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Ondas de materia. Ecuación de Schrödinger




Enviado por Pablo Turmero



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    Problemas abiertos de la física clásica a fines del
    siglo XIX Antecedentes de la mecánica cuántica
    Radiación de cuerpo negro Efecto fotoeléctrico Todo
    cuerpo a temperatura mayor a 0K emite radiación en todo el
    espectro de frecuencias. El espectro de emisión depende
    tanto de la frecuencia como de la temperatura. Un cuerpo negro
    modela un cuerpo que es capaz de absorber toda la
    radiación que incide sobre él. Luz incidente sobre
    un metal con una frecuencia mayor a cierto umbral produce una
    corriente. La corriente aparece en forma casi instantánea,
    aun para luz de muy baja intensidad. La corriente es proporcional
    a la intensidad que llega a la superficie del metal.

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    Observaciones experimentales Conforme la temperatura aumenta
    crece la potencia emitida y el pico de la distribución se
    corre hacia longitudes de onda mas cortas, del infrarrojo al
    ultravioleta. Radiación de cuerpo negroObservaciones
    experimentales (Gp:) Termografía (Gp:) Todo cuerpo con
    temperatura T >0K emite radiación.

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    Radiación de cuerpo negroPredicciones de la teoría
    clásica y la solución de Planck (Gp:)
    Predicción de la teoría clásica (Gp:) La
    teoría del electromagnetismo clásico, predice que
    un cuerpo negro ideal en equilibrio térmico debe
    emitir energía en todos los rangos de frecuencia; de
    manera que a mayor frecuencia, mayor energía. Esto da a
    lugar al fenómeno conocido como catástrofe del
    ultravioleta. Teoría de Planck (1900) (Gp:)
    Solución (Gp:) Un cuerpo negro puede emitir
    radiación en paquetes discretos o cuantos, con
    energías,que son múltiplos de la energía E =
    hfdonde h es una constante y f es la frequencia de la
    radiación. (Gp:) h = 6.62 x 10-34 Joule sec Surge
    así una nueva constante fundamental de la naturaleza, que
    determina dónde cobran relevancia los fenómenos a
    escala microscópica.

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    Efecto fotoeléctricoRatifica el concepto de
    “cuanto” que surge en la teoría de Planck
    (Gp:) Solución (Gp:) Predicción de la teoría
    clásica (Gp:) Con el electromagnetísmo
    clásico no era posible explicar la existencia de una
    frecuencia umbral ni la emisión cuasi-instantánea
    de los fotoelectrones. (Gp:) Teoría de Einstein (1905)
    (Gp:) La luz está compuesta por partículas llamadas
    fotones Así un fotón al interactuar con el
    electrón tiene una Energía E=hf . Producto de esta
    interacción la energía final del electrón
    será Ek = hf – f, donde f es la función
    trabajo del metal. Dado que el evento es una colisión, la
    emisión es instantanea y la generación de
    fotoelectrones es uno a uno con respecto a los fotones
    incidentes. (Gp:) Otras evidencias de los fotones La prolongada
    exposición a rayos UV generan cáncer de piel
    (MELANOMA) dado que la energía de los fotones UV (~ 1eV)
    está en el orden de la uniones química en las
    moléculas de nuestro ADN; no así la de su celular
    RF (~ 0.06meV) Nuestro ojo detecta colores gracias a que fotones
    de distintas energías disparan reacciones químicas
    diferentes en las células de nuestra retina.

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    La luz es una ONDÍCULACuriosidades acerca de la dualidad
    de la luz ONDÍCULA Evolución de nuestro
    conocimiento acerca de la naturaleza de la luz (Gp:)
    Teoría corpuscular de Newton (1704) (Gp:) Modelo
    corpuscular (Gp:) Fenómenos de Interferencia y
    difracción de Luz no podían ser explicados por el
    modelo corpuscular. (Gp:) Teoría ondulatoria
    Huygens,Young, Fresnel, Arago (1790) (Gp:) Teoría de EF
    (Fotón) Einstein (1905)

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    (Gp:) Longitud de onda piloto de de Broglie (Gp:) Constante de
    Planck Momento de la partícula Louis V. de Broglie
    presenta su tesis doctoral en 1923, en la que sugiere que las
    partículas con masa deberían tener propiedades
    ondulatorias similares a la luz. La longitud de onda para las
    ondas de materia se conoce como longitud de onda piloto de de
    Broglie Si la luz puede actuar como una partícula
    (Fotón) . ¿Por qué no podrán las
    partículas de materia comportarse también como
    ondas? ¿Serán ONDÍCULAS las
    partículas de materia?Hipótesis de de Broglie

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    (Gp:) Nuestro conocimiento tradicional de partícula
    referencia a algo que está “LOCALIZADO”-
    confinado en el espacio con una posición y un momento
    definido. (Gp:) Partícula (Gp:) Onda (Gp:) Nuestro
    conocimiento tradicional de una onda está relacionado con
    algo “DE-LOCALIZADO”- disperso en el espacio y el
    tiempo ¿Cómo podríamos representar tanto a
    una onda como a una partícula? (Gp:) Paquete de onda Sobre
    las ondas y las partículas Conceptos y paquete de
    onda

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    Las velocidades de las ondas individuales que se superponen para
    formar el paquete de ondas son diferentes de modo que el paquete,
    como un todo, tiene una velocidad diferente a la de sus
    componentes. Velocidad de fase (Vf): La velocidad a la
    que la fase de la onda se propaga en el espacio.
    Velocidad de grupo (Vg): La velocidad a la que la
    envolvente del paquete de ondas se propaga. Paquetes de
    onda Velocidad de fase y grupo

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    Las desigualdades de Heisenberg son una consecuencia importante
    de la dualidad onda-partícula de la materia y la
    radiación y es inherente a su naturaleza cuántica.
    Una de las desigualdades postula, que la posición y el
    momento de un objeto no están definidos con exactitud
    simultáneamente. Posición / momento Energía
    / tiempo Posición / momento y Energía /tiempo se
    conocen con el nombre de variables conjugadas Dos consecuencias
    importantes de las desigualdades de Heisenberg son: La
    trayectoria de una particula no está bien definida en el
    dominio cuántico La incerteza es inherente al dominio
    cuántico y nada tiene que ver con la interacción
    con los instrumentos de medición o la intervención
    del observador Desigualdades de Heisenberg Velocidad de fase y
    grupo

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    Interferencia de doble rendijaTrabajando con partículas y
    ondas (Gp:) Ondas (Gp:) Partículas (Gp:) Esperamos que las
    partículas pasen por la rendija (1) ó (2).
    Observamos asi un patrón que se correponde con la suma de
    las figuras de difracción

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    Patrón de Interferencia de electrones Si se mide la
    distribución de eletrones sobre una superficie detectora
    conforme pasa el tiempo, se observa un patrón de
    interferencia. Esto indica que los electrones no pudieron haber
    pasado por (1) o por (2) tal lo suponemos para una
    partícula sino que debieron pasar por (1) y (2). (Gp:) La
    hipótesis de de Broglie se cumple. ¡¡Los
    electrones son ondículas!! (Gp:) Esto fué
    verificado por Davidsson & Germer de los Bell Labs
    (1926)

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    Debemos buscar una ecuación para modelar la
    dinámica de las ondículas F=ma como consecuencia de
    las desigualdades de Heisenberg La trayectoria de una particula
    no está bien definida en el dominio cuántico (Gp:)
    Pues ¿Entonces?

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    Ecuación de onda clásica (Gp:) Ecuación de
    Onda Simetrías (Gp:) x (Gp:) -x (Gp:) Inversión
    espacial (reflexión) (Gp:) t (Gp:) -t (Gp:)
    Inversión temporal Soluciones (Gp:) Relacion de
    dispersión

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    (Gp:) Energía de una partícula en 1D En busca de
    una ecuación que describa la dinámica de las
    ondículas Solución (Gp:) Ecuación de
    Schrödinger en 1D (Gp:) Planck (Gp:) De Broglie (Gp:)
    Función compleja de variable real que representa el estado
    de la ondícula

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    La ecuación de Schrödinger dependiente de tAlgunos
    comentarios La ecuación de Schrödinger dependiente
    del tiempo describe la dinámica de una ondícula, no
    relativista (esto es con masa en reposo no nula y velocidad mucho
    menor que c) La ec. de Schrödinger dependiente del tiempo es
    una ecuación diferencial a derivadas parciales en x y t .
    A diferencia de la ecuación de onda clásica, es de
    primer orden en el tiempo. En este sentido se corresponde con la
    forma de una ecuación del tipo de difusión que
    modela un proceso irreversible. Sus soluciones son funciones
    complejas de variable real a diferencia de las correspondientes a
    la ecuación de onda clásica donde la parte real e
    imaginaria son soluciones. Ahora conocemos la ecuación que
    describe la dinámica de una partícula en 1D pero el
    precio que debemos pagar es que sus soluciones (estado de la
    ondícula) son funciones complejas de variable real (no las
    podemos medir directamente). Solución

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    Postulado (Interpretación de Born): La densidad de
    probabilidad de encontar una partícula en un
    pequeño intervalo de longitud dx entorno del un punto x en
    un tiempo t es igual a Dado que ?(x,t) es una función
    compleja de variable real. Cómo se corresponde con una
    medida fisica sobre el sistema? Recordemos que en las OEM: el
    número de fotones por unidad de volumen es proporcional
     a la energía electromagnética por
    unidad de volúmen, por lo tanto, a cuadrado de
    la intensidad del campo electromagnético. Así
    la probabilidad total de encontrar a la partícula entre
    dos posiciones a y b es (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) |?|2 (Gp:) x (Gp:)
    dx Max Born Interpretación de la función de
    ondaInterpretación de Born

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    Conservación del flujo de probabilidadOtras propiedades
    interesantes La ecuación de Schrödinger dependiente
    del tiempo admite, por ser de segundo orden, dos soluciones
    linealmente independientes. Dado que éstas son complejas
    entonces: Si es solución, , su conjugada compleja,
    también lo es. (1) (2) Notemos que es posible a partir de
    (1) y (2) construir una ecuación para el |Y(x,t)|2,
    simplemente multiplicando miembro a miembro (1) por Y* y (2) por
    Y.

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    (Gp:) Pantalla detectora (Gp:) Flujo incidente de
    partículas coherentes, o luz (Gp:) D (Gp:) ? (Gp:) y
    Término correspondiente a las
    “partículas” usuales Término de
    interferencia Reintrerpretando la interferencia de doble rendija

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