A través de sus experimentos, el científico Neils Bohr mejoró el modelo de Rutherford del átomo . Uno de los conceptos que desempeñó un papel importante en la formulación del modelo de Bohr es la naturaleza dual de la radiación electromagnética. Esto significa que las radiaciones poseen características de onda y de partículas. Comprendamos este concepto