fisica moderna

81
Física moderna 1 Física moderna Lurdes Morral Física 2n batxillerat

description

fisica moderna

Transcript of fisica moderna

Page 1: fisica moderna

Fiacutesica moderna

1

Fiacutesica moderna

Lurdes MorralFiacutesica 2n batxillerat

Fiacutesica moderna

1-Fiacutesica nuclear

2-Fiacutesica quagraventica Limitacions de la fiacutesica clagravessica

Fiacutesica nuclear

Radioactivitat

2

2-Fiacutesica quagraventica

3-Teoria de la relativitat

Limitacions de la fiacutesica clagravessica

Mecagravenica quagraventica

Massa i energia cinegravetica relativista

1-Fiacutesica nuclear

3

bullMaterials fosforescents Substagravencies que despreacutes de

ser irradiades amb llum solar o UV emeten llum

bullBecquerel al 1896 estudiava la fosforescegravencia i va

descobrir accidentalment la radioactivitat

bullThomson al 1897 mesura la relacioacute qm de lrsquoelectroacute

Becquerel

11-Histograveria de la fiacutesica nuclear

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

4

bullThomson al 1897 mesura la relacioacute qm de lrsquoelectroacute

bullMillikan al 1909 calcula la cagraverrega de lrsquoelectroacute

bullMarie i Pierre Curie al 1898 descobreixen nous

elements radioactius de major activitat el radi i el poloni

bullRutherford al 1911 estableix lrsquoexistegravencia del nucli

bullChadwick al 1932 descobreix el neutroacute

Curie

Rutherford

Chadwick

NUCLEONS

bull Nucli = Protons + NeutronsCagraverrega +e Sense cagraverrega

massa p ≃ massa n

Nordm nucleons = NOMBRE MAgraveSSIC = A

12-El nucli atogravemic

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

5

Nordm nucleons = NOMBRE MAgraveSSIC = A

Nordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z A = Z+ NNordm neutrons = N

bull NUacuteCLID = espegravecie nuclear caracteritzada per A i Z

Un nuacuteclid es representa

AZ X

ISOgraveTOPSAgravetoms que tenen igual nombre atogravemic Z perograve diferent nombre magravessic A Eacutes a dir igual nombre de protons i diferent nombre de neutrons

Isogravetops de lrsquohidrogen

12-El nucli atogravemic

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

6

1 2 31 1 1H H H

Element quiacutemic Conjunt drsquoagravetoms amb el mateix nombre atogravemic Ocupen la mateixa casella de la taula periogravedica Es representen pel mateix siacutembol i tenen igual escorccedila elegravectrica La massa eacutes un promig

Clor massa atogravemica mitjana 355 u75 Cl-3525 Cl-37

bull Les dimensions del nucli depenen del nordm magravessic Ar = r0 A13

amb r0 = 12 middot 10-15 m = 12 fermisbull Un nucli amb A nucleons tindragrave una massa M= Am(m=massa drsquoun nucleoacute)

13- Tamany i densitat del nucli

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

7

bull El volum V= 075 π ro3A

bull La seva densitat d= 3m 4πro

3

bull Com que mp ≃ mn ≃ 167 10-27 kgla densitat nuclear resultaρn = mnucliVnucli = 23 1017 kgm3

bull Unitat de longitud 1 fermi = 10-15 mbull Unitat de massa unitat de massa atogravemica (u)

ndash Es la dotzena part de lrsquoagravetom de 12Cbull En aquesta escala

14-Unitats en fiacutesica nuclear

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

8

bull m(12C) = 12 ubull mp = 1007276 ubull mn = 1008665 ubull me = 0000549 ubull 1 u = 1661 middot 10-27 kg

bull Unitat dlsquo energia 1 MeV = 106 eV1eV= 16 middot10-19J

bull En el nucli la distagravencia entre nucleons eacutes de lrsquoordre drsquoun fermi (10-15 m)

bull A aquesta distagravencia la forccedila repulsiva entre els protons

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

9

(llei de Coulomb) eacutes molt gran i la forccedila gravitatograveria eacutes despreciable

bull Per tal de que els nuclis siguin tant estables cal una nova forccedila atractiva una nova interaccioacute la interaccioacute nuclear forta

Propietats de la interaccioacute nuclear forta

bullEacutes atractiva perograve a distagravencies inferiors a 1fm eacutes repulsiva sinoacute el nucli colmiddotlapsaria

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

10

sinoacute el nucli colmiddotlapsariabullForccedila que teacute lloc entre nucleons (protons neutrons i protoacute-neutroacute)bullNo srsquoesteacuten lluny del nuclibullEacutes de curt abast uns pocs fm meacutes gran que la mida drsquoun nucleoacute Un nucleoacute nomeacutes interacciona amb els nucleons veiumlns

bull La massa M drsquoun nucli eacutes sempre menor que la suma de les masses dels nucleons aiumlllats La diferegravencia drsquoaquests valors es coneix com DEFECTE DE MASSA

∆m = Z m p + (A-Z) m n ndash Mnucli

16-Defecte de massa

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

11

Formacioacute drsquoun nucli de carboni-13 136C

Calculem la massa dels nucleons per separat

m (136C)= 6 mp + 7 mn

6 x mp = 6 x 1007 276 = 6043 656 u7 x mn = 7 x 1008 665 = 7060 655 u

m(136C)= 13104 311 u

∆m = 13104 311 ndash 13000 060 = 0104 251 u

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

17-Balanccedil de massa i energia

12

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 2: fisica moderna

Fiacutesica moderna

1-Fiacutesica nuclear

2-Fiacutesica quagraventica Limitacions de la fiacutesica clagravessica

Fiacutesica nuclear

Radioactivitat

2

2-Fiacutesica quagraventica

3-Teoria de la relativitat

Limitacions de la fiacutesica clagravessica

Mecagravenica quagraventica

Massa i energia cinegravetica relativista

1-Fiacutesica nuclear

3

bullMaterials fosforescents Substagravencies que despreacutes de

ser irradiades amb llum solar o UV emeten llum

bullBecquerel al 1896 estudiava la fosforescegravencia i va

descobrir accidentalment la radioactivitat

bullThomson al 1897 mesura la relacioacute qm de lrsquoelectroacute

Becquerel

11-Histograveria de la fiacutesica nuclear

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

4

bullThomson al 1897 mesura la relacioacute qm de lrsquoelectroacute

bullMillikan al 1909 calcula la cagraverrega de lrsquoelectroacute

bullMarie i Pierre Curie al 1898 descobreixen nous

elements radioactius de major activitat el radi i el poloni

bullRutherford al 1911 estableix lrsquoexistegravencia del nucli

bullChadwick al 1932 descobreix el neutroacute

Curie

Rutherford

Chadwick

NUCLEONS

bull Nucli = Protons + NeutronsCagraverrega +e Sense cagraverrega

massa p ≃ massa n

Nordm nucleons = NOMBRE MAgraveSSIC = A

12-El nucli atogravemic

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

5

Nordm nucleons = NOMBRE MAgraveSSIC = A

Nordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z A = Z+ NNordm neutrons = N

bull NUacuteCLID = espegravecie nuclear caracteritzada per A i Z

Un nuacuteclid es representa

AZ X

ISOgraveTOPSAgravetoms que tenen igual nombre atogravemic Z perograve diferent nombre magravessic A Eacutes a dir igual nombre de protons i diferent nombre de neutrons

Isogravetops de lrsquohidrogen

12-El nucli atogravemic

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

6

1 2 31 1 1H H H

Element quiacutemic Conjunt drsquoagravetoms amb el mateix nombre atogravemic Ocupen la mateixa casella de la taula periogravedica Es representen pel mateix siacutembol i tenen igual escorccedila elegravectrica La massa eacutes un promig

Clor massa atogravemica mitjana 355 u75 Cl-3525 Cl-37

bull Les dimensions del nucli depenen del nordm magravessic Ar = r0 A13

amb r0 = 12 middot 10-15 m = 12 fermisbull Un nucli amb A nucleons tindragrave una massa M= Am(m=massa drsquoun nucleoacute)

13- Tamany i densitat del nucli

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

7

bull El volum V= 075 π ro3A

bull La seva densitat d= 3m 4πro

3

bull Com que mp ≃ mn ≃ 167 10-27 kgla densitat nuclear resultaρn = mnucliVnucli = 23 1017 kgm3

bull Unitat de longitud 1 fermi = 10-15 mbull Unitat de massa unitat de massa atogravemica (u)

ndash Es la dotzena part de lrsquoagravetom de 12Cbull En aquesta escala

14-Unitats en fiacutesica nuclear

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

8

bull m(12C) = 12 ubull mp = 1007276 ubull mn = 1008665 ubull me = 0000549 ubull 1 u = 1661 middot 10-27 kg

bull Unitat dlsquo energia 1 MeV = 106 eV1eV= 16 middot10-19J

bull En el nucli la distagravencia entre nucleons eacutes de lrsquoordre drsquoun fermi (10-15 m)

bull A aquesta distagravencia la forccedila repulsiva entre els protons

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

9

(llei de Coulomb) eacutes molt gran i la forccedila gravitatograveria eacutes despreciable

bull Per tal de que els nuclis siguin tant estables cal una nova forccedila atractiva una nova interaccioacute la interaccioacute nuclear forta

Propietats de la interaccioacute nuclear forta

bullEacutes atractiva perograve a distagravencies inferiors a 1fm eacutes repulsiva sinoacute el nucli colmiddotlapsaria

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

10

sinoacute el nucli colmiddotlapsariabullForccedila que teacute lloc entre nucleons (protons neutrons i protoacute-neutroacute)bullNo srsquoesteacuten lluny del nuclibullEacutes de curt abast uns pocs fm meacutes gran que la mida drsquoun nucleoacute Un nucleoacute nomeacutes interacciona amb els nucleons veiumlns

bull La massa M drsquoun nucli eacutes sempre menor que la suma de les masses dels nucleons aiumlllats La diferegravencia drsquoaquests valors es coneix com DEFECTE DE MASSA

