Fisica General Burbano

EL ÁTOMO
CAPÍTULO XXVIII
CORTEZA ATÓMICA
Gran parte del conocimiento actual de la estructura del átomo procede de experiencias relacionadas
con las ondas electromagnéticas, y en particular con la luz visible. La naturaleza ondulatoria
de la luz está fuertemente avalada por fenómenos que se producen en su propagación, como las
interferencias y la difracción. Hay, sin embargo, otros fenómenos relacionados con la interacción
de la luz con la materia que no son explicables ondulatoriamente, y de los que tratamos a continuación.
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A) TEORÍA DE LOS CUANTOS
XXVIII – 1. El cuerpo negro y los cuantos de energía de Planck
A finales del siglo XIX persistía planteado el problema de encontrar una expresión adecuada
para la distribución espectral de la energía radiada por un cuerpo negro (párrafo XXVI-12). La
fracción de densidad de energía emitida en un intervalo dl en torno a una longitud de onda l determinada,
es función de l y de la temperatura absoluta: f(l, T) dl.
Wien por un lado y Rayleigh y Jeans por otro, encontraron expresiones para la función f(l, T) dl
que se acomodaban a la curva experimental para longitudes de onda cortas el primero y largas los
segundos (párrafo XXVI-13), pero ninguna concordaba completamente con la experiencia.
En 1901, Max K. Planck (1858-1947), propuso una fórmula empírica (fórmula 8 capítulo
XXVI) que contenía una constante, h, cuyo valor se ajustó para acomodar la expresión a los datos
experimentales. Para la explicación de la emisión de radiación térmica se basó en la teoría de
Maxwell, según la cual una carga acelerada emite radiación electromagnética. Afirmó que la superficie
del cuerpo emisor contiene electrones, ligados a una posición de equilibrio por fuerzas
atractivas proporcionales a la distancia; debido a su agitación térmica, estas cargas realizan movimientos
armónicos y, en consecuencia, emiten radiación electromagnética de la misma frecuencia
que la de su oscilación. De esta forma, las propiedades de la radiación dependen de las del oscilador
que las produce.
Sobre esta base, y para poner de acuerdo la teoría con las medidas experimentales, adoptó la
siguiente hipótesis:
La energía de un oscilador armónico es discreta, solamente puede tener valores que sean
múltiplos enteros de una cantidad mínima o «cuanto» de energía, de valor
donde n es la frecuencia de la oscilación y h es la constante de Planck, cuyas dimensiones son las
de una «acción» (trabajo × tiempo), por lo que se llama CUANTO DE ACCIÓN DE PLANCK, y cuyo valor,
como ya se ha dicho, es: h = 6,626 × 10 – 34 J · s. Así pues, en un oscilador armónico cuya frecuencia
de vibración es v, la energía sólo puede tener uno de los valores hn, 2 hn, 3 hn, ...
La hipótesis de Planck de la CUANTIFICACIÓN DE LA ENERGÍA es uno de los puntos básicos sobre
los que se ha desarrollado toda la Física del átomo. La teoría de los cuantos explica satisfactoriamente
las anomalías que existían en la teoría clásica de calores específicos (Ley de Doulong y Petit)
y fue aplicada por Albert Einstein (1879-1955) a la explicación teórica del efecto fotoeléctrico,
con una apoteosis triunfal en 1915, al confirmar Robert A. Millikan (1868-1953) experimentalmente
las teorías expuestas por Einstein.
PROBLEMAS: 1al 5.
XXVIII – 2. Efecto fotoeléctrico. Fotones
E
= h n
Es la emisión de electrones por determinados metales, cuando sobre ellos incide luz u otra radiación
electromagnética de pequeña longitud de onda.
En el esquema experimental de la Fig. XXVIII-1, cuando la luz incide sobre el metal C (cátodo)
éste emite electrones (fotoelectrones) que son recogidos por el ánodo P, estableciéndose una corriente
que se mide con el amperímetro A. Aumentando la tensión que proporciona la fuente F, se
llega a una intensidad de corriente máxima por A cuando el ánodo recibe todos los electrones
emitidos por el metal. Cambiando la polaridad de la fuente se puede anular la corriente que circula
por A, lo que se conseguirá para una diferencia de potencial entre C y P de valor V tal que la
(1)
Fig. XXVIII-1.– Esquema de montaje
experimental para el estudio del efecto
foto-eléctrico.