Semana 11

Semana 11

Crisis de la Física Clásica y origen de la Física Cuántica. Radiación del Cuerpo Negro y la Hipótesis Cuántica.

Finales del siglo XIX, los físicos llegaron a pensar que el edificio de las ciencias estaba prácticamente completo.

Sin embargo, en muy pocos años se realizaron varias experiencias que vinieron a demostrar lo contrario. Estos son los principales aspectos que hicieron que el edificio científico construido se derrumbara con gran estrépito:

·         Los espectros continuos de emisión

·         La teoría de la Relatividad

·         El efecto fotoeléctrico

·         El efecto Compton

·         El comportamiento dual de las ondas electromagnéticas

FISICA CUANTICA

Aunque se afirma que la física cuántica nació con el descubrimiento de Planck, en 1900, lo cierto es que su formulación se inició hasta 1925, con los trabajos de otro físico alemán, Werner Heisenberg. Es indudable que la mecánica cuántica, como casi todas las teorías científicas modernas, es una obra colectiva resultante de una gran variedad de esfuerzos personales realizados durante muchos años y en diversos lugares. Sin embargo, buscando los antecedentes determinantes de lo que ahora sabemos de ese campo, es imposible pasar por alto un artículo –fechado en 1925– en el que Heisenberg señaló la importancia de cambiar la formulación matemática de los fenómenos que ocurren en el mundo atómico.

 RADIACION DEL CUERPO NEGRO

Todos los objetos emiten ondas electromagnéticas. El físico alemán Max Plank, descubrió la ley que gobierna la radiación de los cuerpos en equilibrio termodinámico. Según Plank, la intensidad de radiación para cada longitud de onda depende únicamente de la temperatura del cuerpo en cuestión.

 HIPOTESIS CUANTICA

La física de la época de Max Planck no permitía explicar los detalles de la radiación térmica (también llamada radiación de cuerpo negro). Planck tuvo que inventar una física nueva. Supuso que la radiación se emitía y absorbía en “paquetes”. Cada paquete contiene una cantidad fija de energía y no se puede subdividir. Planck llamó a los paquetes quantum (que quiere decir “qué tanto” en latín). Con la hipótesis de que la radiación venía en cuantos, Planck logró explicar la radiación térmica.

Cuantización de la Energía y Efecto Fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico es un fenómeno muy popular en física, especialmente porque fue gracias al cual Einstein ganó el premio Nobel de física en 1921 (y no por la teoría de la relatividad, como muchos piensan.) Se trata de una de las formas en las que la luz interactúa con la materia; en particular, cuando incide un haz sobre un metal, algunos electrones son emitidos con diferentes energías. El fenómeno ya había sido observado en 1839 por Becquerel, pero no fue hasta fines del siglo XIX y los primeros años del XX que se comenzó a estudiar en profundidad.

 

Espectros de Emisión y Absorción de Gases.

Emisión

Todos los cuerpos emiten energía a ciertas temperaturas. El espectro de la radiación energética emitida es su espectro de emisión. Todos los cuerpos no tienen el mismo espectro de emisión. Esto es, hay cuerpos que emiten en el infrarrojo, por ejemplo, y otros cuerpos no.

En realidad, cada uno de los elementos químicos tiene su propio espectro de emisión. Y esto sirve para identificarlo y conocer de su existencia en objetos lejanos, inaccesibles para nosotros, como son las estrellas.

Absorción

Y también los cuerpos absorben radiación emitida desde otros cuerpos, eliminando del espectro de radiación que reciben aquellas bandas absorbidas, que quedan de color negro. Son lo que se llaman “rayas negras” o simplemente “rayas” del espectro.

También ocurre con la absorción, que unos cuerpos absorben la radiación de unas determinadas longitudes de onda y no absorben la radiación de otras longitudes de onda, por lo que cada cuerpo, cada elemento químico en realidad, tiene su propio espectro de absorción, correspondiéndose con su espectro de emisión, cual si fuera el negativo con el positivo de una película.

SEMANA11 SESIÓN 31	Física 2 UNIDAD 6: FÍSICA Y TECNOLOGÍA CONTEMPORÁNEAS (30 Horas)
contenido temático	6.1 Crisis de la física clásica y origen de la física cuántica. Radiación del cuerpo negro y la hipótesis cuántica.

