Efecto Compton

El efecto Compton es un fenómeno por el cual la radiación electromagnética que incide sobre ciertas superficies sale con una longitud de onda mayor que la de entrada.

Este fenómeno, observado en 1923 por Arthur Holly Compton, mientras realizaba investigaciones sobre la difusión de los rayos X, sólo puede explicarse a partir de los principios de la mecánica cuántica.
Así, si se considera que la radiación electromagnética está constituida por cuantos de energía llamados fotones, en su interacción con la materia puede absorberse parte de estos fotones. En tal caso, la energía global de la radiación disminuiría, y también su frecuencia, con lo que aumentaría la longitud de onda.

Longitud de onda de Compton
El efecto Compton puede cuantificarse dentro del marco teórico ofrecido por Planck y Einstein acerca de la energía electromagnética. Considerando que la masa de los cuantos de esta radiación (fotones) es Ef = hn, que también se puede escribir como Ef = w, siendo = h / 2p, el momento lineal de cada fotón viene definido por:

Mediante las leyes de conservación del momento lineal y de la energía se obtiene que la diferencia entre las longitudes de onda de entrada y salida del fotón en la interacción viene dada por:

siendo q el ángulo de desviación de la trayectoria del fotón y lc una constante llamada longitud de onda de Compton del electrón, cuyo valor viene dado por: La explicación que del efecto Compton proporciona la mecánica cuántica ofrece una de las pruebas experimentales más convincentes de la validez de sus postulados teóricos. Este fenómeno suministra una ilustración determinante de las propiedades de onda y partícula de la radiación electromagnética.

Efecto Fotoeléctrico

Propiedad que tienen ciertos cuerpos (metales) de expulsar electrones al ser iluminados con luz visible o ultravioleta.

La luz monocromática incidente sobre el metal, si tiene suficiente energía (si la frecuencia n de la luz es mayor que la frecuencia umbral no propia del metal), conseguirá arrancar los electrones de la placa metálica, que alcanzarán la placa colectora y recorrerán el circuito exterior, estableciendo una corriente eléctrica. La intensidad y la frecuencia de la luz incidente pueden variarse a voluntad.
Si la luz es una onda clásica, los electrones podrían absorber energía de forma continua; y, cualquiera que fuera la intensidad de la luz, sería tan sólo cuestión de darles tiempo a los electrones para que fueran recogiendo la energía suficiente para escapar del metal. De esta manera, no habría frecuencia umbral, aunque sí un retraso en la producción del efecto en caso de tener una luz poco intensa.

En 1905 Einstein propuso una hipótesis, que resultó definitiva, basándose en la idea de los cuantos de energía de Planck en contra de la energía continua de la onda clásica. Einstein extendió los cuantos de la energía térmica a la energía luminosa y los llamó fotones. Esta fue la propuesta: “Cada electrón es arrancado del metal por un fotón de frecuencia n mayor que cierta frecuencia umbral no del metal; por lo que la energía cinética máxima de los electrones arrancados es la diferencia entre la energía del fotón y la energía correspondiente a la frecuencia umbral del metal”.

La energía mínima necesaria para extraer el electrón de un metal concreto se denomina trabajo de extracción W = hno, que sustituido en la ecuación anterior, resulta:

La corriente fotoelectrónica se puede detener cambiando la polaridad de la pila hasta un valor del potencial Vo, llamado potencial de detención; lo que ocurre cuando la diferencia de energía potencial eléctrica iguala a la energía cinética máxima de los electrones: siendo e la carga en valor absoluto del electrón.

Aplicacion interactiva del efecto fotoeléctrico http://acacia.pntic.mec.es/jruiz27/interf/fotoelectrico/fotoelectrico/fotoelectricojesus.htm

Ondas materiales de DE BROGLIE

Los trabajos de Albert Einstein sobre el efecto fotoeléctrico demostraron que las ondas electromagnéticas están formadas por partículas elementales llamadas fotones. En sentido inverso, el francés Louis De Broglie predijo en 1924 que los corpúsculos materiales del exterior de los átomos, los electrones, deberían mostrar también un comportamiento ondulatorio. La constatación experimental de la dualidad de partícula y onda de los electrones, que llegó pocos años después, cerró el círculo de una de las propuestas más seductoras de la física cuántica: todo lo que existe es, al mismo tiempo, onda y materia.

Ondas de De Broglie
En un trabajo publicado en 1924, De Broglie partía de una comparación entre las propiedades del fotón y el electrón para suponer que esta última partícula podría poseer relaciones de energía-frecuencia y longitud de onda-momento lineal análogas a la primera, y expresadas como:

siendo un vector unitario que comparte dirección y sentido con el vector de onda .
Partiendo de las hipótesis relativistas, se podría establecer una equivalencia entre energía y el momento lineal del electrón considerado como onda y como partícula material, de lo que se deduciría que:

LA LUZ

Teoria Ondulatoria
Fue idea del físico holandés C. Huygens.
Afirma que la luz se propaga mediante ondas mecánicas, emitidas por un foco luminoso. La luz para propagarse necesitaba un medio material de gran elasticidad, impalpable que todo lo llena, incluyendo el vacío(la luz también se propaga en el vacío). A este medio se le llamó éter. La energía luminosa está repartida por todo el frente de onda. Que es perpendicular a las direcciones de propagación. La teoría ondulatoria explica perfectamente los fenómenos luminosos mediante una construcción geométrica llamada principio de Huygens.

> Principio de Huygens
Método de análisis aplicado a los problemas de propagación de ondas. Afirma que todo punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de onda del que proceden.

