = E

v = E/BYa que pudieron medir E y B, también pudieron medir v.

FB

FE

https://www.njctl.org/video/?v=DJ6oTeCRB1w

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4 ¿Cuál es la velocidad de una partícula cargada que pasa a través de un campo magnético de 4.0 T y un campo eléctrico de 4.0 x 103 N/C sin desviarse?

https://www.njctl.org/video/?v=Esu4PQKlsc4

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Res

pues

ta


https://www.njctl.org/video/?v=DJ6oTeCRB1w




https://www.njctl.org/video/?v=R-KMhpt8Cn4

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Res

pues

ta


6 ¿Qué campo eléctrico perpendicular permitirá a una partícula cuya velocidad es 610 m/s pasar en línea recta a través de un campo magnético de 2.0 T, y no desviarse en cualquier dirección?

https://www.njctl.org/video/?v=Nipr74tQZaA

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6 ¿Qué campo eléctrico perpendicular permitirá a una partícula cuya velocidad es 610 m/s pasar en línea recta a través de un campo magnético de 2.0 T, y no desviarse en cualquier dirección?



Res

pues

ta


7 ¿Qué campo eléctrico perpendicular permitirá a una partícula cuya velocidad es 920 m/s pasar en línea recta a través de un campo eléctrico de 8.0 x 103 N/C, y no desviarse en ninguna dirección?

https://www.njctl.org/video/?v=Jdvg14Q5u6Y

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7 ¿Qué campo eléctrico perpendicular permitirá a una partícula cuya velocidad es 920 m/s pasar en línea recta a través de un campo eléctrico de 8.0 x 103 N/C, y no desviarse en ninguna dirección?



Res

pues

ta





8 A continuación se apaga el campo eléctrico y se enciende el campo magnético. ¿Qué se ve que sucede?

A Las partículas se mantienen yendo en línea recta.

B Las partículas se desvían hacia arriba.

C Las partículas se desvían hacia abajo.

D El efecto depende de la velocidad.

https://www.njctl.org/video/?v=PR8OHAobGMM

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8 A continuación se apaga el campo eléctrico y se enciende el campo magnético. ¿Qué se ve que sucede?

A Las partículas se mantienen yendo en línea recta.

B Las partículas se desvían hacia arriba.

C Las partículas se desvían hacia abajo.

D El efecto depende de la velocidad.



Res

pues

ta

C


Descubrimiento del electrón

Ahora, vamos a ver como J. J. Thomson usaron estos experimentos para calcular una interesante propiedad de esas partículas de carga negativa.

Balancearon los campos eléctrico y magnético de manera que las partículas fueran en línea recta a lo largo del tubo de vacío. Esto permitió al equipo calcular la velocidad de las partículas.

Luego, ellos apagaron el campo eléctrico. Las partículas fueron desviadas hacia abajo, en una órbita semicircular y golpearon un lado del tubo.

https://www.njctl.org/video/?v=r32YLNqHcJg

lper

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https://www.njctl.org/video/?v=r32YLNqHcJg

FB

v

r

Ellos midieron el radio de la órbita semicircular donde las partículas por medio de ver donde las partículas golpeaban el tubo y lo volvían fluorescente

A partir de esas mediciones pudieron determinar la razón entre la carga de las partículas y su masa: q/m.

Aprendiendo más sobre las partículas cargadas

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Calculando la relación carga/masaLas partículas tenían una velocidad v=E/B antes de que se encendiera el campo eléctrico. El campo magnético ahora experimenta una fuerza perpendicular sobre los electrones, lo que causa la órbita semicircular.

Además se determinó la relación carga masa.

Sustituyendo en el conjunto de valores para E y B, y el r medido:

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El Electrón

Thomson encontró que esta partícula tenía una muy baja masa para su cantidad de carga. En efecto, su masa por carga era 1800 veces menos que la cantidad más baja medida anteriormente para una partícula. Antes de esto, los científicos especulaban que el átomo de Hidrógeno era la partícula fundamental más pequeña.

Esto condujo a Thomson a proponer que esa partícula cargada negativamente, era nueva, y el la llamó "corpúsculo". El nombre "electrón" fue tomado del trabajo de George Johnstone Stoney en 1874, y propuesto nuevamente por F. Fitzgerald - y el nombre impactó.

Además, ya que el electrón era mucho más liviano que el átomo de hidrógeno, concluyó que debía ser parte de un átomo.

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9 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones no es cierta para los rayos catódicos?

A Se originan del electrodo negativo

B Viajan en línea recta en ausencia de campo magnético o eléctrico.

C Son electrones.

D Dependen del material desde el cuál son emitidos.

https://www.njctl.org/video/?v=PNvPAJSdWt4

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9 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones no es cierta para los rayos catódicos?

A Se originan del electrodo negativo

B Viajan en línea recta en ausencia de campo magnético o eléctrico.

C Son electrones.

D Dependen del material desde el cuál son emitidos.



Res

pues

ta

D



Thomson usó un Tubo de Crooke como se muestra arriba. Los electrones eran emitidos desde el cátodo a la izquierda y desviados por un campo eléctrico situado en el medio del aparato.

Aquí hay una réplica del tubo de Crooke usado por J.J. Thomson en la Universidad de Cambridge.

https://www.njctl.org/video/?v=iDY0OCBtzOM

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https://www.njctl.org/video/?v=iDY0OCBtzOM


Una réplica del tercer Espectrómetro de masa usada por J. J. Thomson (puedes haber visto esto en el capítulo de Magnetismo), que el usó para continuar refinando la relación carga masa del electrón. Los electrones entran al Espectrómetro desde la derecha dentro del selector de velocidad, luego a lo largo del campo magnético que separa las partículas de acuerdo a su masa.

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Calculando la carga del electrón

Ahora que Thomson midió la relación carga masa del electrón, si los físicos pudieran calcular o la carga o la masa, sabrían ambas cantidades.

Thomson y su equipo luego hicieron un intento de medir la carga del electrón, usando gotitas de agua en un campo eléctrico (no te preocupes, eso se discutirá en próximas diapositivas).

Usando este método, Thomson asignó 1.03 x 10-19 C a la carga del electrón. Como mostramos antes en el curso, la carga del electrón es 1.6 x 10-19 C - de manera que entonces, Thomson tuvo la magnitud de orden correcto, el porcentaje de error fue un 54% - no es aceptable.

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Pero, esto se dejó hasta 1909 cuando un estudiante graduado reconstruyó muchos años de experimentación de otros físicos y realmente refinó el método en esa tarde!

Luego, después de meses de tediosa experimentación, se encontró un valor más preciso para la carga del electrón.

La idea es bastante simple. pero vamos a hablar de cómo Thomson y otros abordaron el problema.


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De hecho, resolvimos algunos problemas como este cuando estudiamos electricidad.

Un objeto cargado caerá con velocidad constante si está en un campo eléctrico E tal que qE es igual al peso del objeto (mg).

mg

FE = qE


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¿Gotas de agua cargadas?

El objeto que cae no pueden ser electrones ya que son muy pequeños para poderlos ver y se desconocía su masa.

Thomson y otros físicos habían estado usando gotitas de agua y tratando de conseguir que floten en un campo eléctrico.

De esa manera en que podrían estimar la masa de la gota y luego ver que carga había en cada gota.

A partir de medir muchas gotas ellos podrían calcular la carga más pequeña y determinar que era la carga del electrón.

Pero, el experimento no dio una medición precisa ya que la masa de la gota cambiaba a medida que se evaporaba.

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10 ¿Qué problemas ves en usar gotitas de agua cargadas y observar como caen?

A Las gotas de agua contaminarán el aparato del experimento.

B El agua se evapora de modo que su masa no es constante.

C El agua se evapora de modo que la carga desaparece.

D El agua no conduce la electricidad.

https://www.njctl.org/video/?v=tvxAkDjIyiU

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10 ¿Qué problemas ves en usar gotitas de agua cargadas y observar como caen?

A Las gotas de agua contaminarán el aparato del experimento.

B El agua se evapora de modo que su masa no es constante.

C El agua se evapora de modo que la carga desaparece.

D El agua no conduce la electricidad.



Res

pues

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B


https://www.njctl.org/video/?v=lkl4WNg9H1U

Usó un microscopio de modo de poder ver las gotas al caer. El método funcionó inmediatamente!

Un estudiante graduado de Robert Millikan, Harvey Fletcher, resolvió eso en una tarde. Compró una botella de perfume y la llenó con un aceite muy fino usado para relojes. A diferencia del agua, el aceite no se evaporaría. Luego perforó agujeros en un par de láminas de metal conectadas a una batería de modo que podía cambiar el voltaje de las placas.

El experimento de la gota de aceite de Millikan

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La idea era que a medida que el aceite fuera rociado se recogería alguna carga (al igual que las gotitas de agua)

Si la carga era llevada sólo por el electrón, entonces cuando midieran la carga de la gota de aceite, tendría que ser algún múltiplo de la carga del electrón.

Sólo tenían que calcular el común denomindaor de la carga medida en todas las gotas de aceite.


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Ajustó el campo eléctrico de modo que la gota cayera con velocidad constante.

Estimó el tamaño de la gota y luego calculó su masa, sabiendo la densidad del aceite.

De modo que, él conocía el campo eléctrico, E, y la masa de la gota, m.

FE

mg


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FE

mg

ΣF= ma

FE - mg = 0

qE = mg

q = mg/E


Entonces calculó la carga en la gota de aceite.

Hizo lo mismo para una gran cantidad de gotas, usando el siguiente enfoque.

Harving pasó muchas horas en el microscopio viendo las chispeantes gotas de aceite. Los cálculos también añadieron una corrección por la viscocidad de las gotas de aceite (las que proveyeron una fuerza de fricción hacia arriba) y fueron trabajosamente realizados sin la ayuda de computadoras (que no existían en se momento).

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El experimento fue repetido muchas veces por muchos otros grupos, aumentando su presición y se aceptó el valor de la carga elemental como 1.602177 x 10-19 C.

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Aquí hay una foto de la organización del experimento que fue usado por Robert Millikan y Harvey Fletcher para determinar la carga del electrón.

Todo encaja en una mesa de laboratorio.


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11 Por ejemplo, si obtienes los siguientes números como la carga para seis gotas de aceite, ¿cuál podrías decir que es la carga del electrón?

A 3.2

B 4.8

C 6.4

D 1.6

E 4.8

F 3.2

https://www.njctl.org/video/?v=e0xoN0ARyWw

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11 Por ejemplo, si obtienes los siguientes números como la carga para seis gotas de aceite, ¿cuál podrías decir que es la carga del electrón?

A 3.2

B 4.8

C 6.4

D 1.6

E 4.8

F 3.2



Res

pues

ta

D




Propiedades del Electrón

Los datos reales eran más desordenados que el problema previo y las unidades estaban en 10-19 C, pero la conclusión fue la misma.

El electrón mostraba tener una carga de 1.6 x 10-19 C y una masa de 9.1 x 10-31 kg.

qe = 1.6 x 10-19 C

me = 9.1 x 10-31 kg

Esta carga también es llamada carga elemental. Es la carga más pequeña encontrada en la naturaleza.

De modo que la carga de cualquier objeto siempre es un múltiplo de de 1.6 x 10-19 C.

https://www.njctl.org/video/?v=T_vLVH78f4Q

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r

De paso, podrías preguntarte por qué no se llama El Experimento de la gota de aceite de Fletcher en lugar del Experimento de la gota de aceite de Millikan.

Fletcher fue un estudiante graduado de Millikan y Millikan había hecho un arreglo especial para él para asistir a la Universidad de Chicago sin los requisitos previos establecidos y lo apoyaron durante toda su permanencia allí.

Millikan había estado trabajando sobre el problema de la carga del electrón, pero fue la idea de Fletcher lo que galvanizó la investigación. Millikan quiso el crédito principal y debido a ese proyecto fue el primer científico americano en ganar el Premio Nobel de Física.


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r

Harvey Fletcher fue autor de otros trabajos de investigación sobre el tema y recibió el título de Ph.D. y fue a hacer un trabajo seminal sobre sonido estéreo, acústica, física atómica y muchos otros temas y en los laboratorios Bell y grabó álbunes con Leopoldo Stokowski.

En 1982, se publicó un artículo en Physics Today, escrito por Harvey Fletcher que él sólo quiso hacer público después de su muerte.

En ese artículo, describió la relación con Millikan - y dijo que el fue feliz con la manera en que todo se desarrolló y fue muy agradecido con Millikan.

(Physics Today 35(6), June 1982)


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https://www.njctl.org/video/?v=T_vLVH78f4Q

12 ¿Cuál de éstas podría ser la carga de un objeto? (e = 1.6 x 10-19 C)

A 0.80 x 10-19 C

B 2.0 x 10-19 C

C 3.2 x 10-19 C

D 4.0 x 10-19 C

E Todas las de arriba

F Ninguna de las de arriba

https://www.njctl.org/video/?v=TLYZQmioGEk

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12 ¿Cuál de éstas podría ser la carga de un objeto? (e = 1.6 x 10-19 C)

A 0.80 x 10-19 C

B 2.0 x 10-19 C

C 3.2 x 10-19 C

D 4.0 x 10-19 C





Res

pues

ta

C


13 ¿Cuál de estas podría ser la carga de un objeto? (e = 1.6 x 10-19 C)

A 2.0 mC

B 4.5 mC

C 3.2 C

D 2.5 μC



https://www.njctl.org/video/?v=UIy9qL_7yD8

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13 ¿Cuál de estas podría ser la carga de un objeto? (e = 1.6 x 10-19 C)

A 2.0 mC

B 4.5 mC

C 3.2 C

D 2.5 μC




[This object is a pull tab]R

espu

esta

C


14 La carga del electrón fue determinada en:

A Tubo de rayos catódicos por J. J. Thomson

B Experimento de la gota de aceite de Millikan

C Experimento de la lámina de oro de Rutherford

D Teoría atómica de Dalton

E Teoría atómica de la materia

https://www.njctl.org/video/?v=ip0ommy6Zb0

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14 La carga del electrón fue determinada en:

A Tubo de rayos catódicos por J. J. Thomson

B Experimento de la gota de aceite de Millikan

C Experimento de la lámina de oro de Rutherford

D Teoría atómica de Dalton

E Teoría atómica de la materia



Res

pues

ta

B





15 La razón carga masa del electrón fue determinada por:

A Robert Millikan

B James Clerk Maxwell

C J. J. Thomson

D Harvey Fletcher

https://www.njctl.org/video/?v=AO5oT_tSJwE

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15 La razón carga masa del electrón fue determinada por:

A Robert Millikan

B James Clerk Maxwell

C J. J. Thomson

D Harvey Fletcher



Res

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C


Rayos X

El tubo de Crooke que fue usado para estudiar los rayos catódicos y luego resultó en el descubrimiento del electrón, fue también instrumental en el descubrimiento de los rayos.

William Roentgen estuvo experimentando con varias configuraciones del tubo vacío para estudiar las propiedades de los rayos catódicos. Protegió el tubo con cartón negro de manera que no pasara luz o rayos catódicos, energizó el tubo y apagó la luz para chequear la efectividad de la protección

Cuando luego notó que a varios metros de distancia, una pantalla recubierta con planitocianuro de bario, estaba brillando. Tenía planeado usar esa pantalla más tarde en el experimento.

https://www.njctl.org/video/?v=NdtCJh6FkEo

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https://www.njctl.org/video/?v=NdtCJh6FkEo

Roentgen sabía que el brillo no podía estar causado por los rayos catódicos, así que teorizó que algún otro tipo de rayo estaba pasando a lo largo de la protección y causaba que la pantalla brillara. .

Debido a que eran desconocidos, acuñó el término rayos "X."

Muy rápidamente, probó otros objetos para determinar la potencia de penetración de esos rayos X.

Este es otro ejemplo en la ciencia donde se realizó un gran descubrimiento por accidente. Puedes buscar en la web otros descubrimientos hechos de esa manera.

Rayos X

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A esa altura, los peligros de la excesiva exposición a los rayos X no era conocido, y se hicieron muchas demostraciones que al día de hoy no están permitidas.

Sólo dos semanas después de su descubrimiento, Roentgen tomó una fotografía con rayos X de la mano de su esposa, Anna Bertha Ludwig, por medio de ubicar una placa fotográfica entre la mano de ella y los rayos X dirigiéndose a su mano.

La placa mostraría luz donde los rayos X la tocaran. Si los rayos X no golpeaban la mano se vería oscuro.

¿Puedes explicar por qué la mano de Anna se ve así?

Rayos X

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Los objetos más densos, tal como los huesos de la mano de Anna y su prominente alianza de boda detendrían a los rayos X, y esto resultaría en una sombra sobre la placa fotográfica.

Los objetos menos densos, tal como la piel permitirían el paso de los rayos X mayormente sin obstáculos y la placa se vería iluminada.

¿Por qué la medicina se interesó rápidamente en esto?

Rayos X

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Los físicos podrían ahora ver los daños en los huesos sin tener que abrir el paciente. Si un paciente fue herido por una bala, los rayos X podrían localizarla más rápido que un doctor hurgando dentro del paciente.

Sin embargo, hay un problema, los rayos X tienen una gran cantidad de energía y pueden arrojar los electrones de los átomos (ionizándolos) y pueden romper los enlaces moleculares. Si se está irradiando una caja para ver que hay dentro de ella, esto no es un problema.

Pero, si se está radiografiando a una persona, se corre el riesgo de dañar los tejidos causando enfermedades por radiación. Por esto es que cuando vas al dentista, el doctor protege su cuerpo con una ropa de plomo para minimizar la exposición. El uso de rayos X está muy cuidadosamente controlado para minimizar sus efectos colaterales.

Rayos X

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Más allá de la experimentación se mostró que la intensidad de los rayos X aumentaba con el aumento de la densidad en las placas (ánodes).

También se descubrió que los rayos no eran afectados por campos eléctricos o magnéticos, como pasaba con los rayos catódicos.

¿Qué dice eso sobre la carga de los rayos X?

Rayos X

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Si el camino de los rayos X no estaba afectado por campos magnéticos y eléctricos, entonces la carga en ellos debería ser neutra.

Más tarde, investigaciones mostraron que los rayos X no eran partículas, pero sí otro tipo de radiación electromagnética.

Rayos X

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16 Compara y contrasta los rayos catódicos con los rayos X.

A Ambos están hechos de partículas.

B Ambos rayos son diferentes tipos de radiación electromagnética.

C Los rayos catódicos son partículas y los rayos X son radiación electromagnética.

D Los rayos catódicos son radiación electromagnética y los rayos X son partículas.

https://www.njctl.org/video/?v=2It6fPut7cE

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16 Compara y contrasta los rayos catódicos con los rayos X.

A Ambos están hechos de partículas.

B Ambos rayos son diferentes tipos de radiación electromagnética.

C Los rayos catódicos son partículas y los rayos X son radiación electromagnética.

D Los rayos catódicos son radiación electromagnética y los rayos X son partículas.



Res

pues

ta

C


17 ¿Cuál es la carga de los rayos X?

A Neutra

B Positiva

C Negativa

D Depende de su energía

https://www.njctl.org/video/?v=K1rDns-0x9g

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17 ¿Cuál es la carga de los rayos X?

A Neutra

B Positiva

C Negativa

D Depende de su energía



espu

esta

A


18 Los rayos X-son muy valiosos para mirar dentro de los objetos y de la gente. ¿Hay peligro de usar rayos X ilimitadamente en la gente?

A No, debido a que los rayos x pasan a lo largo de los tejidos y no impactan en ellos.

B No, los rayos X no tienen suficiente energía para causar daño a los seres humanos.

C Sí, demasiada exposición a los rayos X causará iniozación y de tejidos y rotura de enlaces moleculares.

D Sí, y cualquier uso de rayos X es peligroso para los humanos, no importa si cuán pequeño sea.

https://www.njctl.org/video/?v=ELdrttoW7JA

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18 Los rayos X-son muy valiosos para mirar dentro de los objetos y de la gente. ¿Hay peligro de usar rayos X ilimitadamente en la gente?

A No, debido a que los rayos x pasan a lo largo de los tejidos y no impactan en ellos.

B No, los rayos X no tienen suficiente energía para causar daño a los seres humanos.

C Sí, demasiada exposición a los rayos X causará iniozación y de tejidos y rotura de enlaces moleculares.

D Sí, y cualquier uso de rayos X es peligroso para los humanos, no importa si cuán pequeño sea.



Res

pues

ta

C





19 Los rayos X fueron observados primero cuando

A Protones impactaron sobre un metal.

B Neutrones dispersados fuera de un cristal.

C Electrones pasando a través de una doble rendija.

D Electrones impactando sobre un objetivo de metal.

https://www.njctl.org/video/?v=wLDn0d88gZE

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19 Los rayos X fueron observados primero cuando

A Protones impactaron sobre un metal.

B Neutrones dispersados fuera de un cristal.

C Electrones pasando a través de una doble rendija.

D Electrones impactando sobre un objetivo de metal.



Res

pues

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Rayos XA medida que se fue aprendiendo sobre los rayos X, rápidamente se fueron conociendo muchas otras utilidades.En 1899, Hermann Haga y Cornelius Wind demostraron que la difracción de los rayos X a través de una rendija delgada y estimaron que la longitud de onda de los rayos X sería 1 x 10-9 m. En 1912, Max von mostró la difracción de los rayos X a través de cristales, lo cual permitió el estudio de la estructura de los materiales. Ambos indicaron una naturaleza ondulatoria para los rayos X.Luego, en 1923, Arthur Compton mostró que los rayos X estaban actuando como partículas cuando bajas intensidades de rayos X fueron dispersados a partir de electrones. Mucho de la física cuántica se enfoque sobre las diferentes maneras de mirar a la luz y a los electrones, si ellos son partículas u ondas. Más sobre esto más adelante..........

https://www.njctl.org/video/?v=iaH0lSnhh94

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https://www.njctl.org/video/?v=iaH0lSnhh94

Rayos XA los físicos les gusta usar gráficos para entender que está pasando. Aquí hay un gráfico de cuánto de rayos x son producidos (eje de las y- intensidad) a diferentes longitudes de onda (eje de las x9 para un ánodo hecho de un elemento específico. Este tipo de gráfico se llama espectro.

¿Qué notas en este gráfico?

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Rayos XSe puede ver una curva continua, sobre la cual hay dos picos distintivos. La parte contínua es llamada Bremsstrahlung o radiación de frenado y resulta de la energía emitida por los electrones golpeando el blanco, perdiendo energía cinética y liberando esta energía en forma de luz.

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Rayos XLos dos picos sobre la curva relacionan la estructura interna de los átomos que forman el ánodo- y será discutido más adelante en el modelo de Bohr. ¿Se esperaría que todos los elementos tengan una curva idéntica?

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Rayos XNo, no se esperaría. Los átomos de diferentes elementos son únicos y poseen una diferente estructura interna. Así que, ese espectro puede ser usado para identificar diferentes tipos de materiales como las huellas dactilares para la gente!

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Rayos XSólo para mostrar la unicidad de varios espectros- aquí está el espectro resultante para un tubo de cobre de rayos X. Este tiene más picos, y una alta intensidad relativa de Bremsstrahlung a longitudes de onda más cortas.

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20 ¿Por qué los gráficos son útiles para los físicos?

A Se puede hacer cálculos extremadamente precisos con sólo mirarlos.