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales Indica fenómenos físicos que la física clásica no pudo explicar. Procedimentales ·       Elaboración de indagaciones bibliográficas y resúmenes. ·       Presentación en equipo Actitudinales Cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia, contribuirá al trabajo en un ambiente de confianza.
Materiales generales	Computo: -          PC, Conexión a internet De proyección: -          Cañón Proyector Programas: -           Moodle, Google docs, correo electronico, Excel, Word, Power Point. Didáctico: -          Presentación de la información recabada en la indagación bibliográfica. De Laboratorio: Piedra volcánica (cuerpo negro), lupa, termómetro, papel blanco, papel negro, tapón de hule blanco y negro,
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA -          El Profesor  hace la presentación de las preguntas: -          ¿En qué consiste la crisis de la Física a inicios del Siglo XX? -          ¿Cuáles fueron los principios de la Física cuántica? -          ¿Cuáles fueron las causas del origen de la Física cuántica? -          Los alumnos en equipo, discuten y escriben sus respuestas en el cuadro, utilizando el procesador de palabras: -            Equipo Respuesta 1 Respuesta 2 Respuesta 3 FASE DE DESARROLLO               Los alumnos desarrollan las actividades de acuerdo a las indicaciones del Profesor: Solicitar el material requerido para realizar las actividades siguientes: -          Medir durante tres minutos, la temperatura del hueco de una piedra volcánica, expuesta a la radiación solar. -          El Profesor  solicita que calienten el hueco de la piedra volcánica con la ayuda de una lupa- coincidir el foco de la radiación solar al centro del hueco de la piedra volcánica -          Envolver con el papel blanco el bulbo del termómetro y colocarlo al sol durante tres minutos, medir la temperatura inicial y final, repetir ahora con el papel negro. -          Medir las temperaturas iniciales de los  tapones, blanco y negro, colocarlos al Sol durante tres minutos y medir la temperatura final. -          Registrar las temperaturas obtenidas en los seis casos. -          OBSERVACIONES: Equipo Temperatura A oC Temperatura B oC Temperatura C oC Temperatura D oC Temperatura E oC Temperatura F oC -          Cada alumno al terminar lo asignado, con los resultados obtenidos los tabula y grafica. -           El Profesor solicita a cada equipo que de acuerdo al análisis de los resultados, elaboren  sus conclusiones. El método permitirá a los alumnos, tener un panorama del  tema de cuerpo negro. FASE DE CIERRE     Al final de las presentaciones, se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo  que se aprendió y aclaración de dudas por parte del Profesor.                     Actividad Extra clase: Los alumnos llevaran la información  a su casa y los que tengan computadora e internet, indagaran los temas de la siguiente sesión, de acuerdo al cronograma.  Se les sugiere que abran una carpeta  nombrada Física 2;  en la cual almacenaran su información, se les solicitara que los equipos formados, se comuniquen vía e-mail u otro  programa para comentar y analizar los resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente clase en USB.                Los alumnos que tengan PC y Programas elaboraran su informe, empleando el                   programa  Word, para registrar los resultados.
Evaluación	Informe en Power Point de la actividad.     Contenido:     Resumen de la Actividad.

SEMANA11 SESIÓN 32	Física 2 UNIDAD 6: FÍSICA Y TECNOLOGÍA CONTEMPORÁNEAS
contenido temático	6.2 Cuantización de la energía y efecto fotoeléctrico. 6.3 Espectros de emisión y absorción de gases.