∆m = Z m p + (A-Z) m n ndash Mnucli

16-Defecte de massa

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

11

Formacioacute drsquoun nucli de carboni-13 136C

Calculem la massa dels nucleons per separat

m (136C)= 6 mp + 7 mn

6 x mp = 6 x 1007 276 = 6043 656 u7 x mn = 7 x 1008 665 = 7060 655 u

m(136C)= 13104 311 u

∆m = 13104 311 ndash 13000 060 = 0104 251 u

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

17-Balanccedil de massa i energia

12

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 3: fisica moderna

1-Fiacutesica nuclear

3

bullMaterials fosforescents Substagravencies que despreacutes de

ser irradiades amb llum solar o UV emeten llum

bullBecquerel al 1896 estudiava la fosforescegravencia i va

descobrir accidentalment la radioactivitat

bullThomson al 1897 mesura la relacioacute qm de lrsquoelectroacute

Becquerel

11-Histograveria de la fiacutesica nuclear

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

4

bullThomson al 1897 mesura la relacioacute qm de lrsquoelectroacute

bullMillikan al 1909 calcula la cagraverrega de lrsquoelectroacute

bullMarie i Pierre Curie al 1898 descobreixen nous

elements radioactius de major activitat el radi i el poloni

bullRutherford al 1911 estableix lrsquoexistegravencia del nucli

bullChadwick al 1932 descobreix el neutroacute

Curie

Rutherford

Chadwick

NUCLEONS

bull Nucli = Protons + NeutronsCagraverrega +e Sense cagraverrega

massa p ≃ massa n

Nordm nucleons = NOMBRE MAgraveSSIC = A

12-El nucli atogravemic

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

5

Nordm nucleons = NOMBRE MAgraveSSIC = A

Nordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z A = Z+ NNordm neutrons = N

bull NUacuteCLID = espegravecie nuclear caracteritzada per A i Z

Un nuacuteclid es representa

AZ X

ISOgraveTOPSAgravetoms que tenen igual nombre atogravemic Z perograve diferent nombre magravessic A Eacutes a dir igual nombre de protons i diferent nombre de neutrons

Isogravetops de lrsquohidrogen

12-El nucli atogravemic

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

6

1 2 31 1 1H H H

Element quiacutemic Conjunt drsquoagravetoms amb el mateix nombre atogravemic Ocupen la mateixa casella de la taula periogravedica Es representen pel mateix siacutembol i tenen igual escorccedila elegravectrica La massa eacutes un promig

Clor massa atogravemica mitjana 355 u75 Cl-3525 Cl-37

bull Les dimensions del nucli depenen del nordm magravessic Ar = r0 A13

amb r0 = 12 middot 10-15 m = 12 fermisbull Un nucli amb A nucleons tindragrave una massa M= Am(m=massa drsquoun nucleoacute)

13- Tamany i densitat del nucli

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

7

bull El volum V= 075 π ro3A

bull La seva densitat d= 3m 4πro

3

bull Com que mp ≃ mn ≃ 167 10-27 kgla densitat nuclear resultaρn = mnucliVnucli = 23 1017 kgm3

bull Unitat de longitud 1 fermi = 10-15 mbull Unitat de massa unitat de massa atogravemica (u)

ndash Es la dotzena part de lrsquoagravetom de 12Cbull En aquesta escala

14-Unitats en fiacutesica nuclear

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

8

bull m(12C) = 12 ubull mp = 1007276 ubull mn = 1008665 ubull me = 0000549 ubull 1 u = 1661 middot 10-27 kg

bull Unitat dlsquo energia 1 MeV = 106 eV1eV= 16 middot10-19J

bull En el nucli la distagravencia entre nucleons eacutes de lrsquoordre drsquoun fermi (10-15 m)

bull A aquesta distagravencia la forccedila repulsiva entre els protons

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

9

(llei de Coulomb) eacutes molt gran i la forccedila gravitatograveria eacutes despreciable

bull Per tal de que els nuclis siguin tant estables cal una nova forccedila atractiva una nova interaccioacute la interaccioacute nuclear forta

Propietats de la interaccioacute nuclear forta

bullEacutes atractiva perograve a distagravencies inferiors a 1fm eacutes repulsiva sinoacute el nucli colmiddotlapsaria

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

10

sinoacute el nucli colmiddotlapsariabullForccedila que teacute lloc entre nucleons (protons neutrons i protoacute-neutroacute)bullNo srsquoesteacuten lluny del nuclibullEacutes de curt abast uns pocs fm meacutes gran que la mida drsquoun nucleoacute Un nucleoacute nomeacutes interacciona amb els nucleons veiumlns

bull La massa M drsquoun nucli eacutes sempre menor que la suma de les masses dels nucleons aiumlllats La diferegravencia drsquoaquests valors es coneix com DEFECTE DE MASSA

∆m = Z m p + (A-Z) m n ndash Mnucli

16-Defecte de massa

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

11

Formacioacute drsquoun nucli de carboni-13 136C

Calculem la massa dels nucleons per separat

m (136C)= 6 mp + 7 mn

6 x mp = 6 x 1007 276 = 6043 656 u7 x mn = 7 x 1008 665 = 7060 655 u

m(136C)= 13104 311 u

∆m = 13104 311 ndash 13000 060 = 0104 251 u

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

17-Balanccedil de massa i energia

12

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 4: fisica moderna

bullMaterials fosforescents Substagravencies que despreacutes de

ser irradiades amb llum solar o UV emeten llum

bullBecquerel al 1896 estudiava la fosforescegravencia i va

descobrir accidentalment la radioactivitat

bullThomson al 1897 mesura la relacioacute qm de lrsquoelectroacute

Becquerel

11-Histograveria de la fiacutesica nuclear

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

4

bullThomson al 1897 mesura la relacioacute qm de lrsquoelectroacute

bullMillikan al 1909 calcula la cagraverrega de lrsquoelectroacute

bullMarie i Pierre Curie al 1898 descobreixen nous

elements radioactius de major activitat el radi i el poloni

bullRutherford al 1911 estableix lrsquoexistegravencia del nucli

bullChadwick al 1932 descobreix el neutroacute

Curie

Rutherford

Chadwick

NUCLEONS

bull Nucli = Protons + NeutronsCagraverrega +e Sense cagraverrega

massa p ≃ massa n

Nordm nucleons = NOMBRE MAgraveSSIC = A

12-El nucli atogravemic

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

5

Nordm nucleons = NOMBRE MAgraveSSIC = A

Nordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z A = Z+ NNordm neutrons = N

bull NUacuteCLID = espegravecie nuclear caracteritzada per A i Z

Un nuacuteclid es representa

AZ X

ISOgraveTOPSAgravetoms que tenen igual nombre atogravemic Z perograve diferent nombre magravessic A Eacutes a dir igual nombre de protons i diferent nombre de neutrons

Isogravetops de lrsquohidrogen

12-El nucli atogravemic

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

6

1 2 31 1 1H H H

Element quiacutemic Conjunt drsquoagravetoms amb el mateix nombre atogravemic Ocupen la mateixa casella de la taula periogravedica Es representen pel mateix siacutembol i tenen igual escorccedila elegravectrica La massa eacutes un promig

Clor massa atogravemica mitjana 355 u75 Cl-3525 Cl-37

bull Les dimensions del nucli depenen del nordm magravessic Ar = r0 A13

amb r0 = 12 middot 10-15 m = 12 fermisbull Un nucli amb A nucleons tindragrave una massa M= Am(m=massa drsquoun nucleoacute)

13- Tamany i densitat del nucli

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

7

bull El volum V= 075 π ro3A

bull La seva densitat d= 3m 4πro

3

bull Com que mp ≃ mn ≃ 167 10-27 kgla densitat nuclear resultaρn = mnucliVnucli = 23 1017 kgm3

bull Unitat de longitud 1 fermi = 10-15 mbull Unitat de massa unitat de massa atogravemica (u)

ndash Es la dotzena part de lrsquoagravetom de 12Cbull En aquesta escala

14-Unitats en fiacutesica nuclear

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

8

bull m(12C) = 12 ubull mp = 1007276 ubull mn = 1008665 ubull me = 0000549 ubull 1 u = 1661 middot 10-27 kg

bull Unitat dlsquo energia 1 MeV = 106 eV1eV= 16 middot10-19J

bull En el nucli la distagravencia entre nucleons eacutes de lrsquoordre drsquoun fermi (10-15 m)

bull A aquesta distagravencia la forccedila repulsiva entre els protons

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

9

(llei de Coulomb) eacutes molt gran i la forccedila gravitatograveria eacutes despreciable

bull Per tal de que els nuclis siguin tant estables cal una nova forccedila atractiva una nova interaccioacute la interaccioacute nuclear forta

Propietats de la interaccioacute nuclear forta

bullEacutes atractiva perograve a distagravencies inferiors a 1fm eacutes repulsiva sinoacute el nucli colmiddotlapsaria

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

10

sinoacute el nucli colmiddotlapsariabullForccedila que teacute lloc entre nucleons (protons neutrons i protoacute-neutroacute)bullNo srsquoesteacuten lluny del nuclibullEacutes de curt abast uns pocs fm meacutes gran que la mida drsquoun nucleoacute Un nucleoacute nomeacutes interacciona amb els nucleons veiumlns

bull La massa M drsquoun nucli eacutes sempre menor que la suma de les masses dels nucleons aiumlllats La diferegravencia drsquoaquests valors es coneix com DEFECTE DE MASSA