B Son capaces de hacer comparaciones para ser hechas entre diferentes experimentos.

C Presentan mucha información en muy pequeño lugar y son útiles para descubrir nuevas tendencias

D Sólo B y C.E Sólo A y B F A, B y C

https://www.njctl.org/video/?v=KYRqWC194H0

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20 ¿Por qué los gráficos son útiles para los físicos?

A Se puede hacer cálculos extremadamente precisos con sólo mirarlos.

B Son capaces de hacer comparaciones para ser hechas entre diferentes experimentos.

C Presentan mucha información en muy pequeño lugar y son útiles para descubrir nuevas tendencias

D Sólo B y C.E Sólo A y B F A, B y C



Res

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21 Multi opción: ¿qué fenómenos distintivos son ilustrados en el espectro de rayos X?

A Bremsstrahlung - desaceleración de los electrones golpeando al ánodo.

B Aceleración de los electrones después de que golpean el ánodo.

C Estructura atómica interna del ánodo.

D Potencia de penetración de los rayos catódicos.

https://www.njctl.org/video/?v=_ZWHO8G1QXI

Res

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Radiación

Un año después de que Roentgen descubrió los rayos X , Henri Becquerel quiso ver si las sales fosforescentes (de uranio) se podrían usar para emitir rayos X por medio de exponerlas al sol (una fuente de energía como el voltaje en los Tubos de Crooke).

Después de mucha experimentación, Becquerel encontró que las sales de uranio expuestas sobre placas fotográficas hacían que las placas se ennegrecieran, justo como los rayos X, pero no necesitaban del sol! Esto funcionaba adentro, en ausencia de luz.

¿Qué conclusión podrías obtener de esto?

https://www.njctl.org/video/?v=0_V1tY6pqsc

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https://www.njctl.org/video/?v=_ZWHO8G1QXI

https://www.njctl.org/video/?v=0_V1tY6pqsc

Radiación

Antes de tu respuesta, aquí hay una foto de una placa fotográfica que Becquerel había expuesto a las sales de uranio. Una vez más (como Roentgen), se usó una cruz maltesa para proteger la placa de los rayos, y se puede ver su sombra, donde la cruz bloqueó los rayos.

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¡Se encontró que el átomo no es indivisible!

Bien, más gente comenzó a trabajar en ese problema, y los más famosos, Marie Curie, y su marido, Pierre Curie, hicieron muchos experimentos y análisis.

Su conclusión fue que esos "rayos" provenían de los mismos átomos y que no eran indivisibles, se rompían y decaían en otros átomos. Esta es la versión en la vida real de los alquimistas tratando de hacerlo, cientos de años antes, esto es, de transformar elementos en otros elementos.

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Pero todo en la química trata sobre compartir o tomar y ceder electrones a niveles de energía mucho menores que los nuevos rayos X descubiertos, o radiación.

La radiación, descubierta por Curie y por otros investigadores tenía una energía mucho más alta lo cuál indicaba que provenían de algo mucho más profundo en el átomo (el núcleo que fue descubierto en 1911).

¡Se encontró que el átomo no es indivisible!

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Radiación

Durante sus investigaciones, los Curies descubrieron nuevos elementos -Radio y Polonio - a medida que encontraron diferentes mezclas de minerales que emitían diferentes radiaciones que los rayos X descubiertos por Roentgen.

La exposición prolongada, sin la adecuada protección a esas sustancias durante sus investigaciones condujo a la muerte temprana de Marie debido al cáncer.

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Marie fue la primera mujer galardonada con el Premio Nobel (que ella compartió con su marido Pierre y Henri Becquerel), la única persona en ser galardonada con el Premio Nobel en dos disciplinas técnicas (Física y Química) y la primera mujer miembro facultativo de la Escuela Normal Superior.

Radiación

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Subsecuentes investigaciones realizadas por, M. Curie, P. Curie, Rutherford, Andrade, Royds, y muchos otros, encontraron que esos rayos no eran los mismos. Para 1901, se había aislado tres nuevos tipos de radiación:

Rayos Gamma - un tipo de radiación electromagnética de alta energía surgiendo de cambios de energía en el núcleo.

Partículas Beta - electrones del decaimiento beta en el núcleo (esto era la radiación de las sales de uranio que Becquerel encontró).

Partículas alfa - Núcleos de Helio.

¡Qué emocionante tiempo para la ciencia! Esto será discutido más adelante en el capítulo de Física Nuclear..

Radiación

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22 Una diferencia entre los rayos X y la radiación descubierta por Becquerel, M. Curie y P. Curie es:

A Los rayos X fueron descubiertos ubicando una sustancia frente a una placa fotográfica.

B La radiación ocurrió sólo cuando un potencial eléctrico fue aplicado al Tubo de Crooke.

C Se emitió radiación espontáneamente a partir de ciertas sustancias.

D Todas las sustancias emiten radiación.

https://www.njctl.org/video/?v=3DSRgA0jtfo

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22 Una diferencia entre los rayos X y la radiación descubierta por Becquerel, M. Curie y P. Curie es:

A Los rayos X fueron descubiertos ubicando una sustancia frente a una placa fotográfica.

B La radiación ocurrió sólo cuando un potencial eléctrico fue aplicado al Tubo de Crooke.

C Se emitió radiación espontáneamente a partir de ciertas sustancias.

D Todas las sustancias emiten radiación.



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23 ¿Cuál fue la conclusión de Marie Curie cuando encontró que la radiación se emitía espontáneamente de ciertos elementos (sin una fuente externa de energía)?

A Los átomos son indivisibles.

B Los átomos no tienen estructura interna.

C Sólo los electrones se emitían espontáneamente.

D Los átomos decaían en átomos diferentes.

https://www.njctl.org/video/?v=s620P2t2Ar4

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23 ¿Cuál fue la conclusión de Marie Curie cuando encontró que la radiación se emitía espontáneamente de ciertos elementos (sin una fuente externa de energía)?

A Los átomos son indivisibles.

B Los átomos no tienen estructura interna.

C Sólo los electrones se emitían espontáneamente.

D Los átomos decaían en átomos diferentes.



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24 ¿Qué tipos de radiación fueron descubiertas por los físicos trabajando en la época de Marie Curie?

A Partículas alfa

B Partículas beta

C Rayos gamma

D Todos los de arriba

https://www.njctl.org/video/?v=6nrrmWaGFOg

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24 ¿Qué tipos de radiación fueron descubiertas por los físicos trabajando en la época de Marie Curie?

A Partículas alfa

B Partículas beta

C Rayos gamma




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Radiación de Cuerpo Negro,

Energía Cuantizada y Efecto Fotoeléctrico

https://www.njctl.org/video/?v=FM3diyh6OOk


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La Física clásica evoluciona en la Física Moderna

Al comienzo del siglo XX, nuestra comprensión de la física mundial fue cambiando rápidamente.

Se descubrió el electrón. Había evidencia de que el átomo que había sido considerado la partícula más pequeña de la materia, tenía una estructura interna.

Se descubrió que los rayos catódicos son partículas (electrones) y la distinción de las propiedades de la radiación (luz) y la materia sólida (partículas) era borrosa.

A continuación, la naturaleza de la luz fue cambiada.

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Radiación de Cuerpo Negro

Todos los objetos emiten radiación electromagnética que depende de su temperatura: radiación térmica.

Un cuerpo negro absorbe toda la radiación electromagnética(luz) que incide sobre él. Debido a eso, no refleja o transmite luz, el objeto parece negro cuando está frio. Sin embargo, cuando un cuerpo negro se calienta, emiten un espectro dependiente de la temperatura, llamado radiación de cuerpo negro.

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https://www.njctl.org/video/?v=FM3diyh6OOk

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A temperaturas normales, no tenemos conocimiento de esa radiación.

Pero cuando un objeto se calienta, podemos sentir la radiación infrarroja en forma de calor.

E incluso a altas temperaturas, los objetos brillan en rojo y aún a más altas temperaturas, los objetos tienen un resplandor blanco tal como el filamento de una lámpara de luz.

Radiación de Cuerpo Negro

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25 ¿Cuáles son las propiedades de un cuerpo negro?

A Absorbe toda la radiación que incide y luego se la reemite a una diferente frecuencia.

B Es siempre negro, incluso cuando se calienta a altas temperaturas.

C Absorbe toda la radiación incidente y no re-emite ninguna radiación.

D A medida que se calienta, cambia de color negro, a blanco y luego a rojo.

https://www.njctl.org/video/?v=wiaSt07O86Q

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25 ¿Cuáles son las propiedades de un cuerpo negro?

A Absorbe toda la radiación que incide y luego se la reemite a una diferente frecuencia.

B Es siempre negro, incluso cuando se calienta a altas temperaturas.

C Absorbe toda la radiación incidente y no re-emite ninguna radiación.

D A medida que se calienta, cambia de color negro, a blanco y luego a rojo.



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26 ¿Cuál de los siguientes colores indica la temperatura más caliente de un objeto?

A Negro

B Rojo.

C Amarillo.

D Azul

https://www.njctl.org/video/?v=ZHTt5b87c00

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26 ¿Cuál de los siguientes colores indica la temperatura más caliente de un objeto?

A Negro

B Rojo.

C Amarillo.

D Azul



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27 ¿Cuál de los siguientes colores indica la temperatura más baja de un objeto?

A Rojo.

B Naranja.

C Amarillo

D Azul.

https://www.njctl.org/video/?v=IgyCYqmTdSI

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27 ¿Cuál de los siguientes colores indica la temperatura más baja de un objeto?

A Rojo.

B Naranja.

C Amarillo

D Azul.



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28 Usando la Ley de desplazamiento de Wien, ¿cuál longitud de onda contribuye al máximo para el color de un objet a una temperatura de 4000.0 K?

https://www.njctl.org/video/?v=QJWPhdNCXdI

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28 Usando la Ley de desplazamiento de Wien, ¿cuál longitud de onda contribuye al máximo para el color de un objet a una temperatura de 4000.0 K?



Res

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tacolor rojo


Radiación de cuerpo negro

https://www.njctl.org/video/?v=VdhnUH2UzuA

Esta figura muestra curvas de radiación de cuerpo negro para un cuerpo negro a tres diferentes temperaturas y la predicción de la física clásica de la intensidad de su luz a 5000 K.

En el eje de las x se marca la longitud de onda de la luz emitida por el cuerpo negro. El eje de las y muestra cuán fuerte (intensa) es la luz.

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Las curvas roja, azul y verde son datos reales. La línea negra es lo que la física teórica predice que sucedería cuando la temperatura del objeto alcanza los K.

Basta con ver las curvas con datos reales. A medida que los objetos se calientan, ¿qué sucede con la luz con la luz emitida?

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https://www.njctl.org/video/?v=VdhnUH2UzuA

Esto es así. La luz con la mayoría de cambios de intensidad proviene de las longitudes de onda mayores, hacia abajo en el espectro visible donde comienza con la luz roja (el lado derecho del espectro visible) y va hacia el amarillo, luego azul y luego finalmente a 5000k, están todos los colores, dando luz blanca


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Pero, ¿puedes ver realmente un gran problema con la predicción de la teoría clásica (la línea negra) y los datos medidos (las líneas azul, verde y roja)? Una pista- la línea negra se mantiene aumentando a medida que la longitud de onda se aproxima a cero.


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La teoría clásica muestra que la intensidad de la radiación emitida se aproxima al infinito a medida que la longitud de onda se acorta lo cuál no es lo que sucede. Que la longitud de onda sea más corta significa que la luz va hacia el extremo ultravioleta del espectro. Por lo tanto, esto fue dramáticamente llamado "La Catástrofe Ultravioleta"

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29 ¿Cómo ayuda a entender los problemas de la teoría el usar un gráfico de datos de radiación de cuerpo negro observada versus la predicción teórica?