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales Describe el efecto fotoeléctrico Describe algunos espectros de emisión y absorción. Procedimentales ·       Elaboración de actividades de laboratorio. ·       Presentación en equipo Actitudinales Cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia, contribuirá al trabajo en un ambiente de confianza.
Materiales generales	Computo: -          PC, Conexión a internet De proyección: -          Cañón Proyector Programas: -           Moodle, Google docs, correo electronico, Excel, Word, Power Point. Didáctico: -          Presentación en Power Point; examen diagnóstico, programa del curso. De Laboratorio: Tubos de descarga, Hidrogeno, Helio, Nitrógeno, Oxigeno, Neón, Argón, Kriptón, fuente de poder, espectroscopio o lentes de difracción.
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA -          El Profesor  hace la presentación de las preguntas Preguntas ¿En que radica la cuantización de la energía? ¿En qué consiste el efecto fotoeléctrico? ¿Cuáles son las aplicaciones del efecto fotoeléctrico? ¿Qué son los espectros de emisión? ¿Qué son los espectros de  absorción? ¿Cuáles son las aplicaciones de los espectros de emisión y absorción? Equipo 5 4 2 1 3 6 Respuesta La energía absorbida o emitida por la materia no es continua (no se puede absorber o emitir cualquier cantidad de energía), sino que se transfiere en unidades elementales de energía, cuantos de energía o fotones. En el efecto fotoeléctrico hay que pensar que la luz está formada por paquetes de energía (denominados fotones). Esta energía depende de la frecuencia de la luz utilizada Para arrancar a un electrón del material, hace falta una cierta energía denominada función trabajo del material La interacción fotón electrón es uno a uno, es decir que si el fotón no le entrega la energía necesaria para salir del material, el fotón sigue de largo. Después de la interacción el fotón desaparece y el electrón se queda con toda la energía que traía en forma de energía cinética La energía cinética que tiene el electrón al salir del material es la energía que le entrega el fotón menos la función trabajo. Esto último establece que para que ocurra efecto fotoeléctrico es necesario que los fotones tengan mas energía que la función trabajo del material. (es decir las luces rojas no darán efecto fotoeléctrico) Cámaras, en el dispositivo que gobierna los tiempos de exposición; en detectores de movimiento; en el alumbrado público; como regulador de la cantidad de tener en la máquinas copiadoras; en las celdas solares muy útiles en satélites, calculadoras, y relojes. Las aplicaciones las encontramos, también, cuando asistimos a una función de cine ya que el audio que escuchamos es producido por señales eléctricas que son provocadas por los cambios de intensidad de la luz al pasar por la pista sonora que viene en la cinta cinematrográfica. El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento, en estado gaseoso, cuando se le comunica energía. El espectro de emisión de cada elemento es único y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuesto desconocido. El espectro de absorción es una representación gráfica que indica cantidad de luz absorbida (ε) a diferentes valores de λ. Sirven básicamente para dos cosas: 1.- Identificar moléculas, iones, o elementos en un compuesto o solución dado, pues cada molécula, ion o elemento tiene un espectro de emisión y otro de absorción únicos, de este modo, al leer los espectros podemos ver con exactitud que contiene lo que se leyó comparando con tablas o bases de datos de espectros de moléculas, iones o elementos puros. Por ejemplo, en el espectro de infrarrojo puedes leer los grupos funcionales de una sustancia (Determinas dependiendo de la longitud de onda grupos alcohol, éster, éter, ceto, etc.) 2.- Determinar la concentración de moléculas, iones o elementos en una solución, ya que por medio de la ley de Beer se determina la concentración a partir de la cantidad de radiación (Infrarroja, visible, UV, etc.) emitida o absorbida al incidirle energía (Generalmente en forma de luz). Por ejemplo, al determinar por UV la cantidad de alcohol que tiene un enjuague bucal. Los alumnos en equipo, discuten y escriben sus respuestas en el cuadro, utilizando el procesador de palabras: Se realiza una discusión en el grupo, mediada por el Profesor para consensar las respuestas. FASE DE DESARROLLO               Los alumnos desarrollan las actividades de acuerdo a las indicaciones del Profesor -          Solicitar el material requerido para realizar las actividades siguientes: -          Colocar cada uno de los tubos de descarga en la fuente de poder. -          Conectar la fuente de poder a la corriente eléctrica y oprimir el botón de encendido de la misma. -          Observar el color generado por cada uno de los tubos de descarga y completa la tabla de observaciones. -          Observar con el espectroscopio la luz solar y escribir los colores detectados. Elemento en el tubo de descarga Nombre y símbolo Numero de electrones Modelo Atómico Según Bohr Color  emitido al aplicar energía con la fuente de poder Colores de la luz solar Hidrogeno H 1e Violeta Amarillo Helio He 2e Naranja Naranja fuerte Neón Ne 10e Rojo Rojo Argón Ar 18e Morado Morado Vapor de agua H2Og 10e Rosa y rosa claro No hay. El Profesor solicita a cada equipo que de acuerdo a  los resultados obtenidos, comparen los colores emitidos por el Sol y vistos con el espectroscopio Los alumnos discuten y obtiene conclusiones.  FASE DE CIERRE     Al final de las presentaciones, se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo  que se aprendió y aclaración de dudas por parte del Profesor.                     Actividad Extra clase: Los alumnos llevaran la información  a su casa y los que tengan computadora e internet, indagaran los temas de la siguiente sesión, de acuerdo al cronograma.  Se les sugiere que abran una carpeta  nombrada Física 2;  en la cual almacenaran su información, se les solicitara que los equipos formados, se comuniquen vía e-mail u otro  programa para comentar y analizar los resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente clase en USB.                Los alumnos que tengan PC y Programas elaboraran su informe, empleando el                   programa  Word, para registrar los resultados.
Evaluación	Informe en Power Point de la actividad.     Contenido:     Resumen de la Actividad.