Fundamentos de la Física Cuántica: Cuantización de la Energía, Efecto Fotoeléctrico y Principio de Incertidumbre

Interpretación de Planck: Cuantización de la Energía

En 1900, Max Planck formuló una hipótesis revolucionaria: la absorción y emisión de energía en la materia no ocurre de forma continua, sino en cantidades discretas o "cuantos". La energía de cada cuanto se calcula mediante la ecuación E = hν, donde E es la energía, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la radiación. La cuantización implica que existe un límite fundamental en la divisibilidad de la energía.

Efecto Fotoeléctrico

Los experimentos de Heinrich Hertz y Wilhelm Hallwachs demostraron que ciertos materiales emiten electrones cuando son expuestos a radiaciones de baja longitud de onda, un fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico. Estos experimentos revelaron que:

• La luz visible de baja frecuencia facilita la emisión de electrones en metales muy electronegativos.
• La luz ultravioleta, con mayor frecuencia, emite electrones en la mayoría de los metales.
• La radiación X, con una frecuencia aún mayor, emite electrones en cualquier metal.

Leyes Experimentales del Efecto Fotoeléctrico

Los resultados experimentales del efecto fotoeléctrico se resumen en las siguientes leyes:

• Cada metal tiene una frecuencia mínima de radiación luminosa, denominada frecuencia umbral, por debajo de la cual no se produce el efecto fotoeléctrico.
• La longitud de onda correspondiente a la frecuencia umbral se conoce como longitud de onda umbral.
• El número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la radiación luminosa incidente.

Planck explicó que los electrones en la corteza atómica no pueden abandonar el átomo por sí solos, sino que requieren un suministro de energía externa para hacerlo.

Dualidad Onda-Corpúsculo: Hipótesis de De Broglie

Louis de Broglie propuso que toda partícula en movimiento (electrones, neutrones, átomos, moléculas) tiene una onda asociada. La longitud de onda (λ) de esta onda está inversamente relacionada con el momento lineal (p) de la partícula, según la ecuación: λ = h/p.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

El principio de incertidumbre, formulado por Werner Heisenberg, establece que para partículas pequeñas en movimiento, es necesario considerar su doble comportamiento, corpuscular y ondulatorio. Una consecuencia de esto es la imposibilidad de determinar simultáneamente con precisión la posición y la velocidad de una partícula. En el mundo microscópico, no se puede conocer todo a partir de la posición o la velocidad, como en la física clásica. Por ejemplo, en un electrón, el comportamiento corpuscular queda enmascarado por el ondulatorio, impidiendo conocer su posición y velocidad exactas. Solo podemos suponer que cada electrón forma parte de un conjunto de ondas localizadas en una región pequeña, sin poder determinar su ubicación precisa.

El principio de incertidumbre establece que al medir magnitudes complementarias, el producto de los errores cometidos en cada una es siempre mayor o igual a la constante de Planck.