Students type their answers here

https://www.njctl.org/video/?v=hS_l99zi1nY

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29 ¿Cómo ayuda a entender los problemas de la teoría el usar un gráfico de datos de radiación de cuerpo negro observada versus la predicción teórica?

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Si un experimento u observación está bien hecho, entonces la teoría debe producir resultados que coincidan con los datos. Si no, la teoría debe ser modificada o si no es posible, se debe armar una nueva teoría. El gráfico claramente muestra una significativa discrepancia entre la radiación de cuerpo negro observada y su comportamiento predicho a 5000 K.


30 A medida que la temperatura del cuerpo negro aumenta, ¿qué sucede al color de la luz emitida?

A Va del blanco al negro

B Va del rojo, al amarillo y al blanco.

C Va del blanco, al rojo y al amarillo.

D Va desde la luz visible a la infrarroja.

https://www.njctl.org/video/?v=xn8HTazB-R4

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30 A medida que la temperatura del cuerpo negro aumenta, ¿qué sucede al color de la luz emitida?

A Va del blanco al negro

B Va del rojo, al amarillo y al blanco.

C Va del blanco, al rojo y al amarillo.

D Va desde la luz visible a la infrarroja.



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31 ¿Cuál es el problema con la predicción teórica del comportamiento del cuerpo negro a medida que su temperatura aumenta?

A La teoría predice que la intensidad de la luz emitida no cambia a medida que la longitud de onda aumenta.

B La teoría predice que la intensidad de la luz emitida se aproxima a cero a medida que la longitud de onda aumenta

C La teoría predice que la intensidad de la luz emitida se aproxima a cero a medida que la longitud de onda disminuye.

D La teoría predice que la intensidad de la luz emitida se hace infinita a medida que la longitud de onda disminuye.

https://www.njctl.org/video/?v=V33gjCarzN0

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31 ¿Cuál es el problema con la predicción teórica del comportamiento del cuerpo negro a medida que su temperatura aumenta?

A La teoría predice que la intensidad de la luz emitida no cambia a medida que la longitud de onda aumenta.

B La teoría predice que la intensidad de la luz emitida se aproxima a cero a medida que la longitud de onda aumenta

C La teoría predice que la intensidad de la luz emitida se aproxima a cero a medida que la longitud de onda disminuye.

D La teoría predice que la intensidad de la luz emitida se hace infinita a medida que la longitud de onda disminuye.



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Debido a esa tremenda discrepancia que existía entre la física teórica y la realidad, un revolucionario y no fácilmente entendible nueva idea fue necesaria para que coincidiera con los datos observados.

La teoría ondulatoria de la luz no podría explicar la forma en que el cuerpo negro brilla dependiendo de su temperatura.

De manera que en 1900, Max Planck hizo su brillante suposición que los átomos no emiten radiación (luz) con cualquier valor continuo - ellos podrían sólo emitir en múltiplos de pequeñas, distintas cantidades de energía - llamadas cuantos.

Hipótesis de los cuantos de Plank

https://www.njctl.org/video/?v=ahXZLuubpdE

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Esa cantidad de cuántos esta dada por la siguiente fórmula:

E es la energía de la luz, h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la luz.


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Planck no creía que esto era real...sólo trabajaba. Trabajaba como desde las respuestas en el libro...obteniendo algo que funciona pero sin tener idea de por qué.

No tenía sentido que los átomos pudieran tener sólo como escalones de energía. ¿Por qué no podían tener cualquier energía?

Planck pensó que eventualmente se encontraría una "solución real" a "real" pero esto funcionaba por alguna razón.


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https://www.njctl.org/video/?v=ahXZLuubpdE

Planck continuó su análisis para intentar y hacer h = 0. Si él podía mostrar que h era igual a 0, podría extraerlo de esa noción de niveles cuantizados de energía.

Sin embargo, no tuvo éxito porque se dio vuelta que "h" es una constante fundamental del universo y numerosas mediciones hechas por otros físicos lo confirmaron.

Esto ahora nos lleva a otro misterio del mundo de la física que sería trabajada más adelante por Albert Einstein, y usaría su teoría cuántica. Esto era el efecto fotoeléctrico


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32 ¿Qué discrepancia entre el experimento y la teoría ayudó a conducir a Max Planck a su teoría cuántica?

A El descubrimiento de los rayos catódicos.

B El descubrimiento de los rayos X.

C La explosión ultravioleta.

D El descubrimiento de los electrones.

https://www.njctl.org/video/?v=7t4YHMgYyac

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32 ¿Qué discrepancia entre el experimento y la teoría ayudó a conducir a Max Planck a su teoría cuántica?

A El descubrimiento de los rayos catódicos.

B El descubrimiento de los rayos X.

C La explosión ultravioleta.

D El descubrimiento de los electrones.



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El efecto fotoeléctrico

https://www.njctl.org/video/?v=DiSiRhw1fII

Entre 1888 y 1889, Heinrich Hertz, Wilhelm Hallwachs y Philipp Lenard realizaron experimentos en los que luz de frecuencias específicas que incidía sobre ciertos metales pulidos emitía electrones

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Por debajo de cierta frecuencia de corte de la luz incidente, no se emitían electrones.

Cuando los electrones eran emitidos su número era directamente proporcional a la intensidad de la luz, pero su energía era independiente de la intensidad de la luz.

Los electrones aparecían instantáneamente al ser iluminados por la frecuencia propia de la luz.

Esas propiedades no podían ser explicadas por la teoría clásica de la de la naturaleza ondulatoria de la luz.


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Nadie podía explicar por qué sucedía esto- si la luz fuera una onda, entonces no debería emitir electrones, sin importar la longitud de onda de la luz.

Y, si la luz fuera más intensa, debería emitir más electrones. Pero ni una cosa ni otra sucedía.

Así que, al mirar Einstein este problema, él hizo la misma presunción que había sido hecha por Sir Isaac Newton.

Recuerdas?


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Albert Einstein teorizó que la luz actuaba como una Partícula!

Y que las energías observadas pueden ser explicadas por la Ley de Planck:

Y ya que antes había sido encontrada la velocidad de la luz, c para cualquier λf, tenemos que:


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Realmente Planck aplicó primero su teoría cuántica a la luz que se colaba dentro de una caja, estableciendo que actuaba como una partícula - pero él aún teorizaba que la luz era una onda afuera de la caja.

Einstein se explayó sobre esto y dijo que la luz también actúa como una partícula cuando está libre.

Él afirmó que la luz viajaba en paquetes discretos de energía, que más tarde fueron llamados fotones, nuevamente a partir de la energía descripta por Planck. Por lo tanto, la luz es un grupo de fotones -que actúan tal como las partículas.

Otro ejemplo de cómo los físicos continúan construyendo sobre investigaciones previas y aparecen con nuevas explicaciones.


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La naturaleza cuantizada de la luz explica ambos fenómenos:

· Los electrones son emitidos sólo cuando la frecuencia d la luz es mayor que un cierto valor. · La energía de los electrones no es contínua - tiene un valor específico.

La luz debe viajar en paquetes de tamaño específico - paquetes de energía - fotones.

Un electrón es emitido, sólo cuando un único fotón lo golpea. Toda la energía de un único fotón se transmite al electrón, liberándolo de su órbita - y ya que la energía sólo viaja en cantidades específicas- deben ser los fotones.


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33 ¿Cuál es la energía de un fotón con una frecuencia de 5.00 x 1022 Hz?

https://www.njctl.org/video/?v=LYvZnez7J9A

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33 ¿Cuál es la energía de un fotón con una frecuencia de 5.00 x 1022 Hz?



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34 ¿Cuál es la longitud de onda de un fotón con una energía de 5.00 x 10-11 J?

https://www.njctl.org/video/?v=_x5dAb0_bp0

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34 ¿Cuál es la longitud de onda de un fotón con una energía de 5.00 x 10-11 J?



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35 Si la longitud de onda de un fotón se reduce a la mitad, ¿cuál es el nuevo valor de su energía en términos de la energía original?

https://www.njctl.org/video/?v=nsDI2XmVeFw

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35 Si la longitud de onda de un fotón se reduce a la mitad, ¿cuál es el nuevo valor de su energía en términos de la energía original?



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La nueva energía es el doble de la energía original





36 La relación de energía frecuencia para un fotón es

A su amplitud.

B su velocidad.

C La constante de Planck.

D Su función de trabajo.

https://www.njctl.org/video/?v=vg1_2RLknUg

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36 La relación de energía frecuencia para un fotón es

A su amplitud.

B su velocidad.

C La constante de Planck.

D Su función de trabajo.



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37 ¿Qué es un fotón?

A Un electrón en un estado exitado.

B Un pequeño paquete de energía electromagnética que actúa como una partícula.

C Una forma de nucleón - una de las partículas que forman el núcleo.

D Un electrón que se ha hecho eléctricamente neutro.

https://www.njctl.org/video/?v=Vp9GG0VHw20

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37 ¿Qué es un fotón?

A Un electrón en un estado exitado.

B Un pequeño paquete de energía electromagnética que actúa como una partícula.

C Una forma de nucleón - una de las partículas que forman el núcleo.

D Un electrón que se ha hecho eléctricamente neutro.



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38 La energía de un fotón depende de

A Su amplitud.

B Su velocidad.

C Su frecuencia.

D Todas las de arriba.

https://www.njctl.org/video/?v=-JWb9hsCYq0

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38 La energía de un fotón depende de

A Su amplitud.

B Su velocidad.

C Su frecuencia.

D Todas las de arriba.



Res

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39 El efecto fotoeléctrico fue explicado a partir de ver a la luz como una

A partícula.

B onda.

C onda y partícula.

D ninguna de las de arriba.

https://www.njctl.org/video/?v=5s8NKmznSi0

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39 El efecto fotoeléctrico fue explicado a partir de ver a la luz como una

A partícula.

B onda.

C onda y partícula.

D ninguna de las de arriba.



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Teoría de la luz como fotones Vamos a observar un diagrama de la energía cinética de los electones escapando versus la frencuencia de la luz incidente.

No se puede explicar este gráfico a partir de la teoría ondulatoria de la luz.

Esto muestra que la luz está formada por partículas, los fotones; la luz no es una onda.

Pero, ¿qué notamos en este gráfico para las bajas frecuencias?

https://www.njctl.org/video/?v=-QFjMYWEHH8

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https://www.njctl.org/video/?v=-QFjMYWEHH8

La luz con una frecuencia menor que la frecuencia de corte, f0, no emitirá electrones. Pero ¿qué sucede con la luz que tiene una frecuencia mayor que f0?

Emitirá electrones con una EC máxima. Pero, observa que la intersección con el eje de las y del gráfico, está por debajo de la intersección con el eje de las x

¿Qué significa ésto?

Teoría de la luz como fotones

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Efecto fotoeléctrico

No toda la energía de los fotones fue a parar al electrón. Los electrones son arrancados de sus átomos, de manera que se requiere una cantidad mínima de energía para liberarlos. A esta energía se la llama Función de Trabajo (W), y la ecuación para la energía cinética máxima del electrón emitido es:

Así que, "-W" es la intersección en el eje y en el gráfico anterior.

Todas las propiedades observadas del Efecto Fotoeléctrico fueron explicadas por el trabajo de investigación de Einstein (por el que recibió el Premio Nobel).

Además, reintrodujo la idea de Newton de que la luz estaba formada por partículas!

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El Efecto Fotoeléctrico

Ahora tenemos que Einstein reintrodujo la idea de Newton de que la luz se compone de partículas y su explicación era exactamente coincidente con los datos observados.

Lo cual fue genial, para el Efecto Fotoeléctrico y para la carrera de Einstein.

Pero ahora tenemos varios fenómenos que son explicados mediante asumir que la luz es una partícula y algunos por asumir que la luz es una onda.

¿Qué es realmente la luz?

Vamos a regresar a eso en la sección de Ondas y Partículas de este capítulo. Pero, por ahora, vamos hacia el Modelo Atómico- que nos lleva a más sorpresas.

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40 Una célula fotoeléctrica tiene una función de trabajo de 5.0 x 10-19 J. ¿Cuál es la mínima frecuencia de la luz incidente que sacará electrones de su superficie?

https://www.njctl.org/video/?v=bvUxx5aKnrI

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40 Una célula fotoeléctrica tiene una función de trabajo de 5.0 x 10-19 J. ¿Cuál es la mínima frecuencia de la luz incidente que sacará electrones de su superficie?



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La mínima frecuencia es aquella en la que la Energía Cinética del electrón emitido es cero.


41 La luz con una frecuencia de 9.5 x 1014 Hz, incide sobre una célula fotoeléctrica con una función de trabajo de 5.0 x 10-19 J. ¿Cuál es la energía cinética máxima de los electrones arrancados?

https://www.njctl.org/video/?v=8ChFjqQywQk

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41 La luz con una frecuencia de 9.5 x 1014 Hz, incide sobre una célula fotoeléctrica con una función de trabajo de 5.0 x 10-19 J. ¿Cuál es la energía cinética máxima de los electrones arrancados?



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Modelos Atómicos

https://www.njctl.org/video/?v=2xHjW0pHK7k


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Evolución de los Modelos Atómicos

El átomo fue concebido originalmente unos 400 años por los filósofos griegos como un objeto indivisible cuya forma dependía de su propiedades macro físicas, por ej. los "átomos" de agua, serías suaves y frescos y los "átomos" de hierro serían sólidos y duros.

No fue hasta 1802, que Dalton basándose en investigaciones experimentales, propuso que los elementos estaban hechos de átomos específicos que se combinaban entre sí - y eran indivisibles - y no podrían ser alterados químicamente.

Luego los modelos evolucionaron muy rápidamente, comenzando con el descubrimiento de Thomson del electrón.

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Modelo de Thomson de Budín con PasasEl descubrimiento de Thomson del electrón fue la primera evidencia que el átomo tenía una estructura subyacente.

En 1904, propuso que los electrones se mueven dentro de una masa de carga positiva -el realmente nunca dijo que eran las cargas positivas.Un budín con pasas es un postre inglés en el que las pasas de uva (se usa llamarlas plums en Inglaterra) están incrustadas en una mezcla de huevos, grasa y melaza, de aquí el nombre.

Pero, el modelo no podía explicar las diferentes longitudes de onda de la luz emitida por los átomos exitados.

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Modelo de Rutherford El Modelo de budín con pasas sólo tuvo vigencia por cinco años, cuando el trabajo realizado por uno de los estudiantes de Thomson, Ernest Rutherford, Hans Geiger y Ernest Marsden estableció que las cargas positivas estaban concentradas en un pequeñisimo núcleo de un diámetro de 10-15 m.

Esto aimed un haz de partículas alfa de la lámina de oro. Si el átomo era un budín con pasas, ellos esperaban que las partículas alfa pasaran a través como se muestra en el gráfico de arriba.

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But, a very small amount of alpha particles were deflected; some were bounced right back to the alpha source.

As Rutherford said, "It was quite the most incredible event that has happened in my life. It was almost as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper, and it came back and hit you."

Hence, the conclusion that the positive charge was all located in a tiny region of the atom as shown in the lower right.

Modelo de Rutherford

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Ya que todas las cargas positivas de los átomos de oro, estaban concentrados en un núcleo pequeño, y la mayor parte del átomo era sólo espacio vacío, la mayoría de las partículas alfa positivamente cargadas no serían afectadas por el núcleo con carga positiva.

Sin embargo, para el pequeño porcentaje de partículas alfa que realmente golpeaban el núcleo, serían desviadas de su trayectoria original, y en el caso más extremo, sólo rebotaban hacia atrás. Rutherford propuso que el pequeño núcleo estaba rodeado por electrones en órbitas planetarias.

¿Por qué crees que Rutherford propuso órbitas planetarias?


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Probablemente porque los científicos estaban bien versados en órbitas planetarias desde Galileo, Copernico, Brahe y Kepler.Y, por las semejanzas en las ecuaciones para la fuerza de Gravedad y la Fuerza Eléctrica. Ya que esas ecuaciones son similares, y la gravedad hace que los objetos se muevan en órbitas alrededor del Sol- ¿por qué no harían lo mismo los electrones alrededor del núcleo?

Rutherford no propuso una estructura para los electrones orbitando- esto le sería dejado a Neils Bohr.


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Para enfatizar cuánto del átomo es sólo espacio vacío - si el núcleo se ampliara de manera que fuera del tamaño de una pelota de béisbol, entonces el átomo tendría un radio de 4km.

Los electrones serían del tamaño del punto al final de esta oración.

El sitio web de abajo presenta una simulación sobre el experimento de la lámina de oro de Rutherford.

Pero, Rutherford no pudo explicar las diferentes longitudes de onda de la luz emitida por los átomos exitados. Esto también sería dejado para Niels Bohr.

http://phet.colorado.edu/en/simulation/rutherford-scattering


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http://phet.colorado.edu/en/simulation/rutherford-scattering

42 El Modelo de Budín con Pasas del átomo fue importante porque

A Era correcto de cualquier manera y lasted por muchos años sin ninguna corrección.

B Confirmó que los electrones tenían una carga negativa.

C Incluyó a los protones.

D Fue el primer modelo que ilustró la estructura subyacente del átomo.

https://www.njctl.org/video/?v=1y0GFCyQsOA

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42 El Modelo de Budín con Pasas del átomo fue importante porque

A Era correcto de cualquier manera y lasted por muchos años sin ninguna corrección.

B Confirmó que los electrones tenían una carga negativa.

C Incluyó a los protones.

D Fue el primer modelo que ilustró la estructura subyacente del átomo.



Res

pues

ta

D


43 El experimento de la lámina de oro realizado bajo la dirección de Ernest Rutherford

A confirmó el modelo de budín con pasas para el átomo.

B condujo al descubrimiento del núcleo atómico.

C fue la base para el modelo atómico de Thomson.

D utilizó la desviación de las partículas beta en la lámina de oro.

E comprobó la ley de las proporciones múltiples.

https://www.njctl.org/video/?v=4AFE-1-0Jj4

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43 El experimento de la lámina de oro realizado bajo la dirección de Ernest Rutherford

A confirmó el modelo de budín con pasas para el átomo.

B condujo al descubrimiento del núcleo atómico.

C fue la base para el modelo atómico de Thomson.

D utilizó la desviación de las partículas beta en la lámina de oro.

E comprobó la ley de las proporciones múltiples.



Res

pues

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B


44 En el modelo atómico de Rutherford,

A la parte pesada del átomo es muy pequeña y esta rodeada por electrones.

B La carga positiva en el átomo está uniformemente distribuida en él.

C las cargas positivas rodean a los electrones que se encuentran concentrados en el centro.

D el núcleo es físicamente más grande comparado al resto del átomo.

https://www.njctl.org/video/?v=2wqIN360cbo

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44 En el modelo atómico de Rutherford,

A la parte pesada del átomo es muy pequeña y esta rodeada por electrones.

B La carga positiva en el átomo está uniformemente distribuida en él.

C las cargas positivas rodean a los electrones que se encuentran concentrados en el centro.

D el núcleo es físicamente más grande comparado al resto del átomo.



Res

pues

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A





Modelo de BohrNeils Bohr aplicó el concepto de Einstein (y Newton!) de la luz como fotones cuantizados al modelo de Rutherford para explicar el espectro para átomos tales como el hidrógeno. Estos son átomos con un único electrón tal como hidrógeno, helio que ha perdido un electrón, litio que ha perdido dos electrones, etc y coincidió muy bien con los datos experimentales.

Despite sólo teniendo un electrón, el Hidrógeno emite luz de muchas longitudes de onda cuando se exita, y esto es lo que Bohr explicó con su modelo introducido en 1913.

Vamos a comenzar con ese espectro óptico, y vamos a ver cómo Bohr applied estructura a la de Rutherford de los electrones orbitando el núcleo.

https://www.njctl.org/video/?v=z_Icm5bYm00

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Espectro Óptico

Cuando la luz pasa a través de una rejilla de difracción, la interferencia causa diferentes colores mostrados en la pantalla de detección. Aquí hay una imagen de la unidad Ondas Electromagnéticas de este curso:

Con gas Xenón dentro de un tubo y se aplica un potencial eléctrico o en el extremo del tubo (como el Tubo de Crooke), el gas Xenón emite frecuencias que son únicas al Xenón. Cuando esta luz pasa a través de una rejilla de difracción, esto resulta en el espectro óptico de arriba.

El modelo de Rutherford no tenía explicación para esto

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Espectro del Hidrógeno

Aquí está el espectro del Hidrógeno como gas ionizado. Esto es importante debido a que ha sido bien estudiado y se derivaron experimentalmente ecuaciones que ajustan a ese espectro. Estas serán mostradas en la siguiente página.Lo que lo hace muy interesante es que a partir de ese espectro se derivaron ecuaciones que coincidirían exactamente con la teoría de Bohr.

InfraredUltraviolet

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https://www.njctl.org/video/?v=z_Icm5bYm00

En 1885 Balmer ideó nuevamente una ecuación que determinaba donde aparecerían las líneas del espectro visible del Hidrógeno.

En 1888, Johannes Rydberg expandió la ecuación para incluir las líneas ultravioletas e infrarrojas para el Hidrógeno y otros átomos parecidos al Hidrógeno.

Nota que no había teoría para esas líneas - este es un caso fantástico de coincidencia de la matemática con la realidad - y eso es antes de cualquier concepto de la Teoría Cuántica.

La constante en estas ecuaciones que las hicieron funcionar, fue llamada, más tarde Constante Rydberg:

R es la constante de Rydberg


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Estas ecuaciones coinciden exactamente donde las líneas del espectro del Hidrógeno fueron calculadas experimentalmente.

Serie de Balmer

Serie de Lyman

Serie de Paschen


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Bohr y el Espectro del Hidrógeno

Neils Bohr examinó ese espectro y propuso en 1913 que los electrones orbitaban el núcleo en niveles específicos de energía. Y que al absorber energía podían saltar a una órbita de mayor energía.Luego emitirían energía en forma de luz y regresarían a la órbita original. Recuerda que E = hf, de manera que la energía está relacionada a la frecuencia del espectro medido. Esas órbitas estaban cuantizadas, de modo que sólo se podría emitir frecuencias de luz únicas - esto tenía que ser igual a la diferencia entre esas órbitas .

Y las órbitas eran únicas para cada elemento.

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45 Albert Einstein usó el concepto de luz como partícula para explicar por qué el Efecto Fotoeléctrico sólo emitía electrones con específicas y cuantizadas energías. ¿Qué hizo que Bohr usara una explicación similar para el espectro del Hidrógeno?

A La teoría de la luz como partícula es sólo una manera de explicar todas las propiedades de la luz.

B Los átomos excitados del Hidrógeno emiten luz a frecuencias específicas.

C Los átomos excitados del Hidrógeno emiten luz a todas las frecuencias.

D Bohr creía, sin tener datos, que la luz era una partícula.

https://www.njctl.org/video/?v=4uVOstf8rz8

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45 Albert Einstein usó el concepto de luz como partícula para explicar por qué el Efecto Fotoeléctrico sólo emitía electrones con específicas y cuantizadas energías. ¿Qué hizo que Bohr usara una explicación similar para el espectro del Hidrógeno?

A La teoría de la luz como partícula es sólo una manera de explicar todas las propiedades de la luz.

B Los átomos excitados del Hidrógeno emiten luz a frecuencias específicas.

C Los átomos excitados del Hidrógeno emiten luz a todas las frecuencias.

D Bohr creía, sin tener datos, que la luz era una partícula.



Res

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B


46 El espectro del Hidrógeno, primero, fue explicado por:

A Investigación de rayos catódicos.

B El experimento de la lámina de oro.

C El ajuste de las ecuaciones a los datos experimentales.

D La teoría de Bohr.

https://www.njctl.org/video/?v=jk6xwXN3gLY

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46 El espectro del Hidrógeno, primero, fue explicado por:

A Investigación de rayos catódicos.

B El experimento de la lámina de oro.

C El ajuste de las ecuaciones a los datos experimentales.

D La teoría de Bohr.



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esta

C


El problema de la órbita planetaria

En suma al espectro del Hidrógeno, Bohr necesitó abordar las órbitas planetarias de los electrones. En el modelo de Rutherford los electrones se mantenían en su órbita por la fuerza de Coulomb que proveía la fuerza centrípeta entre los electrones y el núcleo positivamente cargado. Esto era bueno. Pero, como quedó demostrado antes en el siglo XIX, una carga acelerada emitiría radiación electromagnética y ya que los electrones están acelerando constantemente (aceleración centrípeta), perderían energía. Esta pérdida de energía, causaría que los electrones redujeran su velocidad y cayeran de su órbita y colapsaran contra el núcleo en 10 -11 s. Esto no sucedía, una evidencia es el hecho de que todavía estamos aquí.

https://www.njctl.org/video/?v=cOVxugGzi1I

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El átomo de Bohr

Un electrón se mantiene en órbita por la fuerza de Coulomb:

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https://www.njctl.org/video/?v=cOVxugGzi1I

La solución de Bohr

Neils Bohr hizo las siguientes suposiciones para abordar las deficiencias del modelo de Rutherfor. A éste se le llama modelo semiclásico ya que Bohr combinó la física clásica con aspectos emergentes del mundo cuántico.

· Los electrones podían girar solo alrededor del núcleo en órbitas circulares con un momento angular y energía fijos. A medida que se alejaba del núcleo, eran mayores el momento y la energía. Mientras se mantuvieran girando en una órbita no radiarían energía electromagnética.

· La energía es emitida desde el átomo en forma de luz, cuando los electrones van de una órbita a otra. Y en un espectro no contínuo de energía - la energía estaría cuantizada - sólo se emitiría fotones de una energía particular, representando la diferencia de energía entre las órbitas permitidas.

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Este es un modelos de las órbitas electrónicas - hay tres órbitas (n=1, 2 y 3) en las que los electrones pueden estar. Cuando los electrones caen desde un nivel de mayor energía (n más grande) a un nivel de menor energía, se emite un fotón con una frecuencia, f, proporcional a la diferencia de energía entre los niveles.

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Aquí un recorrido rápido por la matemática de Bohr.

El momento angular cuantizado de cada nivel se expresa como (donde n es el número de niveles de energía):

La fuerza atractiva de Coulomb entre el núcleo de carga Ze y el electrón provee la fuerza centrípeta (recuerda, Bohr sólo estuvo calculando órbitas para átomos de un sólo electrón:


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Combinando esas dos ecuaciones y haciendo un poco de álgebra, resolvemos para el radio de cada nivel cuántico y obtenemos:

Pero, usando las ecuaciones clásicas para la energía cinética, potencial, momento angular, Ley de Coulomb, Segunda Ley de Newton y supuestos de los cuantos de Bohr, la energía del nivel cuántico en átomos como el Hidrógeno se determina que es:


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Usando la ecuación del radio de la diapositiva anterior, el radio de Bohr (a0) se define como el radio orbital electrónico para el estado fundamental (n=1) del átomo de Hidrógeno (Z=1):

Los radios de otros átomos parecidos al Hidrógeno se expresan como:

Nota cómo las órbitas aumentan de tamaño en relación al cuadrado de n, de modo que son muchos más grandes a medida que n aumenta.


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Y, mediante la sustitución en los valores de las constantes en la ecuación de la energía, ésta se calcula como:

Observa como los niveles de energía son todos negativos, lo que indica que los electrones están confinados en el átomo.

Los niveles se acercan entre sí, y más cerca a cero a medida que n aumenta.


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47 ¿Cuál es la energía del segundo estado excitado (n=3) del átomo de Hidrógeno?

https://www.njctl.org/video/?v=akHC3IGYs6M

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47 ¿Cuál es la energía del segundo estado excitado (n=3) del átomo de Hidrógeno?



Res

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48 ¿Cuál es la energía del quinto estado excitado (n=6) del átomo de Hidrógeno?

https://www.njctl.org/video/?v=jdn3CfzfAsc

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48 ¿Cuál es la energía del quinto estado excitado (n=6) del átomo de Hidrógeno?



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49 ¿Cuál es la frecuencia del fotón emitido cuando un electrón cae del nivel n=6 al nivel, n=3 ?

(h = 4.14 x 10-15 eV-s)

https://www.njctl.org/video/?v=GEtv5QiunUc

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49 ¿Cuál es la frecuencia del fotón emitido cuando un electrón cae del nivel n=6 al nivel, n=3 ?

(h = 4.14 x 10-15 eV-s)



Res

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El signo negativo sólo indica que la energía del átomo disminuye.





El electrón vol (eV)

En la física atómica, las energías están son tan bajas que es incómodo usar Joules (J). Una pequeña unidad de energía es el electrón vol (eV).

Su valor es igual a la energía potencial de un electrón en una región del espacio donde el votaje (V) es 1.0 voltio.

UE = qV

UE = (1.6 x 10-19 C)(1.0V)

UE = 1.6 x 10-19 J # 1.0 eV1.0 eV = 1.6 x 10 -19J

https://www.njctl.org/video/?v=UEaxif4zCb8

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También es conveniente convertir la constante de Plank a unidades de eV- más bien que J-s.

1.0 eV = 1.6 x 10 -19J h = 4.14 x 10-15 eV-s

h = 6.63 x 10-34 J-s

h = (6.63 x 10-34 J-s)

h = 4.14 x 10-15 eV-s

1.6 x 10-19J 1.0 eV )(

El electrón vol (eV)

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Esos cálculos a partir de Bohr acuerdan excelentemente con el espectro óptico mostrado anteriormente.

La siguiente diapositiva muestra las varias transiciones entre los niveles cuánticos - y fueron nombrados con los nombres de los físicos que primero los observaron.

Las series de Balmer de transiciones orbitales son las primeras que están en el espectro visible.

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https://www.njctl.org/video/?v=UEaxif4zCb8

El modelo de Bohr coincide exactamente con el espectro observado y con las ecuaciones experimentalmente determinadas que fueron mostradas antes.

El nivel de más baja energía (n=1) es el estado fundamental; los otros son los estados excitados.


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50 ¿Qué series de las líneas espectrales del Hidrógeno están en la sección visible del espectro electromagnético?

A Series de Balmer

B Series de Paschen

C Series de Lyman

D Series de Rydberg

https://www.njctl.org/video/?v=848XC0DCPCI

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50 ¿Qué series de las líneas espectrales del Hidrógeno están en la sección visible del espectro electromagnético?

A Series de Balmer

B Series de Paschen

C Series de Lyman

D Series de Rydberg



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A





El Modelo de Bohr fue un paso crítico en la transición desde la visión clásica del mundo a la del mundo Cuántico - en la que él usó las ecuaciones clásicas para explicar que estaba sucediendo en el nivel cuántico.

A pesar de la exactitud de su teoría en explicar el espectro del Hidrógeno, el tuvo que hacer una increíble suposicón que violaba el bien conocido fenómeno de la aceleración de las cargas eléctricas.

https://www.njctl.org/video/?v=Rh7gEfJSmEI

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51 ¿Qué suposición hizo Bohr sobre la aceleración de las cargas que violaba trabajos anteriores en la teoría electromagnética?

A Los electrones en un átomo nunca radian energía electromagnética.

B Cuando un electrón no está en su órbita permitida, no radiaría energía electromagnética.

C Cuando un electrón está en su órbita permitida, radiaría energía electromagnética.

D Cuando un electrón está en su órbita permitida, no radiaría energía electromagnética.

https://www.njctl.org/video/?v=3z4xKU1H948

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51 ¿Qué suposición hizo Bohr sobre la aceleración de las cargas que violaba trabajos anteriores en la teoría electromagnética?

A Los electrones en un átomo nunca radian energía electromagnética.

B Cuando un electrón no está en su órbita permitida, no radiaría energía electromagnética.

C Cuando un electrón está en su órbita permitida, radiaría energía electromagnética.

D Cuando un electrón está en su órbita permitida, no radiaría energía electromagnética.



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https://www.njctl.org/video/?v=Rh7gEfJSmEI



Limitaciones del modelo de Bohr

1. El modelo es aplicable sólo a átomos como el hidrógeno (con un único electrón).2. El modelo está basado sobre una presunción que las cargas aceleradas no emiten radiación electromagnética si están en órbitas específicas. 3. El modelo predice que las frecuencias de los fotones que son emitidos cuando un electrón cambia de órbita, pero no predice sus intensidades.

Más trabajos ahora serían hechos por Bohr y otros físicos paraexplicar la transción de los fenómenos atómicos dentro de un mundo cuántico más complejo. Ahora vamos a echar un vistazo a los electrones y la luz.

https://www.njctl.org/video/?v=o6_KkN29Tqc

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Efecto Compton

En 1923, Arthur Compton dispersó rayos X de una superficie de grafito y observó que la longitud de onda de los rayos X dispersados aumentaba - cambio de Compton

Postuló que el fotón actuando como una partícula, con una energía E=hf, colisionaba elásticamente con el electrón. Ya que el momento y la energía cinética son conservados en una colisión elástica, el fotón dispersado tendría menos energía después de la colisión, alguna de esa energía sería transferida al electrón. Esto sería observado a partir del fotón dispersado que tienen una longitud de onda más grande.

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Para derivar la ecuación que muestra cuánto cambia la longitud de onda del fotón, se usa la ecuación de Einstein para la energía relativade una partícula, de modo que se puede asignar un momento al fotón:

Y ya que la masa de un fotón es cero

Esta ecuación también muestra que una partícula sin masa, (un fotón) aún tiene momento.

Efecto Compton

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https://www.njctl.org/video/?v=o6_KkN29Tqc

Después de resolver las ecuaciones de la conservación de la energía y el momento (usando las versiones relativísticas de movimiento de los fotones a la velocidad de la luz), se derivó la siguiente ecuación dependiente angular. Esto muestra cuánto cambia la longitud de onda cuando colisiona con un electrón.

Efecto Compton

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Neutrón

Con todas esas increíbles teorias y experimentos en los primeros veinticinco años del siglo XX, es interesante que la existencia de los neutrones no se demostró hasta que James Chadwick demostró sus propiedades en 1932.Ernest Rutherford, en 1920, propuso la existencia de unapartícula neutra con una masa del orden del protón para tomar en cuenta para las mediciones de masa atómica.Muchos experimentos se realizaron antes de que Chadwick que encontrara a los neutrones, pero se creyó erróneamente que eran rayos gamma o incluso protones.¿Por qué piensas que tomó tanto tiempo en encontrar los neutrones?

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Neutrón

Debido a la ausencia de carga del neutrón, era imposible detectarlo vía manipulaciones con campos eléctricos o magnéticos que hicieron posible el descubrimiento del electrón. Chadwick ubicó una pequeña cantidad de Polonio radioactivo, en una cámara de vacío, donde el polonio decaía emitiendo rayos alfa (núcleos de Helio) que golpeaban un objetivo de berilo.Se emitieron neutrones de esta reacción y se encontró que tenían la masa correcta y no tenían carga. Los neutrones (y protones) proveen la fuerza nuclear fuerte que mantiene a los núcleos juntos balanceando la fuerza repulsiva de Coulomb entre los protones cargados positivamente.

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52 El efecto Compton mostró que los protones actuaban como

A rayos de luz

B partículas

C tanto rayos de luz como partículas

D ninguna de las de arriba

https://www.njctl.org/video/?v=-ggtiBsXeLg

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52 El efecto Compton mostró que los protones actuaban como

A rayos de luz

B partículas

C tanto rayos de luz como partículas

D ninguna de las de arriba



Res

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53 ¿Cuál es la longitud de onda para un fotón de longitud de onda de 3.0000 x 10-9 m (rayos X) que golpea un electrón, sufre un cambio de Compton y se dispersa en ángulo de 450?

https://www.njctl.org/video/?v=Pnub90Hiexw

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53 ¿Cuál es la longitud de onda para un fotón de longitud de onda de 3.0000 x 10-9 m (rayos X) que golpea un electrón, sufre un cambio de Compton y se dispersa en ángulo de 450?



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54 Los neutrones tiene una

A carga neutra y una masa aproximadamente igual a la del electrón.

B carga neutra y una masa aproximadamente igual a la del protón.

C carga negativa y una masa aproximadamente igual a la del protón.

D carga positiva y una masa aproximadamente igual a la del electrón.

https://www.njctl.org/video/?v=QoWS4_wP8EQ

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54 Los neutrones tiene una

A carga neutra y una masa aproximadamente igual a la del electrón.

B carga neutra y una masa aproximadamente igual a la del protón.

C carga negativa y una masa aproximadamente igual a la del protón.

D carga positiva y una masa aproximadamente igual a la del electrón.



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B





Ondas y Partículas

https://www.njctl.org/video/?v=26eUnWGHyY0


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La luz se describe como Onda y como Partícula

Newton fue el primero en describir a la luz como un grupo de corpúsculos (partículas) y fue capaz de explicar la reflexión, refracción y la dispersión. f

Thomas Young y otros encontraron la descripción como onda como la única manera de explicar el fenómeno de difracción.

James Clerk Maxwell describió a la luz como campos magnéticos y eléctricos perpendiculares moviéndose como una onda.

Einstein volvió a traer el modelo de partícula para describir el Efecto Fotoeléctrico

Arthur Compton usó el modelo de partícula para explicar el cambio en la frecuencia de los fotones dispersos de los electrones.

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A los físicos les encanta la simetría.

La luz fue descripta tanto como onda y como partícula. De modo que desde que se descubrió los electrones y se entendió bien que eran partículas, ¿qué podrían pensar los físicos en relación a esto?

La luz se describe como Onda y como Partícula

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https://www.njctl.org/video/?v=26eUnWGHyY0

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¿Qué pasa con la materia - puede ser descripta como una onda?

Ya que la luz ha sido descripta tanto como onda y como partícula, Louis de Broglie, en 1924, propuso que las partículas podrían ser descriptas como ondas con una longitud de onda igual a:

Esta es la misma ecuación que Compton usó para determinar el momento de un fotón.

Además, todas las partículas y por extensión los objetos tales como pelotas de fútbol o de bowling tienen una longitud de onda de Broglie asociada con su movimiento.

Pero ya que h es tan pequeña la longitud de onda asociada es insignificantemente pequeña.

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Los electrones descriptos como onda

Sin embargo, para partículas muy pequeñas, tal como los electrones, sus longitudes de onda son frecuentemente de 10-10 m, o sea del tamaño del átomo, de manera que se podría esperar que experimentaran efectos de onda, tales como la difracción o la interferencia.

De Broglie propuso que se podría realizar un experimento de interferencia con cristales y electrones para validar su teoría. Pero nadie lo intentó hasta décadas más tarde.

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Los electrones descriptos como onda

En 1927, Clinton Davisson y Lester Germer estuvieron estudiando como rebotan los electrones de una superficie de níquel. Durante el experimento, sucedió un accidente que resultó en una marca en la superficie de níquel, haciendolo actuar como una rejilla de difracción tridimensional.

Ellos habían comenzado a encontrar un patrón de interferencia en las marcas! los electrones se difractaron como si fueran ondas.

Esta fue la primera demostración experimental de la hipótesis de De Broglie.

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Naturaleza ondulatoria de la materia

Más tarde, el experimento de la doble rendija que mostró que la luz era una onda, como lo hizo Thomas Young en 1803, fue replicado con electrones donde la longitud de onda de De Broglie de los electrones estaba en el mismo orden del ancho de las dos rendijas.

Los electrones disparados de a uno por vez hacia las dos rendijas muestran el mismo patrón de interferencia de la luz cuando se la hizo impactar contrar una pantalla distante.

Esto indica que algo tal como "una onda electrón" debe pasar por las dos rendijas al mismo tiempo- lo cual es algo no podemos imaginar que haga una partícula- pero los datos han mostrado una y otra vez ser vállidos.

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Estas fotos muestran electrones disparados de a uno por vez a través de dos rendijas. Cada exposición fue hecha después de un pequeñisimo tiempo.

Parece que los electrones individuales se comportan como una onda y pasan a través de ambas rendijas.

Pero cada electrón debe ser una partícula cuando golpea la pantalla, o no harían un punto sobre la película, sino que se esparciría.

Esta sola imagen muestra que la materia parece actuar como partícula y como onda a nivel de electrones!

Los electrones actúan como onda y como partícula

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55 ¿Qué suposición hizo DeBroglie cuando estaba estudiando el electrón?

A Ya que la luz puede comportarse como una partícula y como una onda, los electrones también se comportan como una onda.

B Los electrones no son partículas, son ondas.

C Los electrones sólo exhiben comportamiento de partícula.

D Los electrones no interactúan con la luz.

https://www.njctl.org/video/?v=cYZCUkPLTiw

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55 ¿Qué suposición hizo DeBroglie cuando estaba estudiando el electrón?

A Ya que la luz puede comportarse como una partícula y como una onda, los electrones también se comportan como una onda.

B Los electrones no son partículas, son ondas.

C Los electrones sólo exhiben comportamiento de partícula.

D Los electrones no interactúan con la luz.



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56 Si las partículas actúan como ondas, ¿por qué no observamos el comportamiento de onda de una pelota lanzada al aire?

A El comportamiento de onda sólo aplica a los electrones.

B La longitud de onda de DeBroglie de una pelota lanzada al aire es demasiado pequeña para ser observada.

C La longitud de onda de DeBroglie de una pelota lanzada al aire es demasiado grande para ser observada.

D Se puede observar el comportamiento de onda de una pelota lanzada al aire.

https://www.njctl.org/video/?v=zjVeBfNW-xI

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56 Si las partículas actúan como ondas, ¿por qué no observamos el comportamiento de onda de una pelota lanzada al aire?

A El comportamiento de onda sólo aplica a los electrones.

B La longitud de onda de DeBroglie de una pelota lanzada al aire es demasiado pequeña para ser observada.

C La longitud de onda de DeBroglie de una pelota lanzada al aire es demasiado grande para ser observada.

D Se puede observar el comportamiento de onda de una pelota lanzada al aire.



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57 ¿Cuál es la longitud de onda de DeBroglie de una pelota de 0.145 kg que se mueve a 40.0 m/s?

https://www.njctl.org/video/?v=0lo0gkGtNTQ

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57 ¿Cuál es la longitud de onda de DeBroglie de una pelota de 0.145 kg que se mueve a 40.0 m/s?



Res

pues

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58 ¿Cuál es la longitud de onda de DeBroglie de un electrón que se mueve a 2.50 x 107 m/s?

https://www.njctl.org/video/?v=-MwuzMgmbqk

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58 ¿Cuál es la longitud de onda de DeBroglie de un electrón que se mueve a 2.50 x 107 m/s?



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La hipótesis de DeBroglie aplicada a los átomos

Una debilidad del Modelo de Bohr es lo que Bohr justo estableció sin una explicación, que un electrón en una órbita permitida no radía. A los físicos (y a la gente en general) les encanta tener explicaciones! Pero la teoría ondulatoria de la materia de de Broglie explicó esto muy bien. Mientras que la circunferencia de una órgita fuera un múltiplo entero de la longitud de onda de un electrón en ese orbital, este no radiaría.Este enfoque da la misma relación que Bohr había propuesto. En suma, esto más razonable el hecho de que los electrones no radían, como se esperaría, por otra parte, de una carga acelerada.

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Estas son ondas circulares estacionarias para n = 2, 3, y 5. Mientras la circunferencia de la orbita coincida en un número entero con la longitud de onda de DeBroglie, del electrón, éste no radiaría. Esto también explica porque su momento angular también está cuantizado.

La hipótesis de DeBroglie aplicada a los átomos

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Mecánica Cuántica

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Principio de Incertidumbre de Heisenberg

Las piezas están ahora en su lugar como una forma de racionalizar todos estos aparentemente contradictorios comportamientos de la luz y la materia. Pero, primero - otra observación rara.

Una fuerza conductora detrás de la física ha sido la críticidad de hacer mediciones precisas de los fenómenos físicos y hacer predicciones basadas en esas mediciones.

Esto aún abarca a la Física Cuántica, pero con un giro, hay momentos en que, si se mide una cantidad con una mayor precisión, se obtiene menor precisión en la medición de otra cantidad complementaria a esa.

Esto está expresado en el Principio de Incertidumbre, o publicado por Walter Heisenberg en 1927.

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Las primeras dos cantidades que no podían ser medidas con precisión al mismo tiempo, son momento y posición. A mayor precisión en la observación del momento, menos seguro se puede estar del lugar en donde está localizada la partícula (fotón, electrón, neutrón). Esta imprecisión o incertidumbre, está representada por Δpx para el momento en la dirección x y Δx para la posición en la dirección:

Aquí está la ecuación

Δpx Δx ≥ h

La constante de Planck establece el límite de cuán precisos se pueden medir el momento y la posición al mismo tiempo.


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Esta ecuación también funciona en cualquier nivel, donde medimos, por ejemplo, la posición de los autos en sus momentos.

Δpx Δx ≥ h

Si ese es el caso (y es), ¿por qué sentimos que podemos medir con gran precisión cualquier cosa que necesitamos saber sobre el tamaño de un auto y su momento?


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Porque h es demasiado pequeño. Recuerda que h = 6.63 x 10-34 J-s.

Δpx Δx ≥ h

De modo que, si mido la posición de un auto con precisión, Δx = 1 mm (10-3 m), seré capaz de calcular con precisión su momento con una precisión de :

No tenemos ningún instrumento que pueda medir el momento de un auto, que precisamente, no sentimos ninguna restriccion del principio de incertidumbre!


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Δpx Δx ≥ h

Esta expresión ayuda a explicar por qué los electrones permanecen en sus órbitas y no caen en espiral hacia abajo colapsando con el núcleo. Neils Bohr teorizó que si un electrón está en una órbita cuantizada, no radía ondas EM, de manera que no pierde energía.

El Principio de Heisenberg predice que si se mueve el electrón muy cerca del núcleo, entonces Δr (no hay nada especial con x, y, z ó r - sólo representa la distancia y si estamos hablando sobre órbitas, nos interesa el radio) se vuelve muy pequeño.

Esto implica que Δpr se vuelve muy grande, y el electrón tendrá un momento más grande que hace que no esté tan cercano al núcleo.


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ΔE Δt ≥ h

Otra versión del Principio de Incertidumbre relacionando la Energía y el Tiempo como se muestra arriba.

Afortunadamente, para los físicos que hacen mediciones a niveles que podemos ver todo, este principio no afecta a estas mediciones debido al valor muy pequeño de la constante de Planck.


