Fundamentos de la Mecánica Cuántica: Planck, Efecto Fotoeléctrico, De Broglie y Heisenberg
Fundamentos de la Mecánica Cuántica
En 1900, Planck introdujo la idea de que la energía no era una magnitud continua, sino que se presentaba en forma de paquetes a los que denominó cuantos de energía o fotones.
La energía de un fotón se calcula mediante la fórmula: E = h * f, donde:
- h es la constante de Planck.
- f (Hz) es la frecuencia.
También se puede expresar en términos de la longitud de onda (λ): E = h * c / λ, donde:
- c es la velocidad de la luz en el vacío.
- λ es la longitud de onda (en metros).
Efecto Fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico se produce cuando un fotón incide sobre la superficie de un metal y choca con un electrón. Parte de la energía del fotón se utiliza para extraer el electrón del metal (esta energía se llama trabajo de extracción) y el resto se transfiere al electrón en forma de energía cinética.
Un fotón solo puede arrancar electrones de un metal si su energía (Efotón = hf) es superior al trabajo de extracción del metal. Existe una frecuencia umbral (f0) por debajo de la cual la luz incidente no puede arrancar electrones.
Hipótesis de De Broglie
De Broglie propuso en 1924 que, al igual que la luz se comporta como onda y como partícula, los objetos materiales también deberían tener asociada una onda. Esta hipótesis establece que toda la materia tiene propiedades ondulatorias.
La longitud de onda asociada a una partícula se calcula mediante la fórmula: λ = h / (m * v), donde:
- λ es la longitud de onda asociada a la partícula.
- h es la constante de Planck.
- m es la masa del cuerpo.
- v es la velocidad del cuerpo.
En partículas con masa muy reducida, la longitud de onda asociada puede ser significativa. En objetos cotidianos, esta onda es tan pequeña que no se detecta.
Principio de Incertidumbre de Heisenberg
En 1927, Heisenberg enunció el principio de incertidumbre, que establece que no es posible determinar con precisión y simultáneamente la posición y la cantidad de movimiento de una partícula microscópica. Si Δx es la indeterminación de la posición y Δp la indeterminación de la cantidad de movimiento, se cumple que: Δx * Δp ≥ h / (4π).
Si se conoce con precisión la posición de un cuerpo (Δx pequeño), la imprecisión en la cantidad de movimiento (Δp) será grande. Esta imprecisión no es causada por los instrumentos de medición, sino por la dualidad onda-corpúsculo de la materia.