∆m = Z m p + (A-Z) m n ndash Mnucli

16-Defecte de massa

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

11

Formacioacute drsquoun nucli de carboni-13 136C

Calculem la massa dels nucleons per separat

m (136C)= 6 mp + 7 mn

6 x mp = 6 x 1007 276 = 6043 656 u7 x mn = 7 x 1008 665 = 7060 655 u

m(136C)= 13104 311 u

∆m = 13104 311 ndash 13000 060 = 0104 251 u

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

17-Balanccedil de massa i energia

12

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 5: fisica moderna

NUCLEONS

bull Nucli = Protons + NeutronsCagraverrega +e Sense cagraverrega

massa p ≃ massa n

Nordm nucleons = NOMBRE MAgraveSSIC = A

12-El nucli atogravemic

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

5

Nordm nucleons = NOMBRE MAgraveSSIC = A

Nordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z A = Z+ NNordm neutrons = N

bull NUacuteCLID = espegravecie nuclear caracteritzada per A i Z

Un nuacuteclid es representa

AZ X

ISOgraveTOPSAgravetoms que tenen igual nombre atogravemic Z perograve diferent nombre magravessic A Eacutes a dir igual nombre de protons i diferent nombre de neutrons

Isogravetops de lrsquohidrogen

12-El nucli atogravemic

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

6

1 2 31 1 1H H H

Element quiacutemic Conjunt drsquoagravetoms amb el mateix nombre atogravemic Ocupen la mateixa casella de la taula periogravedica Es representen pel mateix siacutembol i tenen igual escorccedila elegravectrica La massa eacutes un promig

Clor massa atogravemica mitjana 355 u75 Cl-3525 Cl-37

bull Les dimensions del nucli depenen del nordm magravessic Ar = r0 A13

amb r0 = 12 middot 10-15 m = 12 fermisbull Un nucli amb A nucleons tindragrave una massa M= Am(m=massa drsquoun nucleoacute)

13- Tamany i densitat del nucli

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

7

bull El volum V= 075 π ro3A

bull La seva densitat d= 3m 4πro

3

bull Com que mp ≃ mn ≃ 167 10-27 kgla densitat nuclear resultaρn = mnucliVnucli = 23 1017 kgm3

bull Unitat de longitud 1 fermi = 10-15 mbull Unitat de massa unitat de massa atogravemica (u)

ndash Es la dotzena part de lrsquoagravetom de 12Cbull En aquesta escala

14-Unitats en fiacutesica nuclear

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

8

bull m(12C) = 12 ubull mp = 1007276 ubull mn = 1008665 ubull me = 0000549 ubull 1 u = 1661 middot 10-27 kg

bull Unitat dlsquo energia 1 MeV = 106 eV1eV= 16 middot10-19J

bull En el nucli la distagravencia entre nucleons eacutes de lrsquoordre drsquoun fermi (10-15 m)

bull A aquesta distagravencia la forccedila repulsiva entre els protons

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

9

(llei de Coulomb) eacutes molt gran i la forccedila gravitatograveria eacutes despreciable

bull Per tal de que els nuclis siguin tant estables cal una nova forccedila atractiva una nova interaccioacute la interaccioacute nuclear forta

Propietats de la interaccioacute nuclear forta

bullEacutes atractiva perograve a distagravencies inferiors a 1fm eacutes repulsiva sinoacute el nucli colmiddotlapsaria

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

10

sinoacute el nucli colmiddotlapsariabullForccedila que teacute lloc entre nucleons (protons neutrons i protoacute-neutroacute)bullNo srsquoesteacuten lluny del nuclibullEacutes de curt abast uns pocs fm meacutes gran que la mida drsquoun nucleoacute Un nucleoacute nomeacutes interacciona amb els nucleons veiumlns

bull La massa M drsquoun nucli eacutes sempre menor que la suma de les masses dels nucleons aiumlllats La diferegravencia drsquoaquests valors es coneix com DEFECTE DE MASSA

∆m = Z m p + (A-Z) m n ndash Mnucli

16-Defecte de massa

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

11

Formacioacute drsquoun nucli de carboni-13 136C

Calculem la massa dels nucleons per separat

m (136C)= 6 mp + 7 mn

6 x mp = 6 x 1007 276 = 6043 656 u7 x mn = 7 x 1008 665 = 7060 655 u

m(136C)= 13104 311 u

∆m = 13104 311 ndash 13000 060 = 0104 251 u

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

17-Balanccedil de massa i energia

12

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 6: fisica moderna

ISOgraveTOPSAgravetoms que tenen igual nombre atogravemic Z perograve diferent nombre magravessic A Eacutes a dir igual nombre de protons i diferent nombre de neutrons

Isogravetops de lrsquohidrogen

12-El nucli atogravemic

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

6

1 2 31 1 1H H H

Element quiacutemic Conjunt drsquoagravetoms amb el mateix nombre atogravemic Ocupen la mateixa casella de la taula periogravedica Es representen pel mateix siacutembol i tenen igual escorccedila elegravectrica La massa eacutes un promig

Clor massa atogravemica mitjana 355 u75 Cl-3525 Cl-37

bull Les dimensions del nucli depenen del nordm magravessic Ar = r0 A13

amb r0 = 12 middot 10-15 m = 12 fermisbull Un nucli amb A nucleons tindragrave una massa M= Am(m=massa drsquoun nucleoacute)

13- Tamany i densitat del nucli

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

7

bull El volum V= 075 π ro3A

bull La seva densitat d= 3m 4πro

3

bull Com que mp ≃ mn ≃ 167 10-27 kgla densitat nuclear resultaρn = mnucliVnucli = 23 1017 kgm3

bull Unitat de longitud 1 fermi = 10-15 mbull Unitat de massa unitat de massa atogravemica (u)

ndash Es la dotzena part de lrsquoagravetom de 12Cbull En aquesta escala

14-Unitats en fiacutesica nuclear

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

8

bull m(12C) = 12 ubull mp = 1007276 ubull mn = 1008665 ubull me = 0000549 ubull 1 u = 1661 middot 10-27 kg

bull Unitat dlsquo energia 1 MeV = 106 eV1eV= 16 middot10-19J

bull En el nucli la distagravencia entre nucleons eacutes de lrsquoordre drsquoun fermi (10-15 m)

bull A aquesta distagravencia la forccedila repulsiva entre els protons

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

9

(llei de Coulomb) eacutes molt gran i la forccedila gravitatograveria eacutes despreciable

bull Per tal de que els nuclis siguin tant estables cal una nova forccedila atractiva una nova interaccioacute la interaccioacute nuclear forta

Propietats de la interaccioacute nuclear forta

bullEacutes atractiva perograve a distagravencies inferiors a 1fm eacutes repulsiva sinoacute el nucli colmiddotlapsaria

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

10

sinoacute el nucli colmiddotlapsariabullForccedila que teacute lloc entre nucleons (protons neutrons i protoacute-neutroacute)bullNo srsquoesteacuten lluny del nuclibullEacutes de curt abast uns pocs fm meacutes gran que la mida drsquoun nucleoacute Un nucleoacute nomeacutes interacciona amb els nucleons veiumlns

bull La massa M drsquoun nucli eacutes sempre menor que la suma de les masses dels nucleons aiumlllats La diferegravencia drsquoaquests valors es coneix com DEFECTE DE MASSA

∆m = Z m p + (A-Z) m n ndash Mnucli

16-Defecte de massa

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

11

Formacioacute drsquoun nucli de carboni-13 136C

Calculem la massa dels nucleons per separat

m (136C)= 6 mp + 7 mn

6 x mp = 6 x 1007 276 = 6043 656 u7 x mn = 7 x 1008 665 = 7060 655 u

m(136C)= 13104 311 u

∆m = 13104 311 ndash 13000 060 = 0104 251 u

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

17-Balanccedil de massa i energia

12

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 7: fisica moderna

bull Les dimensions del nucli depenen del nordm magravessic Ar = r0 A13

amb r0 = 12 middot 10-15 m = 12 fermisbull Un nucli amb A nucleons tindragrave una massa M= Am(m=massa drsquoun nucleoacute)

13- Tamany i densitat del nucli

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

7

bull El volum V= 075 π ro3A

bull La seva densitat d= 3m 4πro

3

bull Com que mp ≃ mn ≃ 167 10-27 kgla densitat nuclear resultaρn = mnucliVnucli = 23 1017 kgm3

bull Unitat de longitud 1 fermi = 10-15 mbull Unitat de massa unitat de massa atogravemica (u)

ndash Es la dotzena part de lrsquoagravetom de 12Cbull En aquesta escala

14-Unitats en fiacutesica nuclear

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

8

bull m(12C) = 12 ubull mp = 1007276 ubull mn = 1008665 ubull me = 0000549 ubull 1 u = 1661 middot 10-27 kg

bull Unitat dlsquo energia 1 MeV = 106 eV1eV= 16 middot10-19J

bull En el nucli la distagravencia entre nucleons eacutes de lrsquoordre drsquoun fermi (10-15 m)

bull A aquesta distagravencia la forccedila repulsiva entre els protons

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

9

(llei de Coulomb) eacutes molt gran i la forccedila gravitatograveria eacutes despreciable

bull Per tal de que els nuclis siguin tant estables cal una nova forccedila atractiva una nova interaccioacute la interaccioacute nuclear forta

Propietats de la interaccioacute nuclear forta

bullEacutes atractiva perograve a distagravencies inferiors a 1fm eacutes repulsiva sinoacute el nucli colmiddotlapsaria

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

10

sinoacute el nucli colmiddotlapsariabullForccedila que teacute lloc entre nucleons (protons neutrons i protoacute-neutroacute)bullNo srsquoesteacuten lluny del nuclibullEacutes de curt abast uns pocs fm meacutes gran que la mida drsquoun nucleoacute Un nucleoacute nomeacutes interacciona amb els nucleons veiumlns

bull La massa M drsquoun nucli eacutes sempre menor que la suma de les masses dels nucleons aiumlllats La diferegravencia drsquoaquests valors es coneix com DEFECTE DE MASSA

