La propuesta de Maxwell sobre la naturaleza ondulatoria de la radiación electromagnética fue útil para describir fenómenos como la interferencia, la difracción y otros fenómenos a medida que avanzaba la ciencia. Sin embargo, no pudo explicar una serie de otras observaciones, incluida la naturaleza de la emisión de radiación de los cuerpos calientes, el efecto fotoeléctrico, que es la eyección de electrones de un compuesto metálico cuando la radiación electromagnética incide sobre él, la dependencia de la capacidad calorífica de los sólidos sobre la temperatura y los espectros de líneas atómicas (especialmente el hidrógeno), que fueron explicados por la teoría cuántica de Planck, aprendamos la teoría cuántica de Planck en detalle.
La teoría cuántica de Planck
El fenómeno natural de la mecánica cuántica es la teoría cuántica de Planck. Max Planck, un físico alemán, propuso la hipótesis. Aclara la naturaleza cuántica de la energía de las ondas electromagnéticas. La naturaleza de la emisión radiada y otros fenómenos que las leyes de la mecánica clásica no podían explicar son abordados por la teoría cuántica de Planck.
Albert Einstein y Max Planck co-crearon las teorías de la física fundamental durante el siglo XX. Si la ley de Wien tenía que cumplirse en el área de alta frecuencia, se dio cuenta de que la entropía de la radiación tenía que depender matemáticamente de su fuerza. También reconoció la necesidad de confiar en una zona de baja frecuencia para los resultados de las pruebas. Planck razonó que debería combinar los dos términos de manera sencilla y convertir el resultado en una fórmula para la radiación en su rango. Como resultado, él fundó la ‘Ley de Radiación de Planck’.
Además, Planck tuvo que considerar que los osciladores que conectan un cuerpo negro y reemiten el fenómeno de la energía de atracción sobre ellos no podían absorber esta energía de manera continua, sino a diferentes velocidades, resultando en un cuanto de energía; al distribuir estadísticamente estos cuantos, cada uno contiene una cantidad de energía igual a su cantidad, además de todos los osciladores disponibles para el cuerpo negro.
Planck redescubrió la fórmula que había descubierto dos meses antes. Lo usó para probar la constante h (su resultado fue 6,55 × 10 -27 erg-segundo, que es similar al valor actual de 6,626 × 10 -27 erg-segundo). Como resultado, se le ocurrió una fórmula para calcular la energía de la radiación. En el mundo actual, la simple suposición de cuantización de Planck se reconoce como el origen de la teoría cuántica. Nuestra comprensión de los procesos atómicos y subatómicos se ha revitalizado como resultado de esta nueva perspectiva.
La energía cuántica se refiere a la cantidad más pequeña de energía que la radiación electromagnética puede liberar o absorber. Además, la cantidad de radiación absorbida o liberada es proporcional a la cantidad total de radiación.
Postulados de la teoría cuántica de Planck
Los siguientes son los postulados de la teoría cuántica de Planck:
- La energía no se irradia o libera constantemente. Pequeñas cantidades se liberan como cuantos, que son paquetes de energía.
- Cada partícula de radiación se conoce como fotón cuando toma la apariencia de la luz.
- La energía de un fotón o de un cuanto de energía es directamente proporcional a la frecuencia de la radiación. Si la constante de Planck es h, y la frecuencia de radiación es ν, juntos forman la ecuación E = hν.
- La energía cuántica es un múltiplo de un número entero, como hν, 2hν, 3hν, etc., que se utiliza para expresar la energía total de radiación.
Fórmula cuántica de Planck
La energía de la radiación se puede calcular de la siguiente manera:
La energía de cada cuanto (E) es proporcional a la frecuencia a la que ocurre,
∴ E α ν
E = hν
Dónde,
- E = energía de radiación,
- h = Constante de Planck (6,626 × 10 -34 Js),
- ν = Frecuencia de radiación.
E = hc / λ … (ν = c/λ)
Dónde,
- c = Velocidad de la luz,
- λ = Longitud de onda.
La energía total emitida o absorbida por cualquier partícula es un múltiplo entero de hν.
∴ E = nhν
Radiación electromagnética
Los rayos electromagnéticos son un tipo de energía que se puede difundir en el vacío oa través de un material medio, y se ha demostrado que tienen estructuras similares a partículas. Los rayos electromagnéticos incluyen ondas de radio, microondas, infrarrojos, luz visible, UV, X y rayos gamma. Los cambios periódicos en el campo eléctrico o magnetismo producen radiación eléctrica, también conocida como ondas eléctricas. Se crean diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético dependiendo de la frecuencia de estos cambios y la energía producida. ondas electricas Todas las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz.
Radiación de cuerpo negro
La frecuencia umbral es la frecuencia más baja utilizada para la emisión. Suponga que la luz cae con la energía de hν. El valor de ‘hν’ se emplea como energía de enlace además de la energía umbral, el resto se proporciona al electrón como energía cinética. Se observa lo siguiente:
- Cuando la frecuencia excede el límite de frecuencia, la energía cinética se usa para extraer electrones en lugar de emisión.