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59 Si mides el diámetro de una pelota de béisbol 74.2 mm con una precisión de (incertidumbre) de ±0.5 mm, ¿cuán preciso se puede medir su momento, al mismo tiempo, de acuerdo al Principio de Incertidumbre de Heisenberg?

https://www.njctl.org/video/?v=i2Gbu4GMIUU

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59 Si mides el diámetro de una pelota de béisbol 74.2 mm con una precisión de (incertidumbre) de ±0.5 mm, ¿cuán preciso se puede medir su momento, al mismo tiempo, de acuerdo al Principio de Incertidumbre de Heisenberg?



Res

pues

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Esto es mucho, muchos órdenes de magnitud más precisos que cualquier herramienta que tengamos para medir pelotas. Por lo tanto el Principio de incertidumbre de Heisemberg realmente no viene a tener efecto a los niveles macro que observamos a diario.




60 Se mide un electrón que tiene un momento de 2.5 x 10-28 kg m/s, con una incertidumbre de 2.5 x 10-32 kg m/s. ¿Cuán precisamente podemos determinar dónde está?

https://www.njctl.org/video/?v=hUA4zelALiA

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60 Se mide un electrón que tiene un momento de 2.5 x 10-28 kg m/s, con una incertidumbre de 2.5 x 10-32 kg m/s. ¿Cuán precisamente podemos determinar dónde está?



Res

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Esto nos dice que no podemos saber donde está el electrón con una presición de 2.6 cm o aproximadamente una pulgada.


Ecuación de onda de Schrodinger

Para explicar las aparentes contradicciones entre el comportamiento de onda y partícula y la imposibilidad de medir ciertas cantidades simultáneamente con perfecta precisión, Erwin Schrodinger desarrolló la función de onda Ψ, en 1926.

Un importante trabajo fue hecho también por Paul Dirac, y dos caballeros que compartieron el Premio Nobel de Física en 1933.

https://www.njctl.org/video/?v=aAWocSauG-M

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En la física clásica, si se conocen todas las fuerzas sobre un objeto, todas las otras cantidades tales como la posición, el momento, la aceleración, etc. pueden ser encontradas.

Y en la física clásica, siempre hemos asumido que podemos medir cosas con una precisión increíble, y entonces predicir exactamente lo que va a suceder.

Las cosas actúan muy diferentemente a nivel muy pequeño como el de los átomos.

Tuvimos a la luz descripta como onda y partícula, tenemos a los electrones descriptos como onda y partícula, y tenemos a Heisenberg diciéndonos que hay un límite para cuán precisa podemos medir la posición, el momento, la energía y el tiempo.


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Schrodinger concibió la idea de función de onda, donde los electrones y la luz tienen asignadas funciones de onda específicas.

Esas funciones de onda tienen un rol similar al de la Fuerza en la física clásica.

Pero - la principal diferencia es que se puede sólo calcular la probabilidad de la posición, energía, momento de una partícula.

La palabra clave es PROBABILIDAD, no EXACTITUD.


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Un ejemplo del uso de ψ es el experimento de la doble rendija para electrones. El experimento de Young usando luz monocromática incidente sobre dos rendijas mostró un único patrón de interferencia.

Los electrones mostraron el mismo patrón! Esto condujo a la propiedad clave de ψ - esta se usa para representar el conocimiento que tenemos sobre un electrón en este caso. Y, si un haz de electrones inciden sobre una doble rendija, las funciones de onda de cada partícula interferirán con las otras funciones de onda de las otras partículas.

Además, los patrones de interferencia son explicados por medio de analizar las funciones de onda y sus interacciones.


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Para encontrar la probabilidad de donde está una partícula, se eleva al cuadrado la Ψ. Esto fue sugerido primero por Max Born.

Sólo para mostrar la belleza de la Ecuación de Onda, aquí está para un problema específico:

Resolviendo esta ecuación para Ψ, permitirá entender vada cosa que hay que saber sobre una partícula. Pero, eso es para nivel de física universitaria, incluso más allá de AP.


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Las soluciones a la Ecuación de Onda muestran como funcionan la tabla periódica, orbitales electrónicas, átomos, moléculas, enlaces químicos, funcionan.

Esto describe el mundo a nivel atómico- lo cuál es muy diferente y contra intuitivo al que podemos ver a nuestro nivel.

La Incerteza y la Probabilidad son conceptos contradictorios que pueden ser vistos a nivel macroscópico donde sabemos muy exactamente, donde están las cosas y como se están moviendo.

Pero - así es como funciona la naturaleza.


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61 La ecuación de onda de Schrodinger

A describe exactamente donde está la partícula en un tiempo específico.

B calcula el momento exacto de una partícula en un tiempo cualquiera.

C calcula la probabilidad de una partícula de estar en un cierto punto y a un cierto tiempo.

D calcula sólo la probabilidad de las propiedades pertenecientes a los electrones.

https://www.njctl.org/video/?v=ixv8jo2ouJg

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61 La ecuación de onda de Schrodinger

A describe exactamente donde está la partícula en un tiempo específico.

B calcula el momento exacto de una partícula en un tiempo cualquiera.

C calcula la probabilidad de una partícula de estar en un cierto punto y a un cierto tiempo.

D calcula sólo la probabilidad de las propiedades pertenecientes a los electrones.



Res

pues

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C


62 ¿Cómo se calcula la probabilidad de una partícula de estar en una cierta posición a partir de la función de onda?

A La función de onda es la probabilidad de donde se localiza una partícula.

B Se divide la función de onda por 2.

C Se triplica la función de onda.

D Se eleva al cuadrado la función de onda.

https://www.njctl.org/video/?v=13zgLDRtofQ

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62 ¿Cómo se calcula la probabilidad de una partícula de estar en una cierta posición a partir de la función de onda?

A La función de onda es la probabilidad de donde se localiza una partícula.

B Se divide la función de onda por 2.

C Se triplica la función de onda.

D Se eleva al cuadrado la función de onda.



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63 ¿Qué nos permiten entender las soluciones a la ecuación de onda de Schrodinger?

A Átomos

B La Tabla Periódica

C Enlaces químicos


https://www.njctl.org/video/?v=4fnoJB7AJZM

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63 ¿Qué nos permiten entender las soluciones a la ecuación de onda de Schrodinger?

A Átomos

B La Tabla Periódica

C Enlaces químicos




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Mecánica Cuántica

La Mecánica es muy diferente de la física clásica- por ejemplo, se pude predecir qué harán muchos electrones en promedio, pero no se tiene idea que hará cada electrón individualmente.

Es también diferente en que existe un límite para cuán precisamente podemos medir los fenómenos. Pero- coincide con precisión con las observaciones experimentales y predice otros efectos que luego son verificados a partir de la experimentación.

En química, se usarán las soluciones a la ecuación de Schrodinger, y la física que hemos aprendido este año para explorar la naturaleza de la materia.

https://www.njctl.org/video/?v=k_FNAewgVVk

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https://www.njctl.org/video/?v=k_FNAewgVVk

*Unificación de la teoría

https://www.njctl.org/video/?v=o8Sm_wZJFTY


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Status de la FísicaEste capitulo comenzó a partir de la discusión de como los físicos al terminar el siglo XIX estaban muy cómodos con lo que ellos habían explicado. La Electricidad y el Magnetismo habían sido unificados y la Mecánica y la Termodinámica fueron muy bien entendidos.

Entonces la Física Cuántica golpeó y el resto del siglo XX fue pasando explicando la física de muy pequeñas partículas y los objetos que se mueven muy rápido.

Y ahora, con la hipótesis de la energía oscura y la materia oscura, da el giro que sólo tenemos visto el 5% del universo: hay mucho más para descubrir.

Esta unidad resume algunos de los desarrollos clave después de que la Física Cuántica comenzó en la primera década del siglo XX.

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Electrodinámica CuánticaEsta disciplina proveyó una explicación integrada de la relatividad, mecánica cuántica y electrodinámica que describe cómo la luz y la materia interactúan y ha hecho predicciones fenomenales muy precisas que han sido verificadas experimentalmente. .

Paul Dirac y Hans Bethe introdudujeron el concepto, y Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger y Richard Feynman fueron galardonados con el Premio Nobel por completar el trabajo.

Feynman resumió esta compleja teoría en tres puntos:· Los fotones se mueven de un lugar en tiempo y espacio a otro.· Los electrones se mueven de un lugar en tiempo y espacio a otro· Los electrones emiten o absorven energía. Los dibujos de esas interacciones llamados Diagramas de Feynman, permiten hacer complejos cálculos.

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Interacción eléctrica débil

Esta teoría integró las descripciones del Electromagnetismo y la Fuerza Débil (que es la responsable del decaímiento radiactivo del núcleo).

Esas fuerzas son muy diferentes a baja enería, pero a energías mayores que 100 GeV, son una fuerza - la Fuerza Eléctrica Débil.Abdus Salam, Sheldon Glashow y Steven Weinberg fueron galardonados con el Premio Nobel por su trabajo en este área.

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Cromodinámica Cuántica

El protón y el neutrón tienen una estructura interna. Cada nucleón está realmente formado por tres quarks. Este es el campo de la Cromodinámica Cuántica que explica la Fuerza Nuclear Fuerte.

Los quarks están atraídos entre sí por gluones de intercambio y los más lejanos son más fuertemente atraídos

Murray Gell-Mann, Kazuhiko Nishijima, Eugene Wigner yGeorge Zweig fueron contribuyentes clave a este campo.

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Modelo Standar

Este modelo explica las interacciones electromagnéticas, débil y fuerte y tiene 61 partículas elementales- partículas que no tienen una estructura interna, tales como quarks, fotones, electrones, neutrinos, muones, bosones, etc. Observa que los protones y neturones no son considerados partículas elementales ya que están formados por quarks.

Muchas de esas partículas sólo pueden ser vistas por partículas colisionando, tales como protones, entre sí a energías extremadamente altas y luego midiendo cuales salen. Esto hace que los experimentos sean muy complejos y caros.

El Colisionador de Hadrones que fue construido en el límite de Francia y Suiza costó 5 billones de dólares.

La naturaleza está haciendolo más dificil para los físicos la más completa explicación del mundo atómico!

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La Gran Teoría Unificada

La Teoría unificada proviene del Modelo Standar y aún no está completamente explicada.

La Gran Teoría Unificada busca sumar la Fuerza Gravitatoria a las otras tres fuerzas cubiertas por el Modelo Estándar.

Para los datos no es satisfactoria la Gran Teoría Unificada. La Gravedad es una fuerza pequeña comparada a las otras tres (un 1025 más pequeña que la Fuerza Débil). Y no ha sido exitosamente integrada con la Física Cuántica.

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Teoría de CuerdasMuchos físicos están descontentos con el Modelo Estandar que tiene demasiadas partículas elementales y no incluye a las cuatro fuerzas fundamentales.

La Teoría de Cuerdas es un intento para arreglar estos problemas, estableciendo que todas las partículas están hechas de pequeñas cuerdas que vibran, y la forma en que ellas vibran dan lugar a las diferentes propiedades tales como masa y carga, originando diferentes partículas.

Esto es muy teórico, matemáticamente hermoso, unifica las cuatro fuerzas y requiere el uso de múltiples dimensiones y parámetros para explicar el universo (y permite la posibilidad de múltiples universos).

Hasta el momento no se han hecho predicciones que puedan ser sometidas a prueba todavía, y otros físicos la consideran más una filosofía que física.

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Energía oscura y Materia oscura

Desde la época del Big Bang el Universo ha estado expandiéndose.

Sin embargo, no sólo se está expandiendo, su expansión se está acelerando. La expansión debería estar frenándose o permaneciendo igual ya que la gravedad es una fuerza atractiva.

Para explicar esto los físicos han propuesto la existencia de materia osucra y energía oscura que comprime al 95% del universo y no puede ser observada, pero está acelerando su expansión.

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Física basada en Álgebra -...

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