∆m = Z m p + (A-Z) m n ndash Mnucli

16-Defecte de massa

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

11

Formacioacute drsquoun nucli de carboni-13 136C

Calculem la massa dels nucleons per separat

m (136C)= 6 mp + 7 mn

6 x mp = 6 x 1007 276 = 6043 656 u7 x mn = 7 x 1008 665 = 7060 655 u

m(136C)= 13104 311 u

∆m = 13104 311 ndash 13000 060 = 0104 251 u

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

17-Balanccedil de massa i energia

12

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 8: fisica moderna

bull Unitat de longitud 1 fermi = 10-15 mbull Unitat de massa unitat de massa atogravemica (u)

ndash Es la dotzena part de lrsquoagravetom de 12Cbull En aquesta escala

14-Unitats en fiacutesica nuclear

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

8

bull m(12C) = 12 ubull mp = 1007276 ubull mn = 1008665 ubull me = 0000549 ubull 1 u = 1661 middot 10-27 kg

bull Unitat dlsquo energia 1 MeV = 106 eV1eV= 16 middot10-19J

bull En el nucli la distagravencia entre nucleons eacutes de lrsquoordre drsquoun fermi (10-15 m)

bull A aquesta distagravencia la forccedila repulsiva entre els protons

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

9

(llei de Coulomb) eacutes molt gran i la forccedila gravitatograveria eacutes despreciable

bull Per tal de que els nuclis siguin tant estables cal una nova forccedila atractiva una nova interaccioacute la interaccioacute nuclear forta

Propietats de la interaccioacute nuclear forta

bullEacutes atractiva perograve a distagravencies inferiors a 1fm eacutes repulsiva sinoacute el nucli colmiddotlapsaria

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

10

sinoacute el nucli colmiddotlapsariabullForccedila que teacute lloc entre nucleons (protons neutrons i protoacute-neutroacute)bullNo srsquoesteacuten lluny del nuclibullEacutes de curt abast uns pocs fm meacutes gran que la mida drsquoun nucleoacute Un nucleoacute nomeacutes interacciona amb els nucleons veiumlns

bull La massa M drsquoun nucli eacutes sempre menor que la suma de les masses dels nucleons aiumlllats La diferegravencia drsquoaquests valors es coneix com DEFECTE DE MASSA

∆m = Z m p + (A-Z) m n ndash Mnucli

16-Defecte de massa

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

11

Formacioacute drsquoun nucli de carboni-13 136C

Calculem la massa dels nucleons per separat

m (136C)= 6 mp + 7 mn

6 x mp = 6 x 1007 276 = 6043 656 u7 x mn = 7 x 1008 665 = 7060 655 u

m(136C)= 13104 311 u

∆m = 13104 311 ndash 13000 060 = 0104 251 u

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

17-Balanccedil de massa i energia

12

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 9: fisica moderna

bull En el nucli la distagravencia entre nucleons eacutes de lrsquoordre drsquoun fermi (10-15 m)

bull A aquesta distagravencia la forccedila repulsiva entre els protons

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

9

(llei de Coulomb) eacutes molt gran i la forccedila gravitatograveria eacutes despreciable

bull Per tal de que els nuclis siguin tant estables cal una nova forccedila atractiva una nova interaccioacute la interaccioacute nuclear forta

Propietats de la interaccioacute nuclear forta

bullEacutes atractiva perograve a distagravencies inferiors a 1fm eacutes repulsiva sinoacute el nucli colmiddotlapsaria

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

10

sinoacute el nucli colmiddotlapsariabullForccedila que teacute lloc entre nucleons (protons neutrons i protoacute-neutroacute)bullNo srsquoesteacuten lluny del nuclibullEacutes de curt abast uns pocs fm meacutes gran que la mida drsquoun nucleoacute Un nucleoacute nomeacutes interacciona amb els nucleons veiumlns

bull La massa M drsquoun nucli eacutes sempre menor que la suma de les masses dels nucleons aiumlllats La diferegravencia drsquoaquests valors es coneix com DEFECTE DE MASSA

∆m = Z m p + (A-Z) m n ndash Mnucli

16-Defecte de massa

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

11

Formacioacute drsquoun nucli de carboni-13 136C

Calculem la massa dels nucleons per separat

m (136C)= 6 mp + 7 mn

6 x mp = 6 x 1007 276 = 6043 656 u7 x mn = 7 x 1008 665 = 7060 655 u

m(136C)= 13104 311 u

∆m = 13104 311 ndash 13000 060 = 0104 251 u

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

17-Balanccedil de massa i energia

12

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 10: fisica moderna

Propietats de la interaccioacute nuclear forta

bullEacutes atractiva perograve a distagravencies inferiors a 1fm eacutes repulsiva sinoacute el nucli colmiddotlapsaria

15- La interaccioacute forta

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

10

sinoacute el nucli colmiddotlapsariabullForccedila que teacute lloc entre nucleons (protons neutrons i protoacute-neutroacute)bullNo srsquoesteacuten lluny del nuclibullEacutes de curt abast uns pocs fm meacutes gran que la mida drsquoun nucleoacute Un nucleoacute nomeacutes interacciona amb els nucleons veiumlns

bull La massa M drsquoun nucli eacutes sempre menor que la suma de les masses dels nucleons aiumlllats La diferegravencia drsquoaquests valors es coneix com DEFECTE DE MASSA

∆m = Z m p + (A-Z) m n ndash Mnucli

16-Defecte de massa

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

11

Formacioacute drsquoun nucli de carboni-13 136C

Calculem la massa dels nucleons per separat

m (136C)= 6 mp + 7 mn

6 x mp = 6 x 1007 276 = 6043 656 u7 x mn = 7 x 1008 665 = 7060 655 u

m(136C)= 13104 311 u

∆m = 13104 311 ndash 13000 060 = 0104 251 u

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

17-Balanccedil de massa i energia

12

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 11: fisica moderna

bull La massa M drsquoun nucli eacutes sempre menor que la suma de les masses dels nucleons aiumlllats La diferegravencia drsquoaquests valors es coneix com DEFECTE DE MASSA

∆m = Z m p + (A-Z) m n ndash Mnucli

16-Defecte de massa

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

11

Formacioacute drsquoun nucli de carboni-13 136C

Calculem la massa dels nucleons per separat

m (136C)= 6 mp + 7 mn

6 x mp = 6 x 1007 276 = 6043 656 u7 x mn = 7 x 1008 665 = 7060 655 u

m(136C)= 13104 311 u

∆m = 13104 311 ndash 13000 060 = 0104 251 u

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

17-Balanccedil de massa i energia

12

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 12: fisica moderna

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

17-Balanccedil de massa i energia

12

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 13: fisica moderna

17-Balanccedil de massa i energia

bullPer desfer un nucli atogravemic estable cal vegravencer les forces nuclears que el mantenen unit eacutes a dir cal fer un treball en contra drsquoaquestes forces

bullAquest treball explica lrsquoaugment drsquoenergia potencial que experimenten els nucleons doncs passen drsquouna situacioacute estable (baixa energia) a una situacioacute menys estable (nucleons separats)

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

13

bullEn formar-se un nucli hi ha disminucioacute de massa i el sistema passa a un estat de menys energia i per tant drsquoaquest proceacutes srsquoobteacute energia

bullEn disgregar-se un nucli hi ha un augment de massa Cal fer un treball exterior i el sistema augmenta drsquoenergia

Massa i energia soacuten dues formes de descriure el mat eix

Quan pugem una escala ens augmenta lrsquoenergia potencial i tambeacute la massa

E = m c2

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 14: fisica moderna

18-Energia drsquoenllaccedil nuclear

Energia drsquoenllaccedil nuclear ∆∆∆∆EEnergia que cal donar per disgregar un nucli que es relaciona amb el defecte de massa ∆m per lrsquoequacioacute drsquoEinstein

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

14

∆∆∆∆E = ∆∆∆∆m c 2

Expressant els defectes de massa en unitats de massa atogravemica (u) i les energies drsquoenllaccedil en MeV obtenim

1 u = 9313 MeV

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 15: fisica moderna

19- Energia drsquoenllaccedil per nucleoacute

Energia drsquoenllaccedil per nucleoacuteQuocient entre lrsquoenergia drsquoenllaccedil i el nombre de nucleons que posseeix

∆EA Serveix per comparar estabilitats

Com meacutes gran sigui el quocient meacutes difiacutecil seragrave trencar el nucli i per tant meacutes estable

1- EL NUCLI ATOgraveMIC

15

tant meacutes estable

bullEl ferro eacutes el nucli meacutes estable

bullEl nucli drsquoheli-4 eacutes forccedila estable

bullEls nuclis pesants es fragmenten per augmentar lrsquoestabilitat FISSIOacute

bullEls nuclis lleugers srsquouneixen FUSSIOacute

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 16: fisica moderna

21- Nuclis estables i inestables

Hi ha nuclis que soacuten inestables i es descomponen emetent partiacutecules i radiacioacute electromagnegravetica

Si representem neutrons respecte protons dels 2000 isogravetops coneguts

2- RADIOACTIVITAT

16

protons dels 2000 isogravetops coneguts obtenim la carta N-Z de nuacuteclids

Zlt20 rarr estables N= ZZgt20 rarr estables NgtZZgt80 rarr nuclis inestables

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 17: fisica moderna

22- Reaccions o transmutacions nuclears

1902 Un isogravetop del radi de manera natural va donar un altre element Hi ha un canvi en A i Z de lrsquoisogravetop inicial

