1.1 Base experimental de la teoría cuántica

1.1 Base experimental de la teoría cuántica.

La teoría cuántica, es una teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck. En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza.- El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones.

Propuso el modelo ondulatorio, en el que se defendía que la luz no era más que una perturbación ondulatoria, parecida al sonido, y de tipo mecánico pues necesitaba un medio material para propagarse. Supuso tres hipótesis: 1.- Todos los puntos de un frente de ondas eran centros emisores de ondas secundarias; 2.- De todo centro emisor se propagaban ondas en todas direcciones del espacio con velocidad distinta en cada medio; 3.- Como la luz se propagaba en el vacío y necesitaba un material perfecto sin rozamiento, se supuso que todo el espacio estaba ocupado por éter, que hacía de soporte de las ondas.

Es aquel que además absorbe toda la radiación que llega a él sin reflejarla, de tal forma que sólo emite la correspondiente a su temperatura. A fines del siglo XIX fue posible medir la radiación de un cuerpo negro con mucha precisión. La intensidad de esta radiación puede en principio ser calculada utilizando las leyes del electromagnetismo.  Quien logró explicar este fenómeno fue Max Planck, en 1900, que debió para ello sacrificar los conceptos básicos de la concepción ondulatoria de la radiación electromagnética.  Para resolver la catástrofe era necesario aceptar que la radiación no es emitida de manera continua sino en cuantos de energía discreta, a los que llamamos fotones.

Consiste en la emisión de electrones por un metal o fibra de carbono cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general).

1.1.1 Radiación del cuerpo negro y teoría de planck.

Un Cuerpo Negro es aquél que absorbe toda la radiación electromagnética que recibe y emiten todas las frecuencias. Cuando el cuerpo está caliente emite radiación electromagnética y su comportamiento está gobernado por las siguientes leyes, encontradas primero experimentalmente y cuya explicación teórica fue dada por M.  Planck  (1900) lo que constituyó el primer éxito de la Mecánica Cuántica.

Un Cuerpo Negro se construye experimentalmente mediante una cavidad hueca con un pequeño orificio al exterior. Las paredes internas de la cavidad se recubren con hollín por lo que en frío prácticamente toda la radiación que entra por el orificio es absorbida. La boca del orificio se comporta entonces como un cuerpo negro. Un metal a altas temperaturas se comporta aproximadamente también como un cuerpo negro .La intensidad detectada de la emisión de un cuerpo negro (potencia detectada por unidad de superficie del detector) presenta una dependencia con el inverso del cuadrado de la distancia entre emisor y detector.

1.1.2 Efecto Fotoeléctrico.

Formación y liberación de partículas eléctrica-mente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. Esto sucede cuando se agrega suficiente energía para vencer las fuerzas de atracción que existen en las superficies del metal y se emiten electrones por la acción de los rayos ultravioleta ó de los rayos X produciéndose otro efecto de luz relacionado con la electricidad. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, elfotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico (experimento en 1887 del el efecto fotoeléctrico externo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace más intensa, en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor). Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. El término efecto fotoeléctricotambién puede referirse a otros tres procesos: la foto-ionización  la foto-conducción y el efecto foto-voltaico. 

La fotoionización es la ionización de un gas por la luz u otra radiación electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía para separar uno o más electrones externos de los átomos de gas.

La fotoionización es el proceso mediante el cual el impacto de unfotón sobre un átomo, ion o molécula provoca el desprendimiento de un electrón, llamado fotoelectrón.
Este mecanismo juega un importante papel en diversos sistemas físicos. Por ejemplo la fotoionización debida a la radiación solar ultravioleta es la principal responsable de los elevados grados de ionización en la ionosfera terrestre. Del mismo modo, la materia interplanetaria, interestelar e intergaláctica está altamente ionizada debido a la radiación procedente de las estrellas. Por otro lado, la fotoionización puede ser determinante en la propagación de descargas eléctricas, aunque este es un aspecto en el que no existe consenso entre los investigadores.

1.1.3 Espectros de emisión y series espectrales 

Espectros de emisión: El trabajo de Einstein preparó el camino para solucionar otro"misterio" de la Física del siglo XIX, los espectros de emisión de los átomos. Desde elsiglo XVII, en que Newton demostró que la luz solar está compuesta por varioscomponentes coloridos que se pueden recombinar para producir luz blanca, losquímicos y los físicos han estudiado las características de los espectros de emisión devarias sustancias, esto es, la radiación emitida por las sustancias, ya sea continua o enforma de líneas. El espectro de emisión se obtiene suministrando a una muestra delmaterial energía térmica o alguna otra forma de energía (como una descarga eléctricade alto voltaje, si la sustancia es gaseosa). Una barra de hierro al "rojo caliente" o"blanco caliente" recién removida de una fuente de alta temperatura brilla de unamanera característica. Este resplandor visible es la porción de un espectro de emisiónque es percibido por el ojo. El calor que se siente a distancia de la misma barra dehierro es otra porción de su espectro de emisión, esta porción es de la región delinfrarrojo. Una característica común del espectro de emisión del sol y del calentamientode un sólido caliente es que ambos son continuos; es decir, todas las longitudes deonda de la luz están representadas en el espectro (figura 10).Los espectros de emisión de átomos en fase gaseosa, por otro lado, no muestran unadistribución continua de longitudes de onda desde el rojo al violeta; en lugar de ello, losátomos emiten luz sólo a longitudes de onda específicas. Dichos espectros se llamanespectros de líneas porque la radiación se identifica por la aparición de líneas brillantesen el espectro. La figura 16 es un diagrama esquemático de un tubo de descarga quese utiliza para estudiar los espectros de emisión. 

Un dispositivo experimental para estudiar los espectros de emisión deátomos y moléculas. El gas en estudio está en un tubo de descarga quecontiene dos electrones. A medida que los electrones fluyen del electrodonegativo al electrodo positivo, chocan con el gas. Este proceso de colisióneventualmente conduce a la emisión de luz por los átomos (y moléculas).La luz emitida se separa en sus componentes por un prisma. Cadacomponente colorido se presenta en una posición definida de acuerdo consu longitud de onda y forma una imagen colorida del colimador en la placafotográfica. Las imágenes coloridas se llaman líneas espectrales.Cada elemento tiene un espectro de emisión único. Las líneas características de losespectros atómicos se pueden utilizar en análisis químico para identificar átomosdesconocidos, así como las huellas digitales sirven para identificar una persona.Cuando las líneas del espectro de emisión de un elemento conocido concuerdanexactamente con las líneas de un espectro de emisión de una muestra desconocida, laidentidad de esta última se establece rápido. A pesar de que de inmediato se reconoció