INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA
FISICA
UNIDAD No. 2”Fundamenos de la fís!a”
ACTI"IDAD #
$In%es&'a!(n de &emas”
)ULIET* GUADALU+E LARA ARGUELLES ARGUELLES
SE,ESTRE No.#
2- DE SE+TIE,BRE DEL 2
Introducción La física es más que una rama de las ciencias físicas: Es la más fundamental de la lass cien cienci cias as.. Estu Estudi diaa la natu natura rale leza za de real realid idad ades es bási básica cass como como el movimiento, las fuerzas, energía, materia, calor, sonido, luz y el interior de los átomos. 1
La química estudia la manera en que está integrada la materia, la manera en que los átomos se combinan para formar molculas y la manera en que las molculas se combinan para formas diversos tipos der materia que nos rodea. La biología biología es a un más comple!a, pues y trata de la materia materia viva así, tras la biología esta la química y tras la química esta la física. Las ideas de la física se e"tiende a estas ciencias más complicadas, por eso la física es la más fundamental de la ciencias. #odemos entender me!or la ciencia en general si antes entendemos algo de física. En esta investigación se $ablara sobre los siguientes temas relacionados con con la físi física. ca. El desa desarr rrol ollo lo mode modern rno o de la físi física ca,, teor teoría ía clási clásica ca,, teor teoría ía relativista, %eoría %eoría &uántica, %eorías de unificación de la física.
'b!etivo La física es una ciencia experimental básica cuyo desarrollo es importante para el sistema de ciencia y tecnología de cualquier país moderno, por lo que tiene una fuer fuerte te impl implan anta taci ción ón en todo todoss los los sist sistem emas as univ univer ersi sita tari rios os de los los país países es desarrollados.
2
Conocer y comprender los temas de los fundamentos de la física, dominar el uso de los métodos matemáticos más utilizados en la teoría cuántica, tener una buena comprensión de las teorías físicas más importantes, desarrollar una visión panorámica de la física actual y sus antecedentes.
(ndice esarrollo moderno de la física!!!!!!!!!!!!!. " #eoría clásica!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!$ 3
#eoría %elativista!!!!!!!!!!!!!!!!!!!.& #eoría cuántica!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!'( #eorías de unificación de la física!!!!!!!!!!!!.)) Conclusión!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!.)( *uentes de información!!!!!!!!!!!!!!!!..)+
)esarrollo moderno de la física: La física moderna comienza a principios del siglo , cuando el alemán -ax lanc/ investiga sobre el 0cuanto1 de energía. lanc/ decía que eran partículas de energía indivisibles, y que éstas no eran continuas como decía la física clásica. 4
or ello nace esta nueva rama de la física, que estudia las manifestaciones que se producen en los átomos, los comportamientos de las partículas que forman la materia y las fuerzas que las rigen. 2e conoce, generalmente, por estudiar los fenómenos que se producen a la velocidad de la luz o valores cercanos a ella, o cuyas escalas espaciales son del orden del tama3o del átomo o inferiores. Los temas anteriormente tratados de la física clásica no servían para resolver los problemas presentados, ya que estos se basan en certezas y la física moderna en probabilidades, lo que provocó dificultades para adaptarse a las nuevas ideas. 4n '56", 7lbert 4instein publicó una serie de traba8os que revolucionaron la física, principalmente representados por 0La dualidad onda9partícula de la luz1 y 0La #eoría de la %elatividad1 entre otros. 4stos y los avances científicos como el descubrimiento de la existencia de otras galaxias, la superconductividad, el estudio del n:cleo del átomo, y otros, permitieron lograr que a3os más tarde surgieran avances tecnológicos, como la invención del televisor, los rayos x, el radar, fibra óptica, el computador, etc. La misión final de la física actual es comprender la relación entre las fuerzas que rigen la naturaleza, la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Comprender y lograr una teoría de unificación, para así poder entender el universo y sus partículas. 2e divide en; La mecánica cuántica La teoría de la relatividad Casi todo lo planteado en el siglo < fue puesto en duda y al final fue remplazado durante el siglo , y de esta misma forma puede ocurrir actualmente, a medida que se produzcan resultados como en las nuevas investigaciones, y se materialicen los nuevos conocimientos que se irán adquiriendo durante este nuevo siglo. 4n '56" se publicó el primer traba8o de 4instein acerca de la relatividad, seguido en '5'$ por un segundo traba8o. Con ellos se miró a la física clásica desde un 7ngulo nuevo. La relatividad de 4instein sentó las bases para una física universal que limito la física ne=toniana clásica a situaciones que suponen velocidades considerablemente menores que la luz.
%eoría &lásica;
5
Los orígenes de la física clásica se remontan a la antig>edad. ?a en la antigua @abilonia, en el antiguo 4gipto y en la Arecia antigua se desarrollaron ciertos aspectos en el campo de la astronomía, la óptica y la mecánica 2in embargo, es en la época del renacimiento, que la física clásica tiene un desarrollo considerable especialmente en el área de la astronomía con el abandono de la teoría geocéntrica y con el advenimiento de la teoría Beliocéntrica el movimiento de los planetas alrededor del 2olD con las obras de Copérnico, Aalileo el desarrollo del telescopioD y Eepler sin embargo, la física clásica como la conocemos Boy en día se debe a 2ir
Cinemática
H
-ecánica Clásica
H
Iidrostática e Iidrodinámica
H
#ermodinámica
H
Jndas y Kptica
H 4lectricidad y -agnetismo electromagnetismoD 2e denomina física clásica a la física basada en los principios previos a la aparición de la mecánica cuántica.
6
Las partes clásicas de la física 4l Bombre poseedor de una mente investigadora, Ba tenido siempre una gran curiosidad acerca de cómo funciona la naturaleza. 7l principio sus :nicas fuentes de información sus sentidos y por ello clasifico los fenómenos observados de acuerdo a la manera en que los perciba. La luz fue relacionada con la visión y la óptica se desarrolló como una ciencia más o menos independiente asociada a ella.
1
1
7
%eoría relativista; La teoría de la relatividad incluye tanto a la teoría de la relatividad especial como la de relatividad general, formuladas por 7lbert 4instein a principios del siglo , que pretendían resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica ne=toniana y el electromagnetismo. La teoría de la relatividad especial, publicada en '56", trata de la física del movimiento de los cuerpos en ausencia de fuerzas gravitatorias, en el que se Bacían compatibles las ecuaciones de -ax=ell del electromagnetismo con una reformulación de las leyes del movimiento. La teoría de la relatividad general, publicada en '5'", es una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad ne=toniana, aunque coincide numéricamente con ella para campos gravitatorios débiles y peque3as velocidades. La teoría general se reduce a la teoría especial en ausencia de campos gravitatorios. 4l G de marzo de )6'6 fueron mostrados p:blicamente los manuscritos originales de 4instein de '56"D por parte de la 7cademia
nada está en reposo; todo en el universo se mueve y con aceleración. 4instein se dio cuenta entonces de que era necesario generalizar su teoría. PJJF7%Q#I
#mv ; #ensor de energía, que tiene que ver también con la masa en el universo / ; 4s una constante de gravitación, y / R &
PJJF7%Q#I
<2#JCEIJ#JQ#I
12
%eoría &uántica 4l modelo actual del átomo se basa en la mecánica cuántica ondulatoria, la cual está fundamentada en cuatro n:meros cuánticos, mediante los cuales puede describirse un electrón en un átomo. 4l desarrollo de está teoría durante la década de '5)6 es el resultado de las contribuciones de destacados científicos entre ellos 4instein, lanc/ '&"&9'5+GD, de @roglie, @oBr '&&"9'5$)D, 2cBrTdinger '&&G9'5$'D y Ieisenberg.. La siguiente figura muestra las modificaciones que Ba sufrido el modelo del átomo desde alton Basta 2cBrTdinger.
FU-4%J2 CMVF#
'D FU-4%J CMVF#
de
n
determina
el
volumen
efectivo. 13
F
F:mero máximo de electrones )'D R) ))D
R&
)(D
R '&
)+D
R ()
)D FU-4%J CMVF#
etermina
el subnivel y
se
relaciona
con
la forma del
orbital.
Cada nivel energético n D tiene n subniveles. 48ms. F
F:mero de subniveles contenidos en el nivel
1
1
2
2
3
3
2e designa con n:meros que van de cero a n9', los cuales se identifican con las letras s, p, d, f. 2M@F
L4#%7 n:mero asignadoD
1
l = 0
2
l l = 1
=
l
=
l l = 2
=
3
s 0s p 0s 1p d
7 continuación se muestra la forma de los + subniveles; s, p, d, f
15
Cada subnivel acepta un n:mero máximo de electrones; s p d f R '+ e9
R R R
) $ '6
e9 e9 e9
(D FU-4%J CMVF#
l
m
1
0(s)
0
2
0 1(p)
(
s
)0 -1, 0, +1
3
0 1 2(d)
( (
s p
)0 ) -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2
Cada orbital acepta un máximo de ) electrones. +D FU-4%J CMVF#
16
4N4%C
n
l
s
m
4xplicación
" " 9) Y'Q) 4n n R " l R 6,',),( y + 6 + ' 9 ) ( $ ( ) $ +
' 6 9'Q) ) 9( Y'Q) 6 6 6 ' 9' Y'Q) ' 9 ) ) ( " )
Y) 9'Q) 6 Y'Q) 9' 9' 9" Y(
Y'Q( 9'Q) ( 9'Q)
CJF*
Condensada
aD CJF4F277.9 2olo muestra el nivel, el subnivel y el n:mero de electrones. 48m;
17
%
Cada uno de los subniveles con su respectivo nivel principal de energía, tiene diferente energía. Los subniveles están ordenados de acuerdo co su incremento de energía en la siguiente lista el símbolo Z se lee menor que.D 's Z )s Z )p Z (s Z (p Z +s Z (d Z+p Z "s Z +d Z "s Z +d Z "p Z $s Z +f Z "d... 7 continuación se muestra un diagrama que representa las energías relativas de los diferentes subniveles electrónicos. Los n:meros entre paréntesis significan la cantidad máxima de electrones en el subnivel. Los subniveles s se muestran en negro, los subnivel p en ro8o, los subniveles d en azul y los f en verde.
18
A continuación se muestra un diagrama !cil de elaborar, que nos a"uda a recordar la orma en los que ni#eles " subni#eles del !tomo se #an llenando$
19
48emplos de configuraciones electrónicas condensadas F:mero de masa [ de pY Y [ de noD 'GCl; 's
, )s
, )p
,(s
, (p"
F:mero atómico %epresenta el [ de pY, y como el átomo es neutro [ pY R [e9D
20
(6Pn; 's
, )s
, )p
,(s
, (p
, +s
, (d
7 partir de la configuración electrónica condensada, nosotros podemos obtener los siguientes datos; aD Fivel de energía más externo; 4s el :ltimo nivel, por tanto está representado por el coeficiente más alto. bD Ultimo subnivel que se forma; 4s el subnivel en el cual termina la configuración. cD 4lectrones de valencia; F:mero de electrones presentes en el :ltimo nivel. 48emplo; '+2i; 's
, )s
, )p
,(s
, (p
aD Fivel de energía más externo; ( bD Ultimo subnivel que se forma; p cD 4lectrones de valencia; ) Y ) R +
)5Cu; 's
, )s
, )p
,(s
, (p
, +s
, (d
aD Fivel de energía más externo; + bD Ultimo subnivel que se forma; d cD 4lectrones de valencia; ) 4s importante observar que el nivel de energía más externo, no corresponde necesariamente al :ltimo subnivel.
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%eoría de la *nificación de la +ísica 4n lo que refiere a la unificación de fuerzas se puede decir que se Ba tratado de Bacer, en la época de Fe=ton, surge la primera unificación de *uerza la Aravitación Mniversal, un tiempo después. #odavía en la antig>edad se creía que solo tres fuerzas BabíanS la fuerza de la gravitación, la fuerza de electricidad, la fuerza del magnetismo. ero, luego de Bacer experimentos se logró la primera unificación de la electricidad y el magnetismo con ayuda de -ax=ell. 4s entonces que en el a3o '&$6, se pensó que solo Babía dos fuerzas. Iasta que el siglo de se dio un conocimiento de la estructura microscópica de la materia y se identificó como la interacción débil y la interacción fuerte. ? entonces en lugar de dos fuerzas, Babía ya aparecido cuatro fuerzas. La Aravitatoria, la 4lectromagnética, la débil y la fuerte. atos que no duro mucBo tiempo porque en los a3os $6 del siglo pasado, la teoría de \einberg92alam ganadores de premio Fobel por unificación electro9débilD demostró basado en experimentos que la electromagnética y la débil son solo una fuerza. or lo tanto, solo quedaron reconocidas tres fuerzasS la gravitatoria, la electro9débil y la fuerte. Claro que son teoría que tenemos Boy en día por que se Ban podido demostrar en base de experimentos. ero, mucBos *ísicos en la actualidad argumentan con algunas teorías que la fuerza fuerte es la misma que la electro9débil, esto sin poder demostrarlo con experimentos. Iasta que se logre demostrar esta Bipótesis se lograría una nueva unificación que los físicos llamarían las Aran Mnificación y solo quedarían dos fuerzasS la gravitatoria y la electro9magneto9fuerte9débil, sería me8or tener un nombre más simplificado en dado que surgiera la unificación.
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&onclusión La luz al llegar a una sustancia produce efectos que son de naturaleza ondulatoria interferencia, difracción, etc.D, sin embargo, al final del siglo < y a principios del siglo , ocurrió una serie de descubrimientos experimentales, fundamentalmente aquellos que involucran el comportamiento de los átomos y que no podían explicarse con la física clásica leyes de Fe=ton y la teoría ondulatoria de -ax=ellD, como el efecto fotoeléctrico Iertz en '&&GD, generación de rayos %oentgen '&5"D, el efecto Comptón Compton '5)(D y el espectro de radiación del cuerpo caliente que en '&$6 llevó a EircBBoff proponer el modelo del cuerpo negro para su explicación.4n '566 -ax lanc/ explica éste fenómeno adecuadamente, utilizando la cubanización de la energía, iniciando lo que se llamaría *ísica moderna ó *ísica Cuántica. La física moderna o física cuántica, es la rama de la física que estudia el comportamiento de las partículas teniendo en cuenta su dualidad onda9corp:sculo. 4sta dualidad es el principio fundamental de la teoría cuántica. 4l físico alemán -ax lanc/ fue quien estableció las bases de esta teoría al postular que la materia sólo puede emitir o absorber energía en peque3as unidades discretas llamadas cuantos La mecánica cuántica amplió gradualmente el conocimiento de la estructura de la materia, proporcionó una base teórica para la comprensión de la estructura atómica, y resolvió las grandes dificultades que preocupaban a los físicos en los primeros a3os del siglo .
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+uentes de Información *ernandamirandaguerrero.blogspot.mx ?ugovicBur.blogspot.mxQ)6')Q''Q))9teoria9clasica.Btml Bttps.QQes.=i/ipedia.orgQ=i/iQ#eoria]de]la]relatividad ===.batanga.comQcuriosidadesQ++))Qexplicacion9de9la9teoria9de9la9relatividad9 general9de9einstein Bttp;QQfernandamirandaguerrero.blogspot.mxQ)6')Q''Q)"9teoria9de9la9unificacion9 de9la9fisica.Btml Bttp;QQgenesis.uag.mxQedmediaQmaterialQqinoQ#(b.cfm 4nciclopedia #emática secundaria y preparatoria #omo ( *ísica Aeneral9 *redereic/ N. @uecBe *isica vol. < -ecanica *isica vol. < cuarta edición9 %obert resnic/ *isica conceptos y aplicaciones9aul 4. #ippens
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