α+rarr Rn22286

22688 Ra

2- RADIOACTIVITAT

17

En una reaccioacute nuclear es conserven A Z lrsquoenergia i el moment lineal

ndash El nombre magravessic A (nombre de nucleons)ndash El nombre atogravemic Z (cagraverrega elegravectrica)ndash La quantitat de moviment del sistemandash Lrsquoenergia (incloent lrsquoenergia deguda a la massa de les

partiacutecules)

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 18: fisica moderna

bull La quantitat de moviment del nucli abans de la desintegracioacute eacutes

igual a la quantitat de moviment de la partiacutecula i del nucli que

srsquoorigina

Conservacioacute de la quantitat de moviment

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

18

bull Si el nucli inicial esteacutes en repograves cosa excepcional tindriacuteem la

seguumlent situacioacute

00 vmvMvMrrr +=

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 19: fisica moderna

+ -

Nuacuteclid pare rarr nuacuteclid fill + Q

Q = (massa pare-massa fill) x c2

Si Qgt0 desintegracioacute possible(disminueix la massa)

22- Reaccions o transmutacions nuclears

2- RADIOACTIVITAT

19

Hi ha tres tipus de desintegracions radioactives

Desintegracioacute o emissioacute α (positiva i de molta massa)Desintegracioacute o emissioacute β (negativa i poca massa)Emissioacute γ (radiacioacute sense cagraverrega)

α

γ

β

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 20: fisica moderna

bull Soacuten nuclis drsquoheli Configuracioacute molt estable que conteacute dos protons i dos neutrons

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis

Emissioacute α

)(42

42 γ++++rarr minus

minus QHeYAZ

AZ X

2- RADIOACTIVITAT

20

bull Eacutes una partiacutecula relativament gran i pesada Solen donar-la els nuclis pesants (Agt200) rics en protons

bull Les partiacutecules α soacuten emeses a velocitats molt elevades (20 000 kms)

bull Pot travessar nomeacutes petites distagravencies en lrsquoaire i no pot travessar la pellhumana o un full de paper No obstant si per algun mitjagrave entren (inhalant o ingerint una substagravencia que les emeteacutes) soacuten les meacutes perjudicials (arrenquen electrons Molt ionitzants)

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 21: fisica moderna

Emissioacute β-

bullLa radiacioacute β identificada el 1899 per Rutherford estagrave formada per

electrons

bullEl nucli perd un neutroacute i guanya un protoacute A no es modifica perograve si el

nombre de protons

bullVelocitat propera a la de la llum

QeYAZ

AZ +++rarr minus+ ν0

11X

2- RADIOACTIVITAT

21

bullVelocitat propera a la de la llum

bullPoder de penetracioacute superior a la α Travessa la pell No travessa una

lagravemina drsquoalumini drsquo1 mm

Com un nucli pot emetre electrons

Un neutroacute es pot desintegrar per emissioacute β- segons

Qep +++rarr minus ν01

11

10 n

Antineutriacute partiacutecula sense cagraverrega ni massa (antipartiacutecula del neutriacute)

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 22: fisica moderna

Emissioacute β-

Per quegrave apareix lrsquoantineutriacute

bullQuan es fa el balanccedil energegravetic es veu que la suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill

2- RADIOACTIVITAT

22

suma drsquoenergies del nuacuteclid pare i del nuacuteclid fill eacutes inferior a Q

bullTambeacute a la cambra de bombolles es veu que falta moment lineal

bullCal una nova partiacutecula de massa imperceptible que porta lrsquoenergia i el moment que falten

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 23: fisica moderna

Emissioacute γ

bullLa radiacioacute γ o fotons va ser descoberta

el 1900 per Villard

bullEacutes una radiacioacute electromagnegravetica drsquouna

frequumlegravencia molt elevada (semblant als raig

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

2- RADIOACTIVITAT

23

X perograve de meacutes energia) No eacutes una

partiacutecula Acompanya a les emissions

anteriors

bullEls fotons no tenen massa ni cagraverrega per tant no afecten el balanccedil de Z i AbullMolt penetrant Pot travessar el cos humagrave No travessa una lagravemina de plom de pocs mm de gruix

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 24: fisica moderna

2- RADIOACTIVITAT

paper

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β- e01minus

n10

p11

Poder penetracioacute emissions

β01minus

24

Alumini(1 mm)

Plom(pocs mm)

Electroacute e β

Positroacute e+ β+

Alfa

e1minuse0

1+

α42 He4

2

β1minus

++ β01

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 25: fisica moderna

2- RADIOACTIVITAT

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

Dosi absorbida quantitat drsquoenergia que la radiacioacute transfereix a cada quilogram de lrsquoobjecte irradiat Unitat gray (Gy)

Depegraven debull temps drsquoexposicioacutebull flux de radiacioacute rebut (disminueix amb la distagravencia i interposant un mitjagrave absorbent)

25

mitjagrave absorbent)

Cada radiacioacute teacute un efecte diferent

Definim Dosi equivalentproducte de la dosi absorbida per un factor de qualitat Relacionada amb els efecte biologravegics Unitat sievert (Sv)

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 26: fisica moderna

2- RADIOACTIVITAT

Efectes de la radiacioacute sobre el cos

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

26

Estem exposats a uns 36 mSv a lrsquoany per radiacioacute natural

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 27: fisica moderna

2- RADIOACTIVITAT

1 rem= 001 Sv

90 mSv any

23- Efectes de la radiacioacute sobre el cos humagrave

27

Dosis equivalents per persona i any

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 28: fisica moderna

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Tot nucli inestable teacute una certa probabilitat de desintegrar-se i no depegraven del tempsNo podem predir el comportament drsquo1 sol nucli sinoacute drsquoun gran nombre drsquoagravetoms

La velocitat a la que un conjunt de nuclis es desintegren seragrave N

N λminus=∆∆

2- RADIOACTIVITAT

28

nuclis es desintegren seragrave proporcional al nombre de nuclis

Nt

λminus=∆

λ constant de desintegracioacute (s-1)

Es pot deduir a partir de cagravelculs matemagravetics la llei de desintegracioacute radioactiva

N = N0 e -λt N0 nombre de nuclis radioactius en lrsquoestat inicialN nombre de nuclis en lrsquoinstant t

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 29: fisica moderna

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Quantitat de nuclis radioactius disminueix exponencialment amb el temps

En un temps= T12 queden la meitat i en el doble de temps la meitat dels que quedaven

2- RADIOACTIVITAT

Periacuteode de semidesintegracioacute (T )

29

Periacuteode de semidesintegracioacute (T frac12)Temps que triga a desintegrar-se la meitat dels nuclis drsquouna mostra

N = N02

N = N0 e -λt Traient logaritmes tN

N λminus=0

ln Per t = T12 rarr N = N02

210

0 2ln T

N

N λminus= Aiumlllant T12

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ λ=Constant de desintegracioacute (s-1)

Probabilitat de desintegracioacute drsquoun nucli en un segon

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 30: fisica moderna

N = N0 e -λt

24- Llei de la desintegracioacute nuclear o radioactiva

Activitat (A)

Nombre de nuclis que es desintegren per unitat de temps(velocitat de desintegracioacute)

Ndt

dNActivitat λ=minus=

2- RADIOACTIVITAT

A = λN λN = λN0 e -λt

30

Unitat Bq becquerel=1desintegracioacute s

Altres unitats Curie (Ci= 37middot 1010 Bq)

A = A0 e -λt

Aplicacioacute datacioacute radioquiacutemica per 14C

M = M0 e -λt Si ens referim a massa de mostra

A eacutes proporcional al nombre de nuclis radioactius de la mostra

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 31: fisica moderna

bull En la majoria dels casos no nrsquohi ha prou amb una desintegracioacute pera que un element inestable es converteixi en un altre drsquo estable Perregla general el nou element que resulta de la desintegracioacute eacutestambeacute inestable i passat un temps meacutes o menys llarg en funcioacute delperiacuteode de semidesintegracioacutees desintegraragrave

25- Famiacutelies radioactives

2- RADIOACTIVITAT

31

bull Donaragrave un element tambeacute radioactiu i aixiacute successivament finsarribar a un element estable el plom en el cas da substagravenciesradioactives naturals

bull Segons sigui lrsquoelement original es produiran una segraverie diferent dedesintegracions sempre les mateixes Tots els elements originatsper una cascada de desintegracions fins arribar al plom formen unafamiacutelia radioactiva En la natura nrsquohi ha tres la del urani la delactini i la del tori Totes acaben en un isogravetop del plom

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 32: fisica moderna

238

92U

234

90Th

226

88Ra

222

86Rn

234

91Pa

234

92U

214

82Pb

230

90Th

218

84Po

Desintegracioacute α(Z - 2 A - 4)

238

92U

2- RADIOACTIVITAT

Famiacutelia del 25- Famiacutelies radioactives

32

88Ra

86Rn

92U

218

85At

206

81Tl

214

84Po

82Pb

210

82Pb

214

83Bi

90Th

218

86Rn

84Po

210

83Bi

210

84Po

206

82Pb

Desintegracioacute β(Z+1)

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 33: fisica moderna

26- Radioactivitat artificial

2- RADIOACTIVITAT

Crear nous elements radioactius bombardejant nuclis estables amb partiacutecules

HO 11

178

42

147 He N +rarr+

1919 Rutherford primera transmutacioacute nuclear artificial

33

Kr9236

νβ

γ

++rarr

+rarr+

minus01

23693

23692

23692

10

23592

U

n U

Np

U

1934 Fermi comenccedila a utilitzar neutrons com a projectils (en ser neutres no eren frenats pel nucli) Srsquoaconsegueixen els elements transuragravenids

1938 Hahn i Strassman bombardegen urani-235 amb neutrons esperant desintegracions β

Perograve tambeacute van trobar nuclis lleugers de i

per tant el nucli srsquohavia fragmentat Fissioacute nuclear

Ba14156

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 34: fisica moderna

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Treballs posteriors van confirmar que lrsquourani-235 en capturar un neutroacute donava urani-236 i aquest es fissionava en dos fragments lleugers Proceacutes