La teoria ondulatoria de la luz tambien asegura que, la luz se propaga con mayor velocidad en los medios menos densos. La teoría de Huygens no fue tomada en cuenta debido a la gran autoridad de Newton.

Pero en 1801 el inglés T. Young dio un gran impulso a la teoría ondulatoria explicando el fenómeno de las interferencias y midiendo las longitudes de onda correspondientes a los distintos colores del espectro.

> Fenómeno de las interferencias: El experimento de Young que lo explica, consiste en hacer incidir luz monocromática (de un solo color) en una pantalla que tiene rendija muy estrecha. La luz difractada que sale de dicha rendija se vuelve a hacer incidir en otra pantalla con una doble rendija. La luz procedente de las dos rendijas se combina en una tercera pantalla produciendo bandas alternativas claras y oscuras.Esto se ve naturalmente en las manchas de una gota de aceite, o en la cara con información de los discos compactos.

Este fenómeno los podemos ver en la siguiente aplicación.

http://vsg.quasihome.com/interfer.htm

Lo que se aplica directamente al principio de Huygens, y por ende explica la teoria ondulatoria de la luz.

Teoría Corpuscular
Esta teoría se debe a Newton (1642-1726).
La luz está compuesta por diminutas partículas materiales emitidas a gran velocidad en línea recta por cuerpos luminosos, produciendo sombras nítidas al interponer objetos a su paso. La dirección de propagación de estas partículas recibe el nombre de rayo luminoso.
Esta teoría supone que la luz es un chorro de partículas emitidas por el foco luminoso, que llegan a nuestros ojos produciendo la visión.

Con dicha teoría, Newton demuestra las leyes de la reflexión y de la refracción, necesitando suponer para esta última que la luz viaja a mayor velocidad en el agua que en el aire.

La teoría de Newton se fundamenta en estos puntos:
> Propagación rectilínea: La luz se propaga en línea recta porque los corpúsculos que la forman se mueven a gran velocidad.

> Reflexión: se sabe que la luz al chocar contra un espejos se refleja. Newton explicaba este fenómeno diciendo que las partículas luminosas son perfectamente elásticas y por tanto la reflexión cumple las leyes del choque elástico.

> Refracción: El hechos de que la luz cambie la velocidad en medios de distinta densidad, cambiando la dirección de propagación, tiene difícil explicación con la teoría corpuscular.


Sin embargo Newton supuso que la superficie de separación de dos medios de distinto índice de refracción ejercía una atracción sobre las partículas luminosas, aumentando así la componente normal de la velocidad mientras que la componente tangencial permanecía invariable.
A diferencia de la teoria ondulatoria, la teoría corpuscular estudia la luz como si se tratase de un torrente de partículas sin carga y sin masa llamadas fotones, capaces de portar todas las formas de radiación electromagnética. Esta interpretación resurgió debido a que, la luz, en sus interacciones con la materia, intercambia energía sólo en cantidades discretas . Este hecho es difícil de combinar con la idea de que la energía de la luz se emita en forma de ondas, pero es fácilmente visualizado en términos de corpúsculos de luz o fotones.

Newton, experimentalmente demostró que la luz blanca, al traspasar un prisma, se dispersa en rayos de colores y que éstos, a su vez, al pasar por un segundo prisma no se descomponen, sino que son homogéneos. De esta descomposición de la luz deduce y demuestra que al dejar caer los rayos monocromáticos sobre un prisma, éstos se recombinan para transformarse en luz blanca. Se desprende así que ésta resulta de una combinación varia de rayos coloreados que poseen diferentes grados de refrangibilidad; desde el violeta –el más refrangible- hasta el rojo –que tiene el menor índice de refracción.

Constante de PLANCK

La constante de Planck, simbolizada con la letra h, es una constante física que representa al cuanto elemental de acción. Es la relación entre la cantidad de energía y de frecuencia asociadas a un cuanto o a una partícula. Desempeña un papel central en la teoría de la mecánica cuántica y recibe su nombre de su descubridor, Max Planck, uno de los padres de dicha teoría.

La constante de Planck relaciona la energía E de los fotones con la frecuencia ν de la onda lumínica (letra griega nu) según la fórmula:

E = h v

donde E es la energía, h es la constante de Planck, y ν es la frecuencia de la onda lumínica.La constante de Planck se utiliza para describir la cuantización, un fenómeno que ocurre en las particulas elementales subatómicas como electrones y fotones en los cuales ciertas propiedades físicas ocurren en cantidades fijas, en lugar de tomar un rango continuo de posibles valores.

La constante de Planck tiene dimensiones de energía multiplicada por tiempo, que también son las dimensiones de la acción. En las unidades del SI la constante de Planck se expresa en julios-segundo. Sus dimensiones también pueden ser escritas como momento por distancia (N•m•s), que también son las dimensiones del momento angular.
Frecuentemente la unidad elegida es el eV•s, por las pequeñas energías que frecuentemente se encuentran en la física cuántica.

Relacion MASA - ENERGIA

Einstein estableció la ecuación E = mc2 en donde explica que la e la energía E de un cuerpo en reposo es igual a su masa m multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado.
Muestra cómo una partícula con masa posee un tipo de energía, "energía en reposo", distinta de las clásicas energía cinética y energía potencial. La relación masa - energía se utiliza comúnmente para explicar cómo se produce la energía nuclear; midiendo la masa de núcleos atómicos y dividiendo por el número atómico se puede calcular la energía de enlace atrapada en los núcleos atómicos. Paralelamente, la cantidad de energía producida en la fisión de un núcleo atómico se calcula como la diferencia de masa entre el núcleo inicial y los productos de su desintegración multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado.