1. Origen de la cuántica

  • Radiación del cuerpo negro: Planck propuso que la energía se emite en cuantos: $E = hf$, con $h = 6{,}63\cdot10^{-34}$ J·s.
  • Efecto fotoeléctrico: emisión de electrones al iluminar un metal.
  • Espectros atómicos: líneas discretas, modelo de Bohr.

2. Efecto fotoeléctrico

Einstein: la luz está formada por fotones de energía $E = hf = \dfrac{hc}{\lambda}$.

$$ hf = W_0 + E_{c,max} \qquad W_0 = hf_0 $$
  • Existe una frecuencia umbral $f_0$: por debajo, no hay emisión, sea cual sea la intensidad.
  • La intensidad determina el número de electrones, no su energía.
  • La energía cinética máxima crece linealmente con $f$.
  • Potencial de frenado: $eV_0 = E_{c,max}$.

3. Ejemplos resueltos

Energía de un fotón de $\lambda=500$ nm.

$E = \dfrac{hc}{\lambda} = \dfrac{6{,}63\cdot10^{-34}\cdot3\cdot10^{8}}{5\cdot10^{-7}} = 3{,}98\cdot10^{-19}$ J ≈ 2,49 eV

Un metal con $W_0=2{,}3$ eV se ilumina con $\lambda=300$ nm. Halla $E_c$ máxima y $f_0$.

$E_{fotón}=4{,}14$ eV; $E_c=4{,}14-2{,}3=1{,}84$ eV $=2{,}94\cdot10^{-19}$ J. $f_0 = W_0/h = 3{,}68\cdot10^{-19}/6{,}63\cdot10^{-34}=5{,}55\cdot10^{14}$ Hz. Potencial de frenado: 1,84 V.

El sodio tiene $W_0=2{,}3$ eV. Calcula la frecuencia y la longitud de onda umbral.

$f_0=\dfrac{W_0}{h}=\dfrac{2{,}3\cdot1{,}6\cdot10^{-19}}{6{,}63\cdot10^{-34}}=5{,}55\cdot10^{14}\ \mathrm{Hz}$; $\lambda_0=\dfrac{c}{f_0}=540\ \mathrm{nm}$

Un metal de $W_0=4{,}2$ eV se ilumina con luz de 250 nm. Calcula la energía cinética máxima de los electrones y el potencial de frenado.

$E_{foton}=\dfrac{hc}{\lambda}=4{,}97\ \mathrm{eV}$; $E_c=E-W_0=0{,}772\ \mathrm{eV}$; $V_0=\dfrac{E_c}{e}=0{,}772\ \mathrm{V}$

Una lámpara emite 2 W de luz de 600 nm. ¿Cuántos fotones emite por segundo?

$E_f=\dfrac{hc}{\lambda}=3{,}31\cdot10^{-19}\ \mathrm{J}$; $N=\dfrac{P}{E_f}=6{,}03\cdot10^{18}\ \mathrm{fotones/s}$

Contenido ampliado de los apuntes completos

2. Origen de la física cuántica

La física clásica no podía explicar fenómenos como la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico o la estabilidad del átomo. La solución llegó con la mecánica cuántica, que introduce la cuantización de distintas magnitudes físicas.

Radiación de cuerpo negro y ley de Planck

Un cuerpo negro es un sistema ideal que absorbe toda la radiación incidente y emite energía según su temperatura. La teoría clásica llevaba a la catástrofe ultravioleta. Max Planck resolvió el problema suponiendo que la energía se emite en cuantos:

$E = hf$

donde $h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J·s}$.

Usando $c = \lambda f$, también puede escribirse:

$E = \frac{hc}{\lambda}$

Efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones cuando la luz incide sobre una superficie metálica. Einstein lo explicó suponiendo que la luz está formada por fotones.

La ecuación del efecto fotoeléctrico es:

$hf = W + E_{c,\text{máx}}$

donde $W$ es la función trabajo del material.

Consecuencias:

  • Existe una frecuencia umbral $f_0$.
  • La energía cinética máxima depende de la frecuencia.
  • La intensidad afecta al número de electrones emitidos, no a su energía máxima.

Hipótesis de De Broglie

Louis de Broglie propuso que las partículas materiales también tienen comportamiento ondulatorio. Su longitud de onda asociada es:

$\lambda = \frac{h}{p}$

Si $p = mv$, entonces para velocidades no relativistas:

$\lambda = \frac{h}{mv}$

Principio de incertidumbre de Heisenberg

No es posible conocer simultáneamente con precisión arbitraria la posición y el momento lineal de una partícula:

$\Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{\hbar}{2}$

Este límite forma parte de la naturaleza cuántica de la materia.

1. Si la frecuencia de la luz incidente es menor que la umbral: (1 punto)

2. Al aumentar la intensidad de una luz con frecuencia superior a la umbral, aumenta: (1 punto)

3. Problemas numéricos (c = 3·10⁸ m/s; h = 6,63·10⁻³⁴ J·s; 1 eV = 1,6·10⁻¹⁹ J; 1 u = 931,5 MeV/c²; m_e = 9,1·10⁻³¹ kg): (6 puntos)

a ) Energía (en 10⁻¹⁹ J) de un fotón de frecuencia 6·10¹⁴ Hz.

b ) Energía cinética máxima (eV) si hf = 5 eV y W₀ = 3 eV.

c ) Frecuencia umbral (en 10¹⁴ Hz) para W₀ = 2 eV.

d ) Energía (eV) de un fotón de longitud de onda 620 nm.

e ) Energía cinética máxima (eV) de los electrones si los fotones tienen 3,5 eV y W₀ = 2 eV.

f ) Longitud de onda umbral (nm) de un metal con W₀ = 3 eV.