CURSO PREUNIVERSITARIO

1. CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA CURSO PREUNIVERSITARIO FISICA MODERNA

2. El mundo antes del siglo XX S S S N N N S N N S Los cimientos de la física Mediados del Siglo XIX  Leyes de la electricidad y el magnetismo:  Leyes de la electricidad James C. Maxwell Ley de Coulomb ·Leyes del ElectroMagnetismo: Las cargas eléctricas en movimiento “ven” el campo magnético!! Las corrientes eléctricas producen campo magnético!! Ecuaciones de Maxwell: Velocidad de la luz

3. El mundo antes del siglo XX Los cimientos de la Física: Mediados del siglo XIX ·Leyes de la Electricidad James C. Maxwell

4. El mundo antes del siglo XX N S Los cimientos de la Física: Mediados del siglo XIX ·Leyes del Electro-Magnetismo James C. Maxwell

6. Antecedentes existentes del estudio de la luz Las primeras evidencias existentes acerca del estudio de la luz aparecen aproximadamente en los años 500 A.C; se consideraba a los cuerpos como los responsables de la emisión de la luz; esta luz era captada por los ojos y transmitida al alma para ser interpretada. Esta hipótesis fue desarrollada por la escuela atomista en oposición a la escuela pitagórica, quienes consideraban los ojos como emisores de una luz que palpaba los objetos. Pasaron trece siglos para que árabe Ajasen Basora (965-1039) propusiera que la luz provenía del Sol, rebotando de los objetos al ojo.

7. Modelo corpuscular de la luz Introducida inicialmente por descartes y posteriormente desarrollada por newton; La teoría corpuscular suponía que la luz era una corriente de partículas que se movían a gran velocidad y en línea recta. Para la teoría corpuscular la reflexión no es más que el rebote de las partículas sobre un cuerpo. Newton proponía que la velocidad de la luz seria mayor en medios donde la densidad fuera más alta, lo cual fue refutado por los resultados experimentales lo que obligo a abandonar esta teoría.

8. Modelo Ondulatorio de la luz la teoría ondulatoria propuesta por Huygens en el año 1678 nos describe a la luz como una onda y nos dice que la intensidad de la luz se relaciona con la amplitud onda, mientras que los colores se relacionan con la longitud de onda. Según el principio de Huygens, cuando la luz se encuentra con un obstáculo, cada punto de éste se convierte en una nueva fuente de ondas que se propagan en todas direcciones, lo que explica sin problemas la difracción. Como en la época se consideraba que todas las ondas requerían de algún medio que las transportaran, para las ondas lumínicas se postula como medio a una materia insustancial e invisible a la cual se le llamó éter.

9. Ondas Electromagnéticas Maxwell en 1865 al analizar las ecuaciones que describen las Interacciones entre campos eléctricos y magnéticos se dio cuenta de que existía una Perturbación entre ellos; cada cambio del campo eléctrico engendra en su proximidad un campo magnético, e inversamente cada variación del campo magnético origina uno eléctrico que a su vez genera un nuevo campo magnético, ambos casos perturbaciones que se propagan en el espacio a una velocidad muy cercana a la luz. A este tipo de fenómenos se les llamo ondas electromagnética. Al poco tiempo se llego a la conclusión que la luz no era más que una onda electromagnética.

10. Dualidad Onda - Partícula A pesar de los grandes avances que se lograron acerca de la naturaleza de la luz existían fenómenos q ni siquiera la teoría de las ondas electromagnéticas formulada por maxwell podía explicar; uno de ellos era el efecto fotoeléctrico que consiste en la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética.

11. ¿Cómo se diferencia entre Partícula y Onda? Así es la LUZ

12. Dualidad Onda - Partícula El efecto fotoeléctrico fue uno de los primeros efectos físicos que puso de manifiesto la dualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica. La luz se comporta como ondas pudiendo producir interferencias y difracción como en el experimento de la doble rendija de Thomas Young, pero intercambia energía de forma discreta en paquetes de energía, fotones. No solo la luz tiene una naturaleza de tipo dual todas las ondas electromagnéticas pueden verse. Debido a la evidencia experimental que mostraba a la luz con propiedades de partícula y de onda se dejo de tratar de descartar alguna y se considero a ambas como necesarias para explicar los fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas.

13. El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Hertz en 1887. Pero la explicación teórica tuvo que esperar hasta 1905 a que a Albert Einstein mostrara que este fenómeno podía explicarse fácilmente si se suponía que la luz está formada por paquetes discretos a los que llamó fotones. La energía de un fotón dependería inversamente de la longitud de onda de la luz y se relacionaba de manera directa con la constante de Planck.

14. El físico alemán Max Planckfue quien estableció las bases de esta teoría al postular que la materia sólo puede emitir energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos

18. Teoría Cuántica N. Bohr M. Planck A. Einstein P. A. M. Dirac W. Heisenberg E. Schrödinger

19. La revolución del siglo XX Aplicaciones de la mecánica cuántica Materiales semiconductores: La MICROELECTRÓNICA Circuitos impresos (Si) Diodo Walter H. Schottky Transistor

20. La revolución del siglo XX Aplicaciones de la mecánica cuántica OPTOELECTRÓNICA LED’s Tubos fluorescentes Azul (GaN) U.V (Si) RGB Ventajas: Bajo consumo y alta eficiencia Iluminación: Conseguir luz blanca Iluminación de ciudades Láseres Investigación Códigos de barras Metrología Telecomunicaciones Medicina Sustitución de bombillas y tubos fluorescentes

21. La revolución del siglo XX Aplicaciones de la mecánica cuántica Células solares Energías renovables Investigación espacial

22. Física actual Cosmología moderna ¿De qué está hecho el universo? ¿Materia oscura? ¿¿Energía oscura?? ¡No sabemos qué es el 96% del universo!

23. Física actual El origen de la masa ¿Qué es la masa? Newton Einstein “Los cuánticos” La masa es una propiedad de las partículas Pero ahora pensamos otra cosa… La masa es un efecto de la interacción con una partícula… EL BOSÓN DE HIGGS Nadie lo ha visto todavía… Peter Higgs

24. Física actual El origen de la masa El LHC The Large Hadron Collider (LHC) Detectores gigantescos 27 km de longitud

25. El Gran Colisionador de Hadrones ( LHC ) es considerado como "uno de los grandes hitos de la ingeniería de la humanidad". [ 1 ] Fue construido por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) de 1998 a 2008, con el objetivo de permitir a los físicos para poner a prueba las predicciones de diferentes teorías de la física de partículas y la física de alta energía , y sobre todo probar o refutar la existencia de la teoría de Higgs partículas [ 2 ] y de la gran familia de nuevas partículas predichas por supersimétrica teorías . [ 3 ] La partícula de Higgs fue confirmada por los datos del LHC en 2013. Se espera que el LHC para abordar algunas de las cuestiones sin resolver de la física , promoción de la comprensión humana de las leyes físicas . Contiene siete detectores cada uno diseñado para tipos específicos de exploración. El LHC fue construido en colaboración con más de 10.000 científicos e ingenieros de más de 100 países, así como cientos de universidades y laboratorios. [ 4 ] Se encuentra en un túnel de 27 kilómetros (17 millas) de circunferencia, a una profundidad de 175 metros (574 pies) por debajo de la frontera franco-suiza cerca de Ginebra , Suiza .

26. Física actual El origen de la masa El LHC Millones de partículas producidas ¡La relatividad en funcionamiento! Instalaciones subterráneas

27. Física actual El origen de la masa El LHC La máquina más grande del mundo (27 km de longitud – 8,5 km de diámetro) Temperaturas extremadamente bajas (1.9 K = - 271ºC) El experimento más caro de la historia (6000 millones de euros) ¡Y se ha puesto en marcha en 09/2008

28. Física actual El origen de la masa El LHC

29. La mecánica cuántica amplió gradualmente el conocimiento de la estructura de la materia, proporcionó una base teórica para la comprensión de la estructura atómica, yresolvió las grandes dificultades que preocupaban a los físicos en los primeros años del siglo XX tales como: • El espectro de radiación de los cuerpos calientes (Kirchhoff 1860) • Radiación de los cuerpos negros • El efecto fotoeléctrico (Hertz 1887) • La generación de rayos X (Roentgen 1895). • El efecto Compton

30. RADIACION DEL CUERPO NEGRO

31. Gustav Kirchhoff

32. La ley de Kirchhoff establece que un cuerpo que es buen emisor de energía es también buen absorbedor de dicha energía. Así, los cuerpos de color negro son buenos absorbedores y el cuerpo negro es un cuerpo ideal, no existente en la naturaleza, que absorbe toda la energía Un cuerpo negro a mayor temperatura emite mayor cantidad de radiación y a longitudes de onda más cortas mientras que un cuerpo a menor temperatura emite poca intensidad en longitudes de onda largas.

33. Stefan Boltzman

34. La ley de Stefan-Boltzmann establece que un cuerpo negroemiteradiación térmica con una potencia emisiva hemisférica total (W/m²) proporcional a la cuarta potencia de su temperatura:

35. Ley de Stefan Boltzmann 1.- La intensidad total de la radiación (área bajo la curva) es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura.

36. W. Wien

37. La ley del desplazamiento de Wien Formulada en 1893 por el físico alemán Wilhelm Wien, expresa de manera cuantitativa el hecho empírico mediante el cual el pico o máximo de emisión en el espectro de un cuerpo negro se desplaza hacia longitudes de onda más cortas (frecuencias mayores) a medida que aumenta la temperatura

38. Ley de Wien La longitud de onda para la cual la intensidad es máxima sufre un corrimiento al violeta cuando la temperatura aumenta . Especifica que hay una relación inversa entre la longitud de onda en la que se produce el pico de emisión de un cuerpo negro y su temperatura.

40. Raleigh

41. Los físicos lord Rayleigh (1842-1919) y James Jeans (1877-1946) interesados en encontrar una ecuación que pudiera explicar el comportamiento de la radiación del cuerpo negro, apoyados en la introducción de la mecánica a la teoría electromagnética y a la mecánica estadística clásica, se vieron en un dilema cuando dicha fórmula predice que el cuerpo negro presentaría un espectro que está en total desacuerdo con los hechos experimentales.

42. Entre 1900 y 1905 lord Rayleigh y James Jeans generaron un cálculo decisivo para definir la densidad de energía en función de la frecuencia. “Era elegante, se deducía de manera lógica a partir de las teorías conocidas… y predecía que un cuerpo negro debería emitir una energía infinita”. A partir del razonamiento termodinámico, pudieron explicar la forma de la curva para frecuencias pequeñas; Wilhelm Wien, físico interesado también en el problema del denominado cuerpo negro, hizo lo mismo para frecuencias grandes, aunque ninguno de los tres, Rayleigh-Jeans y Wien, pudo obtener la forma completa de la curva.

43. Graficas Teóricas y Experimentales

44. Debido a que dicha curva a partir de la fórmula de Rayleigh- Jeans no se ajustaba para longitudes de onda cortas, la fórmula teórica era inadmisible. Esto representaba un problema real, la incongruente contradicción con la experiencia a que condujo la estadística clásica, llevó a los contemporáneos a llamar a la situación que así se producía "catástrofe ultravioleta", pues la divergencia se producía para pequeñas longitudes de onda, en la región ultravioleta. Históricamente fue éste el primer caso bien estudiado de completa inadecuación de los conceptos clásicos.

45. La catástrofe ultravioleta, término sugestivo a la importancia de la falla y al inconveniente de los ámbitos académicos, al comprobar cómo un problema se resistía al cálculo más poderoso de la física. Algo faltaba, la salida a tan nombrada contradicción debía buscarse por fuera de las leyes de física clásica, pero ¿en donde?, ¿como? y ¿quien?

46. Ley de Lord Rayleigh Lord Rayleigh presento un calculo clásico para la energía radiada. Predecía que un cuerpo negro debería emitir una energía infinita "catástrofe ultravioleta”"

47. Planck

48. Max Planck A principios del siglo XX, los físicos aún no reconocían claramente que éstas y otras dificultades de la física estaban relacionadas entre sí. El primer avance que llevó a la solución de aquellas dificultades fue la introducción por parte de Planck del concepto de cuanto, como resultado de los estudios de la radiación del cuerpo negro realizados por los físicos en los últimos años del siglo XIX. La interpolación matemática de las ecuaciones de Wien y Rayleigh fue una de las contribuciones mas importantes a la física

49. Cuerpo Negro Un objeto ideal que absorbe toda la radiación que llega a su superficie se llama “cuerpo negro”. Un cuerpo negro es también un emisor perfecto de radiación y emite la máxima cantidad de energía a cualquier temperatura Para determinar con precisión la radiación térmica se elige el cuerpo negro

50. Ley de Max Planck Max Planck diseño una formula para que describiera las curvas reales obtenidas experimentales La energía irradiada por unidad de área, por unidad de tiempo y por intervalo de longitud de onda, emitida por un cuerpo negro, se llama radiancia (R)