ASIGNACIÓN: ANTECEDENTES DEL MODELO ACTUAL

1. ¿Qué es una onda? Explicar los términos relacionados con las ondas, como longitud de onda, frecuencia y amplitud

Una onda es aquella perturbación en los medios elásticos o deformables. Es transportadora de energía; pero es incapaz de desplazar una masa en forma continua. Toda onda al propagarse da lugar a vibraciones. En general, una onda es una alteración vibrátil mediante la cual se transmite energía.

Características de la ondas

a. Ciclo: Se le llama también fase y viene a ser el movimiento ordenado por una onda comprendida entre dos puntos consecutivos de posición semejante.

b. Período (T): Es el tiempo transcurrido durante la realización de un ciclo.c. Frecuencia (f): Es el número de ciclos realizados en cada unidad de tiempo. La

frecuencia es la inversa del período.d. Longitud de onda (): Es la distancia, medida en la dirección de la propagación

de la onda que existe entre dos puntos consecutivos de posición semejante. También se le define como el espacio que una onda recorre en un tiempo igual al período.

e. Elongación (y).- Es la distancia existente entre la posición de equilibrio y el cuerpo en un instante cualquiera.

f. Crestas.- Son los puntos más altos de las ondas.g. Valles.- Son los puntos más bajos de las ondas.h. Amplitud (A).- Es la altura de una cresta o la profundidad de un valle.

2. ¿Cuáles son las unidades para la longitud de onda y la frecuencia? ¿Cuál es la velocidad de la luz en metros por segundo, kilómetros por segundo y millas por hora?

En el Sistema Internacional, la unidad de medida de la longitud de onda es el metro, como la de cualquier otra longitud. Según los órdenes de magnitud de las longitudes de onda con que se esté trabajando, se suele recurrir a submúltiplos como el milímetro (mm), el micrómetro(μm) y el nanómetro (nm).

Según el Sistema Internacional (SI), la frecuencia se mide en hercios (Hz). También se mide en ciclos por segundo (cps), en revoluciones por minuto (rpm), o en pulsos por minuto (bpm) para indicar el latido del corazón o el tempo musical.

La velocidad de la luz en metros por segundo es 299.792.458 m/s que suele aproximarse a  3·108 m/s. Esto equivale a su vez a 300.000Km/s y 38millas/h

3. Enumerar los tipos de radiación electromagnética, comenzar con la radiación que tiene la longitud de onda más larga y terminar con la longitud de onda más corta

N° Tipo de radiación Longitud de onda1 Ondas de Radio de muy alta frecuencia  <10 m2 Ondas de Radio de alta frecuencia <1m3 Microondas <30cm4 Infrarrojo lejano < 1 mm5 Infrarrojo medio < 50 µm6 Infrarrojo cercano < 2,5 µm7 Luz Visible < 780 nm9 Ultravioleta cercano < 380 nm

10 Ultravioleta extremo < 200 nm11 Rayos X < 10 nm12 Rayos gamma < 10 pm

4. Dibujar el espectro electromagnético, estableciendo relaciones apropiadas entre longitudes de onda, energías, y frecuencias de las diferentes radiaciones

5. Dar los valores máximo y mínimo de longitud de onda que definen la región visible del espectro electromagnético

No hay límites exactos en el espectro visible; un típico ojo humano responderá a longitudes de onda desde 400 a 700 nm aunque algunas personas pueden ser capaces de percibir longitudes de onda desde 380 a 780 nm.

6. ¿Por qué supone usted que las bolas de tenis son casi siempre de un color amarillo verdoso?

Las bolas de tenis son de un color amarillo verdoso, porque debido a la gran velocidad con que se juega al tenis se necesita que el ojo humano pueda ver con la mayor claridad posible la bola, y el color amarillo verdoso es el color que mejor distingue el ojo humano.

7. ¿Qué es electrosensibilidad? ¿Qué tipo de radiaciones electromagnéticas representan un peligro para la salud y por qué? ¿Las ondas de telefonía celular están incluidas en este grupo? ¿hay algún tipo de medida preventiva?

La electrosensibilidad forma parte de las nuevas enfermedades surgidas en el siglo XXI. Se trata de una enfermedad notoria recurrente provocada por la exposición a campos electromagnéticos.

La electrosensibilidad se activa o intensifica al encontrarse cerca de aparatos eléctricos,  teléfonos móviles, los wi-fi, las antenas de telefonía móvil, los teléfonos inalámbricos, las torres de alta tensión, los transformadores eléctricos urbanos, entre otros.

Estas radiaciones actúan a niveles bajísimos y en forma totalmente imperceptible van perturbando genes, deteriorando células y alterando los sistemas nervioso e inmunológico, de modo que en forma solapada vamos acumulando nuevas tasas de enfermedades muy graves.

Aunque muchos "expertos" niegan taxativamente la relación entre telefonía móvil y enfermedades como el cáncer la evidencia la dan los miles de personas que enferman y mueren cada año a causa de las radiaciones electromagnéticas. Y es tan grave la situación que cada vez más científicos -a los que las grandes compañías telefónicas no han podido silenciar- exigen a los organismos internacionales que tomen cartas en el asunto para evitar el deterioro de la salud de millones de personas.

Fruto de esta preocupación creciente por la electropolución surge el proyecto CEM (de campos electromagnéticos), auspiciado por la Organización Mundial de la Salud, en el cual participan numerosos países, y mediante el cual se pretenden aunar esfuerzos con el objeto de lograr un adecuado conocimiento sobre los efectos de la contaminación electromagnética. También es de importancia destacar la labor realizada por la Comisión de las Comunidades Europeas, que en 1998 elaboró en su seno unas Recomendaciones para los países europeos en materia de contaminación electromagnética.

8. ¿Por qué cuando una persona se asolea demasiado se le empieza a desprender la piel?

La capa más exterior de la piel está consituída por células muertas. Esa capa se mantiene hidratada por secreciones como el sudor o la grasa. Cuando te dá mucho el sol,las ondas electromagnéticas procedentes de la radiación UV de los rayos del sol hacen que esa capa se deshidrate hasta el punto de que ya no es posible rehidratarla. Por eso se acaba cuarteando y se desprende de tu cuerpo, siendo sustituida por otra.

9. ¿Qué hacen las lociones bloqueadoras, usted cree que es correcto usar cualquier tipo de gafas para el sol?

Las cremas bloqueadoras protegen contra los rayos ultravioleta, que no se ven ni se sienten debido a su pequeñisima longitud de onda, estos rayos a diferencia de los otros 2 que irradia el sol (luz visible, rayos infrarojos-calor-) no se pueden percibir, mas causan daños a las células debido a su gran poder, son capaces de hacer mutar nuestras células y producir cáncer. por esto es muy importante cuidar nuestro medio ambiente.

No, los anteojos de sol sirven para proteger los ojos y evitar los efectos nocivos de éste, es decir, radiaciones ultravioleta. Así, exponerse al Sol sin cuidado alguno puede ser muy peligroso, tanto para la piel como para los ojos, de ahí la importancia de saber escoger los lentes adecuados que protejan no solo de la luz y el resplandor sino también contra los rayos ultravioleta

10. ¿Es lo mismo un material fluorescente que uno fosforescente? Explicar claramente

La fluorescencia y la fosforescencia son propiedades que tienen ciertos materiales de absorber energía y transformarla en luz. La principal diferencia entre un material fluorescente y uno fosforescente es el tiempo que tardan los materiales emitiendo la luz. El proceso de fluorescencia tarda sólo unas milésimas de segundo, mientras que un material fosforescente puede durar emitiendo luz durante varios minutos.En la fluorescencia  la  luminiscencia que desaparece al cesar la causa que la produce, mientras que en la fosforescencia la luminiscencia permanece algún tiempo al cesar la causa que la produce. 

11. Escribir la ecuación de Planck y explicar el significado de cada uno de los términos así como el concepto general de la cuantización de la energía.

H= constante de Planck= 6,63x10-34J.sν=Frecuencia de radiaciónc=¿velocidad de la luzλ= Longitud de onda

12. ¿Qué es un cuanto? ¿Qué es un fotón? Un quantum o cuanto es la menor cantidad de energía que puede transmitirse en

cualquier longitud de onda. Cuando un rayo de luz es absorbido por la materia, la energía que ésta retiene son

cantidades finitas, o quantos. Un quanto de luz es llamado fotón.

13. ¿En que consiste el efecto fotolelectrico? ¿La expresión naturaleza dual de la luz se relaciona con dicho efecto? Consulte si existe algún uso práctico del efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico 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).

Leyes de la emisión fotoeléctrica

1. Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incidente.

2. Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, también conocida como "Frecuencia Umbral".

3. Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente.

4. La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente, independientemente de la intensidad de la luz incidente. Este hecho se contrapone a la teoría Clásica:la Física Clásica esperaría que existiese un cierto retraso entre la absorción de energía y la emisión del electrón, inferior a un nanosegundo.

El efecto fotoeléctrico fue uno de los primeros efectos físicos que puso de manifiesto la dualidad onda-corpúsculo característica de lamecánica cuántica. La luz se comporta como ondas pudiendo producir interferencias y difracción como en el experimento de la doble rendijade Thomas Young, pero intercambia energía de forma discreta en paquetes de energía, fotones, cuya energía depende de la frecuencia de la radiación electromagnética. Las ideas clásicas sobre la absorción de radiación electromagnética por un electrón sugerían que la energía es absorbida de manera continua. Este tipo de explicaciones se encontraban en libros clásicos como el libro de Millikan sobre los Electrones o el escrito por Compton y Allison sobre la teoría y experimentación con rayos X. Estas ideas fueron rápidamente reemplazadas tras la explicación cuántica de Albert Einstein.

El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar y del aprovechamiento energético de la energía solar. El efecto fotoeléctrico se utiliza también para la fabricación de células utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las grandes centrales termoeléctricas. Este efecto es también el principio de funcionamiento de los sensores utilizados en las cámaras digitales. También se utiliza

en diodos fotosensibles tales como los que se utilizan en las células fotovoltaicas y en electroscopios oelectrómetros. En la actualidad los materiales fotosensibles más utilizados son, aparte de los derivados del cobre (ahora en menor uso), elsilicio, que produce corrientes eléctricas mayores.

El efecto fotoeléctrico también se manifiesta en cuerpos expuestos a la luz solar de forma prolongada. Por ejemplo, las partículas de polvo de la superficie lunar adquieren carga positiva debido al impacto de fotones. Las partículas cargadas se repelen mutuamente elevándose de la superficie y formando una tenue atmósfera. Los satélites espaciales también adquieren carga eléctrica positiva en sus superficies iluminadas y negativa en las regiones oscurecidas, por lo que es necesario tener en cuenta estos efectos de acumulación de carga en su diseño.

14. Comentar acerca de la relación que existe entre la cuantización de la energía y los espectros de líneas

La cuantización de la energía es la explicación de la existencia de los espectros de energía. si la energía no estuviera cuantizada todos los elementos tendrían un espectro continuo, sin partes oscuras entre una y otra línea, pero la naturaleza no funciona asi. Cada línea del espectro corresponde a la longitud de onda del fotón que emite un electrón al bajar de un orbital atómico alto a uno más bajo.

15. Describir brevemente, pero en forma muy clara el modelo atómico de Bohr, ponga de manifiesto los principales aciertos y desaciertos de este modelo. ¿En qué se diferencia la teoría de Bohr de los conceptos de la física clásica?

Niels Bohr (1885-1962 fue un físico danés que aplicó por primera vez la hipótesis cuántica a la estructura atómica, a la vez que buscó una explicación a los espectros discontinuos de la luz emitida por los elementos gaseosos. Todo ello llevó a formular un nuevo modelo de la estructura electrónica de los átomos que superaba las dificultades del átomo de Rutherford. 

Este modelo implicaba los siguientes postulados:

1.- El electrón tenía ciertos estados definidos estacionarios de movimiento (niveles de energía) que le eran permitidos; cada uno de estos estados estacionarios tenía una energía fija y definida.

2.- Cuando un electrón estaba en uno de estos estados no irradiaba pero cuando cambiaba de estado absorbía o desprendía energía. 

3.- En cualquiera de estos estados, el electrón se movía siguiendo una órbita circular alrededor del núcleo.

4.- Los estados de movimiento electrónico permitidos eran aquellos en los cuales el momento angular del electrón (m · v · r ) era un múltiplo entero de h/2 · 3.14. 

Vemos pues que Bohr aplicaba la hipótesis cuántica por Planck en 1900. 

La teoría ondulatoria electromagnética de la luz era satisfactoria en cuanto explicaba algunos fenómenos ópticos tales como la difracción o la dispersión, pero no explicaba otros fenómenos tales como la irradicación de un cuerpo sólido caliente. Planck resolvió el problema suponiendo que un sistema mecánico no podía tener cualquier valor de la energía, sino solamente ciertos valores. 

Así, en un cuerpo sólido caliente que irradia energía, Planck consideró que una onda electromagnética de frecuencia era emitida por un grupo de átomos que circulaba con la misma frecuencia.

Aplicando esta hipótesis a la estructura electrónica de los átomos se resolvía la dificultad que presentaba el átomo de Rutherford. El electrón, al girar alrededor del núcleo, no iba perdiendo la energía, sino que se situaba en unos estados estacionarios de movimiento que tenían una energía fija. Un electrón sólo perdía o ganaba energía cuando saltaba de un estado (nivel) a otro.

Por otro lado, el modelo de Bohr suponía una explicación de los espectros discontinuos de los gases, en particular del más sencillo de todos, el hidrógeno. Una raya de un espectro correspondía a una radiación de una determinada frecuencia.

Al aplicar la formula de Bohr a otros átomos se obtuvieron resultados satisfactorios, al coincidir el pronóstico con el resultado experimental de los espectros de estos átomos.

El modelo de Bohr funciona bien para átomos con sólo un electrón, como el H, o iones de He, Li, etc. Esta limitación se origina en las repulsiones que existen entre los electrones y la atracción de los electrones con el núcleo.

Sin embargo ésta no es la mayor limitación del modelo de Bohr, la principal fue suponer que los electrones están en órbitas establecidas. Con el tiempo se encontró que no se puede determinar con tanta precisión la ubicación de partículas tan pequeña (Buscar principio de Incertidumbre), por lo tanto los electrones no están en órbitas fijas, sino que en realidad es muy PROBABLE que se encuentren en ciertas regiones, denominadas orbitales.

Sommerfeld corrigió el modelo atómico de Bohr, admitiendo la existencia de órbitas circulares. Pero a pesar de las correcciones de Sommerfeld, el modelo atómico de Bohr no explicaba todas las observaciones experimentales. Se imponía un cambio, un nuevo modelo, y este llegó de la mano de la Mecánica Cuántica

16. ¿En que se diferencia un estado fundamental de un estado excitado?

Se dice que un elemento se encuentra en su estado fundamental cuando tiene la menor energia posible, es decir: sus electrones tienen la menor energia posible y por lo tanto se trata de un estado estable al que tienden todos los elementos. En un atomo en estado excitado, algunos de sus electrones tienen mayor energia que en su estado fundamental.Estos dos son los estados permitidos en la naturaleza, no hay estados de menor energia que el estado fundamental.

17. ¿Un material fluorescente podría emitir radiación en la región ultravioleta tras absorber luz visible? Explicar su respuesta

En general las sustancias fluorescentes absorben energía en forma de radiación electromagnética de onda corta (p ej radiación gamma, rayos x, UV, luz azul, etc), y luego la emiten nuevamente a una longitud de onda más larga, por ejemplo dentro del espectro visible; los ejemplos mas notables de fluorescencia ocurren cuando la luz absorbida se encuentra dentro del rango ultravioleta del espectro -invisible al ojo humano- y la luz emitida se encuentra en la región visible.