QnKBaU +++rarrrarr+ 1921412361235 3n U

34

QnKBaU +++rarrrarr+ 10

9236

14156

23692

10

23592 3n U

bull El nucli original es trenca en dos trossos de massa similarbull El defecte de massa eacutes important 200 MeV (en reaccions quiacutemiques asymp 1 eV)bull En els productes hi ha 3 neutrons que poden bombardejar de nou Reaccioacute en cadena

LrsquoUrani-235 nomeacutes suposa el 0rsquo72 de lrsquourani natural cal processos drsquoenriquiment

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 35: fisica moderna

27- Fissioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

80 000 000 kJ drsquoenergia per cada gram drsquourani-235 que es desintegra La fissioacute nuclear drsquo 1 g drsquo urani-235 produeix la mateixa

35

235 produeix la mateixa quantitat drsquo energia que la que produiria la combustioacute de 3400 kg de carboacute o la que produiria la explosioacute de 30000 kg de trinitrotoluegrave (TNT)

Reactors de fissioacutebull Barreres de control absorbents de neutronsbull Uacutes de moderadors limiten lrsquoenergia dels neutrons

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 36: fisica moderna

28- Fusioacute nuclear

2- RADIOACTIVITAT

Unioacute de dos nuclis lleugers drsquohidrogen (H-2 i H-3) per donar-ne un drsquoheli (He-4)

Hi ha un defecte de massa i per tant tambeacute es produeix molta energia

Cal que xoquin dos nuclis positius per aixograve cal que ho facin a velocitats molt grans i aixograve es pot produir a temperatures

36

grans i aixograve es pot produir a temperatures altes fusioacute termonuclear (Sol)

2H + 2H rarr 3H + 1H2H + 2H rarr 3He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1n2H + 3H rarr 4He + 1H

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 37: fisica moderna

2-Fiacutesica quagraventica

37

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 38: fisica moderna

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Radiacioacute del cos negre

Efecte fotoelegravectric

38

Espectres discontinus

La fiacutesica clagravessica no ho pot explicar

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 39: fisica moderna

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Lrsquoenergia electromagnegravetica que emet un cos a causa de la seva temperatura srsquoanomena radiacioacute tegravermica

La radiacioacute emesa per un cos calent eacutes una barreja de

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

39

calent eacutes una barreja de radiacions de diverses frequumlegravencies (a temperatures quotidianes la major part de lrsquoenergia srsquoemet en el rang infraroig i poc en el visible)en el visible

Com meacutes calent estagrave el cos meacutes colors emet i major eacutes la intensitat lluminosa

uarrT

En analitzar-ho amb un espectroscopi obtenim un espectre drsquoemissioacute continu

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 40: fisica moderna

bull Lrsquoespectre de dos cossos a la mateixa temperatura difereix depenent del material i de la forma que tinguin

bull Per a estudiar el problema de la radiacioacute es va escollir un cos patroacute ideal que emetia i absorbia energia amb eficiegravencia magravexima anomenat COS NEGRE

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 40

magravexima anomenat COS NEGRE

bull Consistia en una cavitat amb un petit forat per on sortia la radiacioacute a analitzar quan srsquoescalfaven les parets a una temperatura determinada Independentment del material del que estiguin fets els espectres dels cossos negres a la mateixa temperatura soacuten idegraventics

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 41: fisica moderna

Per fer que la caixa sigui una font lluminosa srsquoescalfen les seves parets fins que comencen a emetre llum

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

11-Radiacioacute tegravermica del cos negre

41

Esquema drsquoun cos negre

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 42: fisica moderna

Per a λ petites les dades experimentals no concorden amb la mecagravenica clagravessica(en disminuir λ augmenta intensitat fins un magravexim i despreacutes

Si representem la intensitat de la radiacioacute emesa a cada frequumlegravencia

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

42

fins un magravexim i despreacutes disminueix)

Aquestes corbes anomenades funcions de distribucioacute soacuten molt semblant encara que agafem diverses substagravencies Apareix el concepte de cos negre ideal (semblant al concepte de gas ideal)

A major temperatura lrsquoagraverea eacutes major i per tant la quantitat drsquoenergia radiadaA major temperatura disminueix la λ on es produeix el magravexim de radiacioacute

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 43: fisica moderna

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

43

La fiacutesica clagravessica era incapaccedil drsquoexplicar els resultats experimentals

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 44: fisica moderna

ESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTICESPECTRE ELECTROMAGNEgraveTIC

Ones de ragravedio Infraroig Ultraviolats Raigs gammaMicroones Raigs X

Llum

visible

ν

λ

44

bull Les ones electromagnegravetiques difereixen entre si en laseva frequumlegravencia i en la seva longitud drsquoona perograve toteses propaguen en el buit a la mateixa velocitat( 3sdot 108

ms)bull Les longituds drsquoona cobreixen una agravemplia gamma de

valors que es denomina espectreelectromagnegravetic

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 45: fisica moderna

E= h f h= 6rsquo625middot 10-34 J middots

Resol el problema del cos negre si suposa que un sistema oscilmiddotlant (un pegravendul o els electrons dels materials calents) no pot tenir qualsevol energiaNomeacutes pot oscilmiddotlar amb determinades energies

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

45

La mategraveria capta o emet energia en quantitats que soacuten muacuteltiples drsquoun valor miacutenim anomenat quagraventum elemental drsquoenergia E=hf

Teoria quagraventica de Planck lrsquoenergia estagrave quantitzada nomeacutes pot tenir n (nombre enter) de paquets drsquoenergia anomenats quagraventums

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 46: fisica moderna

Radiacioacute tegravermica del cos negrebull Aixiacute lrsquoenergia total emesa o absorbida per cada oscilmiddotlador harmogravenic

nomeacutes pot tenir un nombre enter n de porcions drsquoenergia E0bull Paquets drsquoenergia = quantumsbull Lrsquoequacioacute obtinguda srsquoajustava milmiddotlimegravetricament a la realitat

Idees quagraventiques de Planck

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Com lliga aixograve amb la fiacutesica clagravessica Per que et facis una idea si tinc un pegravendul oscilmiddotlant un cop per segon i el pegravendul teacute una energia de 2 Joules el seguumlent esglaoacute per damunt de 2 Joules estagrave en 20000000000000000000000000000000007 Joules No hi ha cap valor possible drsquoenergia entre aquests dos valors iexclPer suposat que no veig lrsquoesglaoacute Qualsevol tipus drsquoenergia que li pugui donar al pegravendul seragrave moltiacutessim meacutes gran que aquest valor tan petit de manera que mai podria adonar-me en el meu mon macroscogravepic de que no eacutes possible que tingui una energia intermegravedia

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 47: fisica moderna

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Si srsquoagafa un tros drsquoun metall i es fa incidir llum sobre ell a vegades la llum eacutes capaccedil drsquoarrencar electrons del metall i fer que es moguin produint aixiacute un corrent elegravectric ndashdrsquoaquiacute el nom del efecte ldquoelectricitat produiumlda amb llumrdquo

47

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 48: fisica moderna

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

48

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 49: fisica moderna

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

1-Amb radiacioacute ultraviolada de diferents intensitats els electrons surten del metall amb la mateixa velocitat La radiacioacute meacutes intensa arrenca major nombre delectrons

2- Amb llum ultraviolada encara de baixa intensitat els electrons soacuten arrencats

Fets experimentals

49

intensitat els electrons soacuten arrencats pragravecticament en forma instantagravenia encara que la fiacutesica clagravessica predeia un temps de retard fins que els agravetoms absorbissin lenergia necessagraveria per expulsar lelectroacute

3- Amb llum visible aquest fenomen no sobserva encara que saugmenti la intensitat de la llum i sillumini durant molt de temps de manera que lagravetom absorbeixi bastant energia

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 50: fisica moderna

La fiacutesica clagravessica ho explicaria aixiacute La llum transporta energia Quan la llum xoca contra el metall li transfereix energia Si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar electrons es produeix lrsquoefecte

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

Perograve aixograve no passava Si la bombeta tegravenue no era capaccedil de produir lrsquoefecte fotoelegravectric aleshores per molt que augmenteacutes la intensitat de la llum deu mil un milioacute de vegades no sortia ni un sol electroacute del metall Tambeacute passava al contrari si la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons del metall era possible

50

produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res De manera que si per exemple apunto una bombeta molt tegravenue contra una planxa de metall no es produeix efecte fotoelegravectric perograve si augmento la potegravencia de la bombeta mil vegades es produiragrave lrsquoefecte (a meacutes intensitat meacutes amplitud i per tant meacutes energia)

drsquoarrencar electrons del metall era possible disminuir la seva potegravencia tot el que es volgueacutes incluacutes un debiliacutessim raig de llum de la bombeta era capaccedil drsquoarrencar electrons ndasharrencava menys electrons que la llum potent perograve els arrencava

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 51: fisica moderna

El factor que decidia que sarrenquessin electrons era el color de la llum de la bombeta En termes meacutes tegravecnics era la frequumlegravencia de la radiacioacute

Si les fonts de llum solament poden estar en els

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

esglaons drsquoenergia que proposava Planck i quan emeten llum eacutes perquegrave perden energia la llum que emeten ha drsquoestar feta drsquoaquests ldquoesglaonsrdquo No eacutes possible emetre una quantitat arbitragraveriament petita drsquoenergia lluminosa solament es pot tenir llum ldquoen piacutendolesrdquo La llum estagrave quantitzada

