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UNIVERSIDAD NACIONAL NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA PROTOCOLO DEL CURSO: 401588 – FÍSICA CUÁNTICA

FÍSICA CUÁNTICA

PROTOCOLO ACADÉMICO

ANGELO ALBANO REYES CARVAJAL

UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA T ECNOLOGÍA E INGENIERÍA ABRIL DE 2012

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD


1. IDENTIFICACIÓN DEL CURSO ACADÉMICO

Nombre del curso: Palabras Clave:

Ficha técnica

Institución: Ciudad: Autor del protocolo académico: Año: Unidad Académica: Campo de formación: rea del conocimiento: Créditos académicos:

Tipo de curso: Destinatarios:

Competencia general de aprendizaje:

Metodología de oferta: Formato de circulación: Denominación de las unidades:

Física Cuántica La constante de Planck, modelos atómicos, la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo. Universidad Nacional Abierta y a Distancia Neiva (Huila) Angelo Albano Reyes Carvajal 2012 Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Básica Disciplinar Ciencias Físicas Dos (2) créditos académicos. Estos corresponden a 96 horas de trabajo académico: 72 horas promedio de estudio independiente y 24 horas promedio de acompañamiento tutorial Teórico Estudiantes del programa de pregrado en Química de la Universidad Nacional Abierta y a Distancia. El estudiante comprende y aplica los fundamentos de la Física Cuántica en el análisis y estudio de casos y situaciones específicos donde su pertinencia adquiera una relevancia significativa. A Distancia Documentos impresos en papel, Web, CD-ROM. Unidad 1. Fundamentos de física cuántica Unidad 2. Ecuación de Schrödinger



2. INTRODUCCIÓN El curso de Física Cuántica se encuentra bajo los parámetros o lineamientos institucionales establecidos por la Universidad Nacional Abierta y a Distancia, este curso es de fundamentación teórica, consta de dos (2) créditos académicos. El campo de formación es teórico y es de carácter básico esencial en la formación de futuros profesionales. El propósito del curso de Física Cuántica es que el estudiante se apropie de manera significativa de los elementos básicos y teóricos de la Cuántica y que este pueda desarrollar competencias apropiadas para contextualizarlos en su campo de formación disciplinar. La física cuántica es la rama de la física que se encarga de estudiar el comportamiento de la materia a nivel atómico y de la energía. Nace a mediados del siglo XX y se ha considerado como uno de los grandes avances de la humanidad puesto que ha permitido diversos desarrollos tecnológicos entre ellos los transistores que se encuentran en casi todos los dispositivos electrónicos que han facilitado el vivir del ser humano. En este sentido y dada la importancia que ha tenido esta rama de la física en el desarrollo tecnológico, el curso hace aportes significativos al desarrollo de competencias necesarias del estudiante en cuanto a la abstracción, el análisis, la síntesis, la investigación, la deducción e inducción, etc. Este curso académico consta de dos unidades didácticas. En la primera unidad se introducen las nociones básicas o fenómenos físicos introductorios a la Física Cuántica de los cuales se destacan capítulos como Radiación Cuántica, Partículas y Ondas, y Postulado de Luis de Broglie. En la segunda unidad se desarrollan los conceptos fundamentales de la cuántica y para ello se han destinado tres capítulos La ecuación de Schrödinger I, La ecuación de Schrödinger II y Algunas aplicaciones de la Ecuación de Schrödinger. A través del curso académico de Física Cuántica se dinamizan procesos de resignificación cognitiva y fortalecimiento del pensamiento analítico, mediante la articulación de los fundamentos teóricos a la identificación de núcleos problémicos en el campo de la formación disciplinar. El proceso formativo del estudiante en el curso de Cuántica se lleva a cabo mediante el desarrollo de actividades de aprendizaje tipificadas como el acompañamiento tutorial y el estudio independiente. Cabe resaltar que el estudio independiente se entiende como todas las actividades que el estudiante desarrolla en forma complementaria e individual y/o las actividades de trabajo en pequeños grupos colaborativos. Ahora bien, el acompañamiento tutorial comprende las



tutorías de carácter individual, tutorías en pequeños grupos colaborativos y tutorías en grupo de curso. En este proceso formativo es necesario que el estudiante asuma con compromiso y gran responsabilidad su gestión académica con el propósito de cumplir con todas las actividades formativas que se establecen a lo largo del curso para el logro de los objetivos del curso. La evaluación del curso se encuentra enmarcada dentro de tres criterios o lineamientos institucionales los cuales son la auto evaluación, la coevaluación y la heteroevaluación. En ellos el estudiante da cuenta del alcance de los propósitos que tiene cada una de las unidades didácticas, donde debe asumir con responsabilidad el papel del aprendizaje autónomo y autorregulado. El fortalecimiento de los procesos de aprendizajes se realiza mediantes las interactividades pedagógicas que surgen a lo largo del curso entre los que participan de él. Dichas interactividades conllevan a evaluar la pertinencia de los contenidos desarrollados y a la apropiación por parte del estudiante de los conceptos que se han establecido. Es necesario que el estudiante asuma una actitud dinámica en el uso de las tecnologías de la información y comunicación (TIC´s) como herramienta de apoyo a su proceso de aprendizaje. Por tal motivo el curso de Física Cuántica articulará a su desarrollo actividades donde se haga uso eficiente de las TIC´s como búsquedas, actividades sincrónicas y asincrónicas en búsqueda de la orientación al estudiante ya sea de manera individual o en pequeño grupo colaborativo. En este curso es de suma importancia la consulta de las diferentes referencias bibliográficas que se portan en el curso, en búsqueda del fortalecimiento investigativo de los estudiantes. Es por ello, que el estudiante no solamente debe apropiarse de las referencias dadas si no que debe ampliar dichas referencias en búsqueda de la resignificación cognitiva.



3. JUSTIFICACIÓN. El curso de Física Cuántica posee diferentes elementos que son de gran importancia para la solución e investigación de diversos problemas en diferentes campos de la ciencia, ya que provee al estudiante las herramientas necesarias para posibilitarlo. De tal manera, éste es pertinente para la formación en diferentes disciplinas y destacando entre ellas la química, ya que posibilita y facilita el desempeño futuro del profesional en diversos campos de aplicación ya sea en lo laboral como en lo académico. La formación en las diferentes ramas de la física ya sea por la necesidad imperativa de tenerla o por la satisfacción individual de disfrutarla, tiene una dinámica significativa en el individuo ya que posibilita el mejoramiento y el afianzamiento de las diversas competencias como la cognitiva, la comunicativa, contextual, cultural y valorativa, entre otras. En muchos casos la complejidad de los conceptos físicos y matemáticos que nos rodean en especial en las teorías existentes a nivel atómico, generan situaciones conflictivas y traumáticas en el estudiante por los resultados adversos que en ocasiones pueden obtener. Por tal motivo, las estrategias pedagógicas generadas en el curso contribuyen al logro de aprendizajes significativos, generando espacios dinámicos que conlleven a cambiar la percepción equivocada sobre la funcionalidad y aplicabilidad de la física en especial de la Cuántica en diferentes contextos de la formación disciplinar. Los conceptos que se desarrollan en el curso de Física Cuántica posibilitan al estudiante desarrollar y desplegar toda su capacidad interpretativa de conceptos y contextos para llevarlos a su campo de actuación. Además, la metodología desarrollada a lo largo del curso busca siempre la dinámica de interactividad entre los partícipes, a través de los medios y las mediaciones orientados a facilitar el proceso de aprendizaje significativo del estudiante, basándose en el trabajo académico de acompañamiento tutorial y del estudio independiente. Para facilitar dicho proceso de aprendizaje el curso se basa en las fases de reconocimiento, profundización y transferencia. En resumen, lo anteriormente nombrado es motivo para divisar la necesidad de generar un cambio de actitud frente a la obligación de adquirir conceptos en la física, para que ésta no sea de obligatoriedad sino de necesidad en busca del éxito laboral, académico y profesional del futuro egresado de la UNAD.



4. INTENCIONALIDADES FORMATIVAS. PROPÓSITOS 1. Fortalecer en el individuo o estudiante los fundamentos teóricos que permitan una construcción y estructuración solida del funcionamiento o comportamiento de los sistemas o partículas a nivel atómico, mediante el análisis pertinente de diversas situaciones que conllevan a mejorar las diversas competencias del estudiante. 2. Lograr que el estudiante se apropie de las bases o teorías de la física cuántica, generando en el un espíritu investigativo y de esta forma contribuir a la resignificación del conocimiento. 3. Conseguir que el estudiante adquiera los fundamentos necesarios de la física cuántica para la explicación de fenómenos naturales y que los logren aplicar en sus contextos de desempeño laboral, académico y/o investigativo.

OBJETIVO GENERAL Proveer al estudiante de los conceptos principales de la Física Cuántica, de tal manera, que frente al constante avance de la ciencia y la tecnología el estudiante pueda abordar los diferentes retos que se imponen hoy en día en ese campo de una manera adecuada y eficiente.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Que el estudiante reconozca y aplique los fundamentos de la Física Cuántica en la explicación de fenómenos naturales y los lleve al contexto profesional, a través del estudio y análisis de diferentes referencias documentales y situaciones particulares de la física.



2. Que es estudiante aplique las bases de la cuántica para la explicación de fenómenos naturales aparentemente extraños. 3. Que el estudiante resuelva con propiedad los diferentes tipos de Ecuaciones de Schrödinger para diferentes fenómenos físicos. 4. Que el estudiante comprenda el comportamiento físico de las partículas o sistemas a nivel atómico. 5. Que el estudiante avizore de la importancia de la Cuántica y la influencia que ha tenido en los desarrollos tecnológicos.

METAS DE APRENDIZAJE Al finalizar este curso académico: 1. El estudiante resolverá la ecuación de Schrödinger de diferentes sistemas atómicos, a partir del análisis de diferentes situaciones física donde evidencie la comprensión de los fundamentos desarrollados en ele curso. 2. El estudiante explicará diferentes fenómenos físicos utilizando la Física Cuántica, a través de la presentación de un informe personal de trabajo como resultado del estudio y análisis de los conceptos desarrollados. 3. El estudiante evidenciará la compresión de los fenómenos introductorios a la cuántica por medio del desarrollo de ejercicios planteados para solucionarlos de forma grupal a través de un informe. 4. El estudiante deberá presentar un informe de investigación de las diferentes aplicaciones que ha tenido la cuántica utilizado de forma responsable las referencias documentales.



COMPETENCIAS 1. El estudiante comprenderá y aplicará de forma clara y pertinente los conceptos principales de la Física Cuántica en la explicación de fenómenos naturales, a través del análisis e interpretación de diferentes situaciones. 2. El estudiante podrá dar solución a la Ecuación de Schrödinger a partir del análisis de diferentes sistemas físicos dados, para comprender su funcionamiento y/o comportamiento a nivel atómico.



5. UNIDADES DIDÁCTICAS La siguiente tabla presenta el contenido del curso:

Primera Unidad

Capítulos

Lecciones 1. Física Clásica vs Física Cuántica 2. Radiación Térmica 3. La radiación de cuerpo negro

Capitulo 1. Radiación Cuántica

4. Ley del desplazamiento de Wien. 5. Ley de Stefan-Boltzmann 6. Ley de Rayleigh y Jeans 7. La solución Final. Hipótesis de Planck de la cavidad.

FUNDAMENTOS DE

8. El Postulado de Planck.

FÍSICA CUÁNTICA

9. Emisión electrónica 10. El efecto fotoeléctrico 11. El efecto Compton Capitulo 2. Partículas y ondas

12. La naturaleza dual de la radiación electromagnética 13. Rayos X. 14. Producción y aniquilación de pares



15. Ondas de materia 16. Dualidad onda – partícula 17. Principio de incertidumbre Capitulo 3. Postulado de Louis de Broglie y el modelo atómico de Bohr

18. El modelo atómico de Thomson 19. El modelo atómico de Rutherford. 20. Espectros atómicos 21. Modelo de Bohr 22. El principio de correspondencia

Unidad

Capítulos

Lecciones 23. Introducción a la Ecuación de Schrödinger 24. Deducción de la Ecuación de Schrödinger

Capitulo 4. La Ecuación de Schrödinger I

ECUACIÓN DE SCHRÖDINGER

25. Densidad de Probabilidad 26. La ecuación de Schrödinger independiente del tiempo 27. Cuantización de la Energía en la teoría de Schrödinger

Capítulo 5. La ecuación de Schrödinger II

28. El Hamiltoniano y operadores. 29. Valores Promedio o esperados. 30. El potencial cero



31. El potencial Escalón. 32. La barrera de potencial 33. Potencial de pozo cuadrado Capitulo 6. Algunas aplicaciones de la Ecuación de Schrödinger

34. Potencial de pozo cuadrado infinito 35. El potencial del oscilador armónico simple 36. Átomos con un electrón 37. Ecuación de Schrödinger tridimensional. 38. Separación de variables para la ecuación de Schrödinger tridimensional y estacionaria. 39. Solución de las ecuaciones (azimutal, polar y radial, para átomos con un solo electrón)



6. CONTEXTO TEÓRICO. El curso de Física Cuántica tipificado como de fundamentación teórica, es proyectado como facilitador y mediador de los principios fundamentales que dinamizan esta rama de la física para que sea contextualizarlo en diversas disciplinas de formación profesional que oferta la UNAD. Este curso además, promueve el desarrollo de habilidades y competencias del estudiantes en campos de formación como el disciplinar, cultural, humanístico, profesional e investigativo. En la primera unidad del curso se abordan los elementos básicos y necesarios para el entendimiento de la Física Cuántica, en donde se traen conceptos y cantidades físicas necesarias para afrontar la unidad 2. Una vez entendido algunos fenómenos físicos se afronta la segunda unidad donde se explica el comportamiento de las partículas a nivel atómico proporcionado por la teoría cuántica que da explicación a dicho fenómeno, mediante la solución de la Ecuación de Schrödinger de diversos sistemas físicos.



7. METODOLOGÍA. El curso de Física Cuántica se encuentra bajo los parámetros o lineamientos institucionales sobre créditos académico, medios y mediaciones e interactividades pedagógicas. EL trabajo académico a seguir se encuentra basado en dos criterios o pilares los cuales son: el aprendizaje autónomo y al acompañamiento tutorial. Dentro del aprendizaje autónomo se tendrá como eje principal al estudiante, que es el actor educativo. Este estudio independiente es esencial en la modalidad de estudio que se desarrollo en la UNAD, este se desarrolla a través del trabajo personal y del trabajo en pequeños grupos colaborativos de aprendizaje, es de recordar la importancia que tiene esta forma de aprendizaje, puesto que por cada crédito académico es necesario que el estudiante dedique en promedio 32 hora de estudio independiente, que para el curso seria un promedio de 64 horas de dedicación. El Trabajo Personal anteriormente

nombrado es la base del aprendizaje, donde es necesario que el estudiante tome actitudes responsables de estudio frente a las diferentes instancias de estudio como lo son el módulo, las lecturas complementarias, las consultas en las bibliotecas, la búsqueda de información en la web, el desarrollo de actividades planteadas a lo largo del curso, la presentación de actividades evaluativas y los ejercicios de autoevaluación. EL trabajo en pequeños grupos colaborativos de aprendizaje que

hace parte del aprendizaje autónomo hace referencia al trabajo que se pueda desarrollar como su nombre lo dice en equipo, donde se socializa el desarrollo individual de cada integrante para construir conocimiento que finalmente termina en un informe de carácter grupal. Esta interactividad se realiza utilizando las diferentes herramientas proporcionadas por las TIC´s de manera asincrónica o sincrónica como el chat, las wiki, los correos, los foros, etc. Como se nombro anteriormente el segundo pilar es el acompañamiento tutorial que al igual que el anterior se puede describir en tres fases, como los son la tutorial individual, tutoría a pequeños grupos colaborativos y tutorías en grupo de curso. La tutoría individual es

el acompañamiento que se le hace al estudiante de forma personalizada orientada a mejorar el aprendizaje del estudiante, sobre actividades como los contenidos temáticos, el desarrollo de los métodos propuestos, el uso de las tecnologías, las actividades evaluativas, orientado a mejorar el proceso de aprendizaje.



es el seguimiento que le hace el tutor a las actividades que desarrollan los pequeños grupos, este seguimiento se realiza revisando los informes, analizando los métodos, técnicas y herramientas utilizada en los trabajos, para de esta forma mejorar el aprendizaje de los estudiantes. Dentro de este acompañamiento se hace uso de herramientas propiciadas por las TIC´s como los foros, el chat, el correo, etc. La tutoría a pequeños grupos colaborativos

La tutoría en grupo de curso

es el espacio donde los estudiantes son los encargados de dinamizar el proceso de aprendizaje, puesto que ellos proponen la reflexión y discusión de aquellos temas que han significado un grado alto de complejidad en ellos. Con este acompañamiento se espera que el estudiante después de cada encuentro depure todas las dudas surgidas a partir de su aprendizaje autónomo y/o colaborativo.



8. SISTEMA DE EVALUACIÓN Dentro del aprendizaje del estudiante uno de los procesos más difíciles de desarrollar es la evaluación, debido al carácter de subjetividad que lleva inmerso. Basándose en los lineamientos que la UNAD ha establecido para dicho fin, se presentan tres momentos complementarios que se definen como: auto evaluación, coevaluación y heteroevaluación. En primer lugar la auto evaluación es el proceso que lleva a cabo el estudiante, donde es él el encargado de revisar y reflexionar de una manera autocrítica y responsable los procesos de aprendizaje y productos del proyecto de aprendizaje que esta llevando a cabo. Uno de los resultados de la autoevaluación es que el estudiante identifique los progresos alcanzados, al igual que las dificultades y necesidades presentadas a lo largo de las etapas de aprendizaje. La coevaluación se

desarrolla dentro del interior del pequeño grupo colaborativo y el principal propósito es valorar tanto los procesos como los productos de aprendizaje de una manera honesta y responsable entre los integrantes del grupo. En este proceso o etapa se desarrollan, elaboran y construyen productos que evidencian el cumplimiento del proceso formativo tales como informes de actividades, resúmenes, talleres, investigación, etc., que son evaluados para medir la pertinencia del proceso formativo. La heteroevaluación tiene

como principal propósito verificar la adquisición de competencias y logros de aprendizaje. Para el curso la heteroevaluación se encuentra dividida en dos fases la primera corresponde a la nota del 60% del valor de la nota definitiva en la cual se evalúan o se tienen en cuenta las fases de aprendizaje mencionadas, tal y como lo muestra la figura que se encuentra a continuación. La segunda fase es la nota correspondiente al 40% de la nota final que corresponde a una evaluación al final del periodo académico.



Notas del curso 60% de la nota definitiva

40% de la nota definitiva

Seguimiento Académico Fase de Reconocimiento: 10% de la nota. Fase de Profundización: 20% de la nota. Fase de Transferencia: 30% de la nota. Actividades: Quices, trabajos colaborativos, evaluaciones

Evaluación Nacional Prueba Objetiva Se aplica en la plataforma de forma virtual



9. GLOSARIO DE TÉRMINOS Cuerpo negro: Un cuerpo negro es aquel que se caracteriza por absorber toda la

radiación térmica que incide sobre él, es decir, un cuerpo negro no refleja radiación en absoluto

Constante de Planck: constante universal que determina las condiciones de

aplicabilidad de la Física Clásica frente a la Cuántica.

Constante de Boltzmann: Constante física que relaciona la energía y la

temperatura.

Densidad de probabilidad: es una medida estadística que especifica la

probabilidad de encontrar una partícula en una cierta región en el eje x al tiempo t.

Espectro atómico: es la radiación particular emitida por los átomos de un

elemento individual en un gas excitado por una descarga eléctrica.

Física cuántica : Rama de la física que estudia el comportamiento de la energía y

materia a nivel atómico.

Longitud de onda: es la distancia mínima entre dos puntos cualesquiera sobre

una onda que tiene un mismo comportamiento.

La ecuación de Schrödinger: describe el comportamiento de un sistema a nivel

microscópico.

Luz monocromática: es la luz que esta conformada por una sola longitud de

onda.

Modelo atómico: describe el comportamiento y las propiedades de un átomo. Niveles cuánticos: niveles de energía permitidos que indican que la energía no

es continua.

Radiación térmica: Se conoce como radiación térmica, a la radiación que emite

un cuerpo como consecuencia de su temperatura.



10.

DOCUMENTALES

DOCUMENTOS IMPRESOS: •

MILLER, David. Quantum Mechanics for Scientists and Engineers. Cambridge. Stanford 2007.

•

McMAHON, David. Quantum Mechanics. McGraw Hill. USA 2006.

•

LEVI, A. Applied Quantum Mechanics. Cambridge 2006.

•

BOEYENS, Jan. Chemistry from First Principles. Springer.

AULETTA, Gennaro. FORTUNATO, Mauro. PARISI, Mauro. Quantum Mechanics into a Modern Perspective. Cambridge University Press 2009.

•

•

•

•

FELIX, Julián. Notas para una introducción a La Teoría Cuántica. El cid. Argentina 2005. GILLESPIE, D. introducción a La Mecánica Cuántica. Reverté S. A. Barcelona 2002. ACOSTA, Virgilio. COWAN, Clyde. GRAM, B. Curso de Física Moderna. Oxford.

DIRECCIONES DE SITIOS WEB: •

http://www.uco.es/hbarra/index.php/fc

•

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm

•

http://www.ugr.es/~bosca/WebFCenRed/indexFC.htm

•

http://www.lawebdefisica.com/apuntsfis/cuantica/

•

http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_cu%C3%A1ntica



•

http://www.mecanicacuantica.com/introduction.htm

•

http://es.scribd.com/doc/25134188/CURSO-FISICA-CUANTICA

•

http://www.nucleares.unam.mx/~vieyra/cuant1.html

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