18. Identificar el comportamiento ondulatorio de la materia, describiendo claramente la ecuación de Broglie y el significado de cada uno de sus términos. Comparar el comportamiento dual de un cuerpo macroscópico y de una partícula tan pequeña como el electrón.

Las controversias sobre la naturaleza de la luz que habían centrado los debates científicos durante más de dos siglos se resolvieron en 1905 cuando Albert Einsten, en su interpretación del efecto fotoeléctrico (ver t59), vino a conciliar las dos hipótesis manejadas y, hasta entonces, consideradas incompatibles: La ondulatoria, según la cual la radiación luminosa es simplemente una

perturbación que se desplaza en el espacio. La corpuscular, que sostenía que la luz está formada por corpúsculos materiales

capaces de interaccionar con la materia.Einstein concluyó que la luz y, por extensión, las ondas electromagnéticas son a la vez corpúsculo y onda, ya que están formadas por partículas sin masa y sin carga, llamadas fotones, que se propagan en el espacio como un movimiento ondulatorio, intercambiando energía con el entorno.En un estudio especulativo, que no respondía a ninguna realidad observada que hubiera de explicarse, el francés Louis de Broglie (1892-1987) elucubró con la posibilidad de que, al igual que los fotones, también los electrones tuvieran esa misma dualidad de onda y corpúsculo.

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:

Longitud de onda de De Broglie

De la comparación de las magnitudes del comportamiento del electrón entendido como onda y como partícula, se obtiene un valor para la longitud de onda que tendría el movimiento ondulatorio asociado al electrón que viene dado por:

donde v es la velocidad de la partícula y m su masa. Esta magnitud, llamada longitud de onda de De Broglie, aumenta al disminuir la velocidad, y a la inversa.Si se aplica al postulado del modelo atómico de Bohr (ver t60), que sostiene que las órbitas de los electrones en los átomos sólo pueden tener ciertos radios cuantificados, se deduce que:

Según esta fórmula, las órbitas permitidas (estacionarias) en el modelo de Bohr serían aquellas cuyo radio fuera igual a un número entero de longitudes de onda de De Broglie.

Al igual que para detectar un comportamiento ondulatorio en la luz era preciso manejar dimensiones del orden de su longitud de onda (por ejemplo, rejillas que provocaran patrones de difracción a modo de interferencias luminosas), para observar los efectos de las ondas asociadas a la materia se han de usar partículas de masa pequeñísima y que se desplacen a baja velocidad, por ejemplo, los propios electrones. En estas partículas sería posible obtener valores de la longitud de onda de De Broglie del orden de algunas décimas de nanómetro.

Ilustración gráfica de la regla de cuantificación de Bohr y la longitud de onda de De Broglie para el electrón.

19. Describir y explicar la implicaciones del principio de incertidumbre, identificar su autor y relacionar tanto con el modelo de Bohr como con el modelo actual del átomo

W. Heisenberg ( Premio Nobel de Física 1932) enunció el llamado principio de

incertidumbre o principio de indeterminación, según el cual es imposible medir

simultáneamente, y con precisión absoluta, el valor de la posición y la cantidad

de movimiento de una partícula.

Esto significa, que la precisión con que se pueden medir las cosas es limitada, y

el límite viene fijado por la constante de Planck.

: indeterminación en la posición

: indeterminación en la cantidad de movimiento

h: constante de Planck (h=6,626 · 10-34 J · s)

Es importante insistir en que la incertidumbre no se deriva de los instrumentos

de medida, sino del propio hecho de medir. Con los aparatos más precisos

imaginables, la incertidumbre en la medida continúa existiendo. Así, cuanto

mayor sea la precisión en la medida de una de estas magnitudes mayor será la

incertidumbre en la medida de la otra variable complementaria.

La posición y la cantidad de movimiento de una partícula, respecto de uno de los

ejes de coordenadas, son magnitudes complementarias sujetas a las

restricciones del principio de incertidumbre de Heisenberg. También lo son las

variaciones de energía (  E) medidas en un sistema y el tiempo, t empleado en

la medición.