A aquestes ldquopiacutendolesrdquo drsquoenergia se les va anomenar fotons

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 52: fisica moderna

Quan un drsquoaquests fotons arriba al metall i xoca amb un electroacute pot donar-li la seva energia si aquesta energia eacutes suficient per a arrencar-lo del metall es produeix lrsquoefecte fotoelegravectric i si no eacutes suficient no passa res La quumlestioacute eacutes que la interaccioacute es produeix entre un fotoacute i un electroacute ndash no entre ldquotota la llumrdquo i ldquotots els electronsrdquo perquegrave tant la llum com la mategraveria estan quantitzades

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 53: fisica moderna

bull Funcioacute de treball energia miacutenima necessagraveria per a arrencar un electroacute del metall (W) Eacutes caracteriacutestica de cada metall

bull Si lrsquoenergia del fotoacute (hf) no supera aquest valor llindar no hi ha efecte fotoelegravectric hflthf0 rarrNo hi ha efecte fotoelegravectric

bull Si el supera el fotoacute donaragrave lrsquoenergia a un agravetom del metall Una part de lrsquoenergia serviragrave per arrencar un electroacute i la resta es convertiragrave en energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

12-Efecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

W = hf0

energia cinegravetica de lrsquoelectroacute

bull La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon A major intensitat srsquoarrencaran meacutes electrons perograve no variaragrave la seva

velocitat Augmentaragrave la intensitat de corrent elegravectric

Ec= hf-W

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 54: fisica moderna

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segon

54

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 55: fisica moderna

Hertz (1887) va descobrir que en aplicar llum visible o ultraviolada sobre unes determinades superfiacutecies metagravelmiddotliques aquestes desprenien electrons

12-Efecte fotoelegravectric (ampliacioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

55

Un feix lluminoacutes colpeja el cagravetode carregat negativament Aquest pot emetre electrons (fotoelectrons) Si arriben a lrsquoagravenode produeixen un corrent al circuit exterior que es detecta amb lrsquoamperiacutemetre La intensitat seragrave proporcional al nombre drsquoelectrons arrencatsLa quantitat drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode es pot modificar

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 56: fisica moderna

Quan la tensioacute eacutes positiva en augmentar el potencial augmenta el nombre de fotoelectrons (agravenode positiuatrau electrons)

Quan la tensioacute eacutes negativa el nombre drsquoelectrons que arriben a lrsquoagravenode disminueix A un potencial V0 anomenat potencial de detencioacute cap electroacute arriba a lrsquoagravenode (agravenode negatiu electrons soacuten repelmiddotlits nomeacutes hi arriben els que tenen Ec suficient per vegravencer forces de repulsioacute)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

56

Hi ha 3 fets que no es poden explicar per la teoria electromagnegravetica clagravessica

bull Nomeacutes emissioacute si f gtfo f0= frequumlegravencia llindar progravepia de cada metallSegons teoria clagravessica srsquohauria de produir per a qualsevol f sempre que sigui prou intensa

bull Si f gtf0 el nombre drsquoelectrons emesos eacutes proporcional a la intensitat de la radiacioacute incident La seva Ec max eacutes independent de la intensitat F clas no ho explica

bull No hi ha retard entre ilmiddotluminacioacute i emissioacute

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 57: fisica moderna

Tota lrsquoenergia emesa per una font radiant estagrave quantitzada en paquets anomenats fotonsEnergia de cada fotoacute E = h f

La intensitat de la llum seragrave una mesura del nombre de fotons irradiats per segonSuposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

57

hf energia del fotoacute incidentW (treball drsquoextraccioacute o energia llindar) treball necessari perquegrave lrsquoelectroacute escapi de la xarxa del metall Caracteriacutestic de cada metall

Ec= hf-W

Suposa que perquegrave es produeixi un fotoelectroacute cal que un agravetom de la superfiacutecie del cagravetode absorbeixi lrsquoenergia que li doacutena un fotoacuteUna part de lrsquoenergia absorbida srsquoutilitza per alliberar un electroacute i lrsquoaltra es converteix en energia cinegravetica

Energia cinegravetica de lrsquoelectroacute emegraves

W = hf0

Equacioacute fotoelegravectrica drsquoEinstein

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 58: fisica moderna

W=hf0 Si f lt f 0 no es pot extreure cap electroacute

Si dupliquem intensitat de la llum dupliquem fotons i intensitat de corrent perograve no varia hf i tampoc Ec del electrons (f0 no depegraven de la intensitat de la llum incident)

No cal retard

Interpretacioacute drsquoEinstein de lrsquoefecte fotoelegravectric

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

58

No cal retard

Millikan relacioacute entre el potencial de detencioacute V0 i la frequumlegravencia de la radiacioacute incident

Per sobre f0 a major frequumlegravencia major eacutes la Ec max

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 59: fisica moderna

Mentre que la llum procedent del sol o drsquoun filament incandescent forma un espectre continu eacutes a dir compren totes les longituds drsquoones els espectres de substagravencies en estat gasoacutes soacuten discontinus

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

59

La fiacutesica clagravessica no ho explica

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 60: fisica moderna

Lrsquoespectre que srsquoobserva sobre un fons fosc estagrave format per una segraverie de ratlles brillants i eacutes caracteriacutestic de cada element

Cada ratlla correspon a una radiacioacute drsquouna determinada longitud drsquoona

Espectre de emissioacute srsquoobteacute quan un element en estat gasoacutes srsquoescalfa osrsquoexcita mitjanccedilant una descagraverrega elegravectrica a baixa pressioacute i es fa passarla radiacioacute emesa a traveacutes drsquoun prisma

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6060

Espectre drsquoemissioacute

de cada element

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 61: fisica moderna

616161

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 62: fisica moderna

Quan la radiacioacute atravessa un gas aquest absorbeix una part el resultat eacutes lrsquo espectre continu perograve amb ratlles negres on falta la radiacioacute absorbida

Espectre drsquoabsorcioacute srsquoobteacute quan es fapassar llum blanca a traveacutes drsquounamostra drsquoun gas drsquoun element a baixapressioacute i posteriorment la llum emergentes fa passar per un prisma (que separala llum en les diferents frequumlegravencies quela componen)

Tambeacute srsquoobserva que cada element absorbeix exactament les mateixes radiacions lluminoses que eacutes capaccedil drsquoemetre en excitar-lo

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

62Espectre drsquoabsorcioacute

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 63: fisica moderna

Lrsquoespectre drsquoemissioacute drsquoun element eacutes el negatiu de lrsquoespectre drsquoabsorcioacute a lafrequumlegravencia a la que en lrsquoespectre drsquoabsorcioacute hi ha una liacutenia negra en el deemissioacute hi ha una liacutenia emesa drsquoun color

13-Espectres atogravemics

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

63Espectres drsquoemissioacute i absorcioacute del Mercuri

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 64: fisica moderna

Era necessari elaborar un model drsquoagravetom que arreplegueacutes totes les idees introduiumldes per la teoria quagraventica

Bohr proposa un model de lrsquoagravetom de tipus planetari on els electrons giren al voltant

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

646464

els electrons giren al voltant del nucli en ograverbites encara que no en qualsevol ograverbita sinoacute nomeacutes en aquelles permeses

Primer postulatPrimer postulatPrimer postulatPrimer postulat

Els electrons es mouen al voltant del nucli en certes ograverbites circulars anomenades nivells energegravetics principals o nivells quagraventics pr incipals Mentre lrsquoelectroacute es mou en un mateix nivell energegravetic no absorbeix ni emet

energia Es diu que lrsquoelectroacute es troba en estat estacionari

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 65: fisica moderna

Segon postulatSegon postulatSegon postulatSegon postulat

Lrsquoenergia total drsquoun electroacute no pot tenir uns valors qualsevol sinoacute certs valors determinats permesos quantitzats

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6565

Aquests nivells energegravetics permesos corresponents a cada nivell quagraventic principal van ser calculats per BohrA cada nivell energegravetic principal li assigna un nombre enter n= 123hellip nombre quagraventic principal n=1 pel nivell meacutes progravexim al nucli amb energia meacutes baixa

Lrsquoelectroacute estagrave en el seu estat fonamental quan es troba en lrsquoestat drsquoenergia meacutes baix possibleAquest estat correspon a un agravetom estableEls altres estats energegravetics srsquoanomenen estats excitats

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 66: fisica moderna

Un electroacute pot absorbir energia i saltar a un nivell excitat Aquest estat seragrave inestable i tornaragrave a nivells drsquoenergia inferiors emetent energia radiantSrsquoanomena transicioacute electrogravenica al pas drsquoun electroacute drsquoun nivell drsquoenergia a un altre

Tercer postulatTercer postulatTercer postulatTercer postulat

Lrsquoenergia absorbida o emesa per un electroacute en fer

Model atogravemic de Bohr (1913)

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

6666

emesa per un electroacute en fer una transicioacute electrogravenica es fa de manera discontiacutenua i quantitzada El seu valor eacutes igual a la diferegravencia drsquoenergia entre els dos nivells energegravetics

ΔE = EΔE = EΔE = EΔE = Efinalfinalfinalfinal ndashndashndashndash EEEEinicial inicial inicial inicial = h= h= h= hυ

Quan un electroacute absorbeix energia electromagnegravetica passa a un nivell drsquoenergia major

Un electroacute pot caure des de un nivell a altre de menor energia emetent energia electromagnegravetica

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 67: fisica moderna

Els espectres drsquoabsorcioacute srsquooriginen quan els electrons absorbeixen lrsquoenergia dels fotons canvien de nivell drsquoenergia i apareixen ratlles negres en aquestes frequumlegravencies

1- LIMITACIONS DE LA FIacuteSICA CLAgraveSSICA

67

En canvi les ratlles brillants dels espectres drsquoemissioacutecorresponen a fotons drsquouna determinada frequumlegravencia emesos en les transicions electrograveniques de nivells de meacutes energia a menys energia drsquoagravetoms pregraveviament excitats i que es relaxen per aconseguir meacutes estabilitat

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 68: fisica moderna

No es poden conegraveixer amb total exactitud i a la vegada la posicioacute i la velocitat drsquouna partiacutecula

De Broglie suggereix que un electroacute pot mostrar propietats drsquoona La longitud drsquoona associada a una partiacutecula de massa m i velocitat vve donada per

Es fonamenta en dues hipogravetesis

bull La dualitat ona corpuscle bull Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

6868

Schroumldinger proposa el model mecagravenic ondulatori segons el qual lrsquoelectroacute es comporta com un ona que obeeix a una equacioacute quagraventica que conteacute una funcioacute drsquoona que permet calcular la probabilitat que lrsquoelectroacute es trobi en un punt donat de lrsquoespai dins de lrsquoagravetom

ve donada per

on h eacutes la constant de Planck

mvh=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 69: fisica moderna

21-Dualitat ona-corpuscle

bull Els fenogravemens que impliquen interaccioacute llum-mategraveria com lrsquoefecte fotoelegravectric i lrsquoefecte Compton srsquointerpreten sota una visioacute corpuscularbull Els fenogravemens drsquointerferegravencia i difraccioacute necessiten una interpretacioacute ondulatograveria

Una partiacutecula sense massa per exemple un fotoacute des del punt de vista relativista teacute una energia E=mc2 i a la vegada E= hf

λc

hhfmcE 2 ===c m

h=λ

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

69

Hipogravetesi de De Broglie Tant la mategraveria com la radiacioacute presenten propietats ondulatograveries i corpusculars Aixiacute lrsquoenergia E drsquoun fotoacute es relaciona amb la frequumlegravencia de lrsquoona associada al seu moviment per

I els seu moviment lineal o quantitat de moviment p es relaciona amb la longitud drsquoona de lrsquoona associada per

E=hsdot f

λ= h

p

Les magnituds corpusculars E i p es relacionen amb conceptes ondulatoris f i λ

mvh

ph ==λ Relacioacute de De Broglie (per qualsevol partiacutecula)

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 70: fisica moderna

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Tota partiacutecula amb un valor de quantitat de moviment p teacute una

ona associada la longitud drsquoona de la qual λλλλ compleix lrsquoequacioacute

h

Hipogravetesi de De Broglie

70

ph=λ

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 71: fisica moderna

21-Dualitat ona-corpuscle

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Aplicacioacute al cagravelculs de la longitud drsquoona associada

71

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 72: fisica moderna

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

Segons la fiacutesica clagravessica lrsquoerror en un mesurament es deu a la imprecisioacute de lrsquoaparell de mesura i per tant un aparell clagravessic ideal podria determinar exactament la posicioacute i la velocitat drsquoun electroacute

No eacutes possible fer-ho per un objecte quagraventic

Principi drsquoincertesa de Heisenberg

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

72

-No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor exacte de la posicioacute x i del moment lineal p drsquoun objecte quagraventic Els valors de les indeterminacions compleixen

- No eacutes possible determinar simultagraveniament el valor mesurat de lrsquoenergia E drsquoun objecte quagraventic i lrsquointerval de temps necessari per efectuar el mesurament Es compleix

Els sistemes quagraventics srsquoexpressen en termes de probabilitat

π4h

px ge∆sdot∆

π4h

tE ge∆sdot∆

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 73: fisica moderna

bull Un cotxe de 1000 kg teacute una velocitat de 10 ms mesurada amb una indeterminacioacute del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute del cotxe

ndash ∆v =1 msndash ∆x ∆p ge h2π

bull Un electroacute es mou amb una velocitat de 2middot106 ms mesurada amb una incertesa del 10 Quina eacutes la incertesa en la posicioacute de lrsquo electroacute

ndash m = 91 middot 10-31 kgndash ∆v =02 middot 106 msndash ∆x ∆p ge h2π

22-Principi drsquoincertesa de Heisenberg

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 73

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 1000 kg 1 ms =

= 1000 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 5005 middot 10-38 m

bull Aquesta incertesa en la posicioacute eacutes impossible drsquoobservar La posicioacute del cotxe es determinar amb lexactitud desitjada

ndash ∆x ∆p ge h2πndash ∆p = m ∆v = 91 middot 10-31 kg 02 middot

106 ms = 182 middot 10-34 kg ms

∆x ge (h4π) ∆p

∆x ge 25 middot 10-10 m

bull La incertesa en la posicioacute eacutes de lrsquoordre de les dimensiona atogravemiques Eacutes impossible especificar on es troba lrsquoelectroacute de lrsquoagravetom

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 74: fisica moderna

No es pot precisar amb exactitud on es troba un electroacute i nomeacutes es pot parlar de la probabilitat de trobar-lo en un punt determinat

Orbital atogravemic Regioacute de lrsquoespai al voltant del nucli de lrsquoagravetom on la probabilitat de trobar un electroacute amb una energia caracteriacutestica eacutes del 90

La probabilitat de trobar

Cada electroacute tenia una ograverbita fixada

Orbitals atogravemics

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7474

Mentre que en la teoria de Bohr cada nivell correspon a una uacutenica ograverbita ara pot haver diversos orbitals en el mateix nivell es a dir amb el mateix n

de trobar lrsquoelectroacute en una ograverbita de radi r eacutes magravexima quan r = ro

Model quagraventicModel de Bohr

una ograverbita fixada La probabilitat de trobar-lo en una ograverbita de radi ro eacutes del 100

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 75: fisica moderna

Nombres quagraventicsnombre quagraventic principal (n) nivell energianombre quagraventic secundari o azimutal (l) subnivell forma orbitalnombre quagraventic magnegravetic (m) orientacioacute orbitalnombre quagraventic drsquospin (s) spin rotacioacute electroacute

n=1

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

7575

n=2

n=3

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 76: fisica moderna

Aplicacions de la mecagravenica quagraventica

Cegravelmiddotlula fotoelegravectrica produccioacute energia elegravectrica

automatismes

Lagraveser telecomunicacions medicina discs compactes induacutestria Microscopi

electrogravenic

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 77: fisica moderna

bull Important aplicacioacute de la dualitat ona-partiacuteculaUtilitza un feix delectrons en lloc de la llum utilitzada en el microscopi ogravepticEl feix delectrons porta associada una ona la longitud dona eacutes λ= h pEls electrons sacceleren mitjanccedilant una ddp V Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

2- MECAgraveNICA QUAgraveNTICA

Microscopi electrogravenic

Federico A Vaacutezquez Domiacutenguez 77

Si V eacutes molt gran λ eacutes molt petita

Els feixos delectrons es dirigeixen i focalitzen utilitzant camps magnegravetics que formen les anomenades lents magnegravetiquesLa miacutenima distagravencia que ha dexistir entre dos punts perquegrave es vegin separats eacutes directament proporcional a la longitud dona Com la longitud dona dels electrons pot ser fins a cent mil vegades menor que la de la llum el poder de resolucioacute dun microscopi electrogravenic pot ser fins a cent mil vegades meacutes gran que el dun ograveptic

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 78: fisica moderna

3-Teoria de la relativitat

78

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 79: fisica moderna

31-Massa relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Contragraveriament al que es deia en fiacutesica clagravessica la massa dels cossos varia en funcioacute de la seva velocitat segons

2

2

1c

v

mmm 0

0

minus=sdot= γ

On mo eacutes la massa en repograves

79

2c

bullLa massa relativista m coincideix amb la massa en repograves quan el cos es mou amb una velocitat molt inferior a la de la llum vltltc

bullTendeix a lrsquoinfinit quan la velocitat srsquoaproxima a c

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 80: fisica moderna

31-Energia cinegravetica relativista

3- TEORIA DE LA RELATIVITAT

Ara cal reformular lrsquoexpressioacute de lrsquoenergia cinegravetica drsquoun cos que partint del repograves Ec=0 arriba a una velocitat progravexima a la de la llum

2o

2c cmcmE sdotminussdot= On mo eacutes la massa en repograves

i m eacutes la massa a la nova velocitat

80

i m eacutes la massa a la nova velocitat

2

2

1c

v

mm 0

minus=Energia

relativistatotal(el valor depegraven de la velocitat v del cos)

Energia en repograves

Es pot demostrar que quan un cos es mou a velocitat molt inferior a la de la llum (vltltc) la seva energia cinegravetica correspon a lrsquoexpressioacute de la fiacutesica clagravessica no relativista

2c vm

21

E sdot= vltltc

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==

Page 81: fisica moderna

Nordm nucleons(p+n) = NOMBRE MAgraveSSIC = ANordm protons = NOMBRE ATOgraveMIC = Z n(neutrons)= A-Z

Partiacutecules

Protoacute p

Neutroacute n

Electroacute e- β-

Positroacute e+ β+

Alfa

e01minus

e01+

n10

p11

α42 He4

2

β01minus

++ β01

∆E = ∆m c2

N = N0 e -λt

Einstein ∆m=defecte de massa

λ2ln

21 =T

21

2ln

T=λ

Tfrac12= Periacuteode de semidesintegracioacute

λ=Constant de desintegracioacute(s-1)

Llei desintegracioacute radioactiva

AZ X

81

A = A0 e -λtA = λNActivitat (Bq)M = M0 e -λt

Per massa

E = h f Ec= hf-W

W= hf0

Efecte fotoelegravectric

Treball drsquoextraccioacute oenergia llindar

E = P∆tEnergia transferida

fotoE

En = n= Nombre de fotons

mvh

ph ==λ

Relacioacute de De Broglie

π4h

px ge∆sdot∆

Principi incertesa Heisenberg

Massa relativista

2

2

1c

v

mm 0

minus=

Energia drsquoun fotoacute2

o2

c cmcmE sdotminussdot=Energia en repograves

λc

hhfE ==