- No hay descarga y no se da energía cinética si la frecuencia es menor que el umbral.
El cuerpo negro es un objeto bien organizado que puede absorber cualquier radiación eléctrica con la que entre en contacto. Luego, dependiendo de su temperatura, comienza a emitir rayos calientes en un flujo constante. La radiación de un cuerpo negro se conoce como «radiación de cuerpo negro». Las estrellas se asemejan a un cuerpo negro en apariencia.
La cantidad de radiación liberada por la longitud de cada longitud de onda está determinada únicamente por la temperatura del objeto, no por ningún otro factor, como su composición química. En 1900, el filósofo alemán Max Planck proporcionó una explicación estadística. La radiación es el término utilizado por los científicos para describir esto. También usan el término radiación de ‘cuerpo negro’, que se refiere a una pieza de equipo hipotético que absorbe toda la luz y no emite nada. Longitudes de onda generales, el cuerpo negro es una bombilla de luz perfecta, sin embargo, hay una longitud de onda donde la radiación es muy poderosa.
Relación de la radiación de cuerpo negro con la ley de Planck
La temperatura y la radiación están relacionadas, según la ley de radiación de Planck. La radiación que emite un cuerpo negro en todas las longitudes de onda aumenta junto con su temperatura. La relación es proporcionada por:
B(ν, T) = (2hν 3 /c 2 ) × (1/(e hν/k b T – 1))
Dónde,
- ν = Frecuencia,
- kb = Constante de Boltzmann,
- h = constante de Planck,
- c = velocidad de la luz en el vacío.
Aplicaciones de la fórmula cuántica de Planck
La mecánica cuántica se basa en la teoría cuántica de Planck, que es la teoría más fundamental. Como resultado,
- Se puede aplicar en cualquier sector que emplee la física cuántica.
- Encuentra usos en aparatos eléctricos, medicina, computadoras cuánticas, láseres y criptografía cuántica, entre otras cosas.
Problemas de muestra
Problemas 1: dos electrones tienen longitudes de onda de 1352 angstroms y 4056 angstroms, respectivamente. Determine la relación de energía entre ellos.
Respuesta :
Ya que,
E = hc/λ
Por tanto, E es inversamente proporcional a λ. Como resultado, la relación entre la energía y la longitud de onda será la inversa.
∴ mi 1 / mi 2 = λ 2 / λ 1
∴ E 1 /E 2 = 4056/1352
∴ mi 1 / mi 2 = 3
Problemas 2: Calcular la energía asociada a una longitud de onda de 55 nm.
Respuesta :
Ya que,
E = hc/λ
∴ E = 6,63 × 10 -34 × 3 × 10 8 / 55 × 10 -9
∴ E = 19,89 × 10 -26 / 55 × 10 -9
∴ mi = 36,16 × 10 -19 J
Problemas 3: Calcular la radiación de energía con una frecuencia de radiación de 34 Hz.
Respuesta :
Ya que,
E = hν
∴ E = 6,63 × 10 -34 × 34
∴ E = 225,42 × 10 -34 J
Problemas 4: Calcular la longitud de onda cuando la energía de radiación es de 21,9 × 10 -15 J.
Respuesta :
Ya que,
E = hc/λ
∴ λ = hc/E
∴ λ = 6,63 × 10 -34 × 3 × 10 8 / 21,9 × 10 -15
∴ λ = 19,89 × 10 -26 / 21,9 × 10 -15
∴ λ = = 0.9082 × 10 -11 m
Problemas 5: Las longitudes de onda de dos electrones son 421 angstroms y 729 angstroms, respectivamente. Calcular el balance de energía entre ellos.
Respuesta :
Ya que,
E = hc/λ
Por tanto, E es inversamente proporcional a λ. Como resultado, la relación entre la energía y la longitud de onda será la inversa.
∴ mi 1 / mi 2 = λ 2 / λ 1
∴ E 1 /E 2 = 729/421
∴ mi 1 / mi 2 = 1,73
Problemas 6: Si la frecuencia de radiación es de 20 Hz, calcule la energía de radiación.
Responder:
Ya que,
E = hν
∴ E = 6,63 × 10 -34 × 20
∴ E = 132,6 × 10 -34 J
Problemas 7: Cuando la radiación de energía es 55.1 × 10 -9 J, calcule la longitud de onda.
Respuesta :
Ya que,
E = hc/λ
∴ λ = hc/E
∴ λ = 6,63 × 10 -34 × 3 × 10 8 / 55,1 × 10 -9
∴ λ = 19,89 × 10 -26 / 55,1 × 10 -9
∴ λ = = 0.3609 × 10 -17 m
Problemas 8: Determinar la energía correspondiente a una longitud de onda de 21 nm.
Responder:
Ya que,
E = hc/λ
∴ E = 6,63 × 10 -34 × 3 × 10 8 / 21 × 10 -9
∴ E = 19,89 × 10 -26 / 21 × 10 -9
∴ E = 0,9471 × 10 -17 J
Publicación traducida automáticamente
Artículo escrito por swapnilkalyani96 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA