RADIACION DE UN CUERPO NEGRO

Equipo 5: Blanca, Noeemyy, Rubí y Nestor. Tema: Teoría cuántica: radiación de un cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico.

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Radiación de un cuerpo negro

El término radiación se refiere a la emisión continua de energía desde la superficie de cualquier cuerpo, esta energía se denomina radiante y es transportada por las ondas electromagnéticas que viajan en el vacío a la velocidad de 3·10⁸ m/s . Las ondas de radio, las radiaciones infrarrojas, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma, constituyen las distintas regiones del espectro electromagnético.

• Propiedades de la superficie de un cuerpo

Sobre la superficie de un cuerpo incide constantemente energía radiante, tanto desde el interior como desde el exterior, la que incide desde el exterior procede de los objetos que rodean al cuerpo. Cuando la energía radiante incide sobre la superficie una parte se refleja y la otra parte se transmite. Consideremos la energía radiante que incide desde el exterior sobre la superficie del cuerpo. Si la superficie es lisa y pulimentada, como la de un espejo, la mayor parte de la energía incidente se refleja, el resto atraviesa la superficie del cuerpo y es absorbido por sus átomos o moléculas.

Si r es la proporción de energía radiante que se refleja, y a la proporción que se absorbe, se debe de cumplir que r+a=1.

La misma proporción r de la energía radiante que incide desde el interior se refleja hacia dentro, y se transmite la proporción a=1-r que se propaga hacia afuera y se denomina por tanto, energía radiante emitida por la superficie.

En la figura, se muestra el comportamiento de la superficie de un cuerpo que refleja una pequeña parte de la energía incidente. Las anchuras de las distintas bandas corresponden a cantidades relativas de energía radiante incidente, reflejada y transmitida a través de la superficie.

Comparando ambas figuras, vemos que un buen absorbedor de radiación es un buen emisor, y un mal absorbedor es un mal emisor. También podemos decir, que un buen reflector es un mal emisor, y un mal reflector es un buen emisor.

• Cuerpo negro

La superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el interior es emitida.

No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1% de la energía incidente.

Sin embargo, un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximación por una cavidad con una pequeña abertura. La energía radiante incidente a través de la abertura, es absorbida por las paredes en múltiples reflexiones y solamente una mínima proporción escapa a través de la abertura. Podemos por tanto decir, que toda la energía incidente es absorbida.

Efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética. A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:

• Foto conductividad: es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo XIX.
• Efecto foto voltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.

Sus características esenciales son:

• Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.

• La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones.

• Descripción

Sea f la energía mínima necesaria para que un electrón escape del metal. Si el electrón absorbe una energía E, la diferencia E-f, será la energía cinética del electrón emitido.

Einstein explicó las características del efecto fotoeléctrico, suponiendo que cada electrón absorbía un cuanto de radiación o fotón. La energía de un fotón se obtiene multiplicando la constante h de Planck por la frecuencia f de la radiación electromagnética.

E=hf

Si la energía del fotón E, es menor que la energía de arranque f, no hay emisión fotoeléctrica. En caso contrario, si hay emisión y el electrón sale del metal con una energía cinética E_k igual a E-f.

Por otra parte, cuando la placa de área S se ilumina con cierta intensidad I, absorbe una energía en la unidad de tiempo proporcional a IS, basta dividir dicha energía entre la cantidad hf para obtener el número de fotones que inciden sobre la placa en la unidad de tiempo. Como cada electrón emitido toma la energía de un único fotón, concluimos que el número de electrones emitidos en la unidad de tiempo es proporcional a la intensidad de la luz que ilumina la placa

MASA Y ENERGIA

Equipo 4: Eduardo Gpe, Edgar Eduardo y Eric Eduardo. Tema: Masa y Energía relativista.

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Masa y Energía relativista:

La masa es una de las magnitudes fundamentales de la física.
La masa de una estrella De hecho, muchos fenómenos de la naturaleza están, directa o indirectamente, asociados al concepto de masa.
La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza.
La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.

Un primer acercamiento al concepto de masa se puede expresar al decir que “masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo”.

La energía total relativista (E) es una propiedad de todo sistema físico, masivo o no masivo, cuyo valor aumenta (disminuye) cuando se le entrega (quita) energía por cualquier proceso, y toma el valor cero sólo cuando el sistema se aniquila (desaparece). En consecuencia, para un determinado sistema de referencia inercial, su valor depende del estado del sistema físico y sólo será constante si el sistema físico está aislado. Resulta evidente, además, que la magnitud Energía total es relativa al sistema de referencia.

Tanto la visión de Newton como la de Einstein se basaron en una descripción física y matemática de la Realidad. Ahora bien, si Newton partía de los cuerpos (del qué, de la materia como primordialidad), Einstein puso su atención, sobre todo, en los fenómenos, a los que dedicó los primeros Postulados de la relatividad especial.

FISICA RELATIVISTA RELATIVIDAD GALILEANA Y ECUECION DE LORENTZ-FITZGERALD

Equipo 3: Guillermo, Irving R. y Roberto. Tema: Física relativista: relatividad galileana y ecuación de Lorentz-Fitzgerald

http://dl.dropbox.com/u/41022376/MOV00050.3gpFisica relativista.

Las ecuaciones del electromagnetismo exhiben caracteristicas novedosas respecto a la fisica newtoniana. La fuerza de Lorentz, debido al termino q~u ^ ~B depende del sistema inercial desde donde se observa el fenomeno. Asi mismo, en las ecuaciones de Maxwell aparece una constante con dimensiones de velocidad, c. Como se demuestra en la seccion relativa a ondas electromagneticas, c es la velocidad de propagacion de dichas ondas en el vacio. Es obvio que esta velocidad, analizada desde el punto de vista prerelativista, debe depender del sistema de referencia inercial. Esto esta en contra del un Principio de Relatividad (PR) asumido por la fisica clasica: Cualquier fenomeno obedece leyes iguales en todos los triedros inerciales. Como vemos, la leyes del electromagnetismo parecen sugerir la existencia de un triedro de referencia especial , el eter, con lo que se viola el (PR). Sin embargo, la evidencia experimental indica que tal eter no existe, y en consecuencia c es un valor universal independiente del triedro inercial de referencia. El Principio de Relatividad de Einstein22 (PRE) indica que se cumplen ambos, el (PR) y que c es constante para todo sistema inercial. Esto modifica las relaciones entre distancias e intervalos de tiempos, entre otras, con respecto a la fisica prerelativista.

El principio de la relatividad galileana establece que:

‘Dos sistemas de referencia en movimiento relativo de traslación rectilínea uniforme son equivalentes desde el punto de vista mecánico; es decir, los experimentos mecánicos se desarrollan de igual manera en ambos, y las leyes de la mecánica son las mismas.’

POLARIZACION Y RADIACION LASER

Equipo 2: César, Daniela, Itsel y Brenda G.


 Polarización y radiación láser:

 
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Polarización de la luz

Las ondas luminosas no suelen estar polarizadas, de forma que la vibración electromagnética se produce en todos los planos. La luz que vibra en un solo plano se llama luz polarizada.

Supongamos un dispositivo experi mental consistente en dos polarizadores superpuestos (polarizador y analizador), de forma que un haz de luz los atraviese, y que uno de ellos puede girar respecto del otro, que permanece estático. La intensidad luminosa transmitida por el sistema variará con el ángulo de giro, de tal manera que pasará por dos puntos de máxima luminosidad separados 180º, con dos puntos de oscuridad total a 90º de los anteriores. Entre estos extremos la intensidad va creciendo y decreciendo paulatinamente, según los casos.

Este fenómeno de polarización solo se da con ondas transversales, pero no con longitudinales, ya que implica una asimetría respecto del eje en la dirección de propagación. Si se demuestra que un haz luminoso puede ser polarizado, llegaremos a la conclusión de que las ondas luminosas son transversales.

La luz emitida por un manantial está constituida por una serie de trenes de ondas procedentes de átomos distintos; en cada uno de estos trenes de ondas el campo eléctrico oscila en un plano determinado pero, en general, su orientación es distinta de unos a otros. Dado el enorme número de moléculas y átomos de un manantial luminoso, se comprende el gran número de trenes de ondas que constituye un haz de luz y, por consiguiente, la existencia en éste de ondas polarizadas en todas las direcciones transversales posibles.

Veamos algunos casos en los que se produce polarización de la luz.

Polarización por reflexión.

Sabemos que si sobre una superficie reflectora incide luz natural parte de la luz se refleja y parte se refracta. Malus descubrió en 1808 que si hacemos incidir una luz sobre una superficie pulimentada de vidrio con un ángulo de incidencia i de 57º aproximadamente, la luz reflejada está polarizada, siendo el plano de vibración perpendicular al plano de incidencia de los rayos. Si el ángulo de incidencia no es de 57º habrá también polarización pero será menor a medida que el rayo incidente vaya siendo mayor o menor que dicho ángulo.

Más tarde Brewster descubrió que si el rayo reflejado y el refractado forman entre si un ángulo de 90º, el ángulo de incidencia es precisamente el ángulo de polarización. El ángulo de polarización depende del índice de refracción "n" del medio.

En el caso del vidrio, que acabamos de ver, el ángulo es aproximadamente 57º. Hay que señalar también que para este ángulo, el rayo refractado está polarizado parcialmente, coincidiendo su plano de vibración con el de incidencia, mientras que el rayo reflejado está completamente polarizado.

Polarización por doble refracción.

Hay determinados cristales que tienen la propiedad de la doble refracción, es decir, el rayo incidente se desdobla en dos en el interior del cristal (espato de islandia, turmalina), uno de ellos llamado ordinario y que sigue las leyes de la refracción y otro llamado extraordinario que no las sigue.

Este tipo de cristal permite obtener luz polarizada partiendo de la luz natural, siempre que logremos eliminar a la salida uno de los rayos emergentes. Esto se puede conseguir con un prisma de Nicol, constituido por un cristal de espato de Islandia al que se le han cortado las caras externas de manera que el ángulo de 71º pase a ser de 68º, después se corta la diagonal, obteniéndose dos prismas que se pegan con bálsamo de Canadá, cuyo índice de refracción está entre el indice de refracción del rayo ordinario y el del extraordinario. En estas condiciones el rayo ordinario sufre reflexión total al llegar a la lámina de bálsamo de Canadá, mientras que el extraordinario se refracta en el bálsamo y se transmite a través del segundo prisma.

Radiación laser

§La palabra LÁSER es un acrónimo de la expresión inglesa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (luz amplificada por emisión estimulada de radiación).

§Las aplicaciones de la radiación láser superan cualquier expectativa
y ya constituyen herramientas insustituibles
en las investigaciones científicas, la industria y la medicina.

 

 

§La radiación láser es la radiación electromagnética emitida por un producto láser en el intervalo de longitudes de onda comprendido entre 180 nm y 1 mm, que es radiada como resultado de la emisión estimulada de luz.

§

§El intervalo de longitudes de onda comprendidas entre 180 nm y 1 mm, engloba a la radiación ultravioleta, la radiación visible y la radiación infrarroja en la secuencia siguiente:

180 - 400 nm - ultravioleta

400 - 700 nm - visible

700 nm - 1 mm - infrarrojo

El nivel de radiación láser al que las personas pueden estar expuestas en circunstancias normales, sin sufrir efectos adversos, se denomina exposición máxima permisible (EMP). Los niveles de EMP representan el nivel máximo al cual el ojo o la piel pueden resultar expuestos sin sufrir los daños derivados de la exposición ni inmediatamente ni después de un período largo de tiempo, estando tales niveles relacionados con la longitud de onda de la radiación, la duración del  impulso o el tiempo de exposición, el tejido expuesto al riesgo y el tamaño de la imagen sobre la retina.

DIFRACCION Y TEORIA CUANTICA DE LA LUZ

Equipo 1: Ramón, Ramiro, Irving E. y Noé. 

 Difracción y teoría cuántica de la luz.

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Difracción:

La difracción es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser deben finalmente divergir en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor.

Teoria cuantica de la Luz:

Max Planck, Es el “padre de la cuántica”. Planck dedujo la hipótesis de la discontinuidad de la energía y en el año de 1900 Planck descubre los cuantos y formula la teoría que lo haría famoso, y que daría nacimiento a un campo desconocido hasta entonces, la Mecánica Cuántica, la cual da una nueva y muy especial forma de ver los fenómenos físicos.

La teoría cuántica básicamente nos dice que la luz no llega de una manera continua, sino que está compuesta por pequeños paquetes de energía, a los que llamamos cuantos. Estos cuantos de energía se llaman fotones. Toda luz que nos llega viene por pequeños paquetes, no es continua.

Los fotones son las partículas “fundamentales” de la luz, así como los electrones son las partículas fundamentales de la materia, esta analogía es la que sirvió para realizar el descubrimiento del carácter cuántico de la luz. Por esta misma analogía, años después, de Broglie desarrolló la teoría que formula que la materia también tiene un carácter ondulatorio. La carga eléctrica y la energía tienen una estructura granular (está formada por cuantos), al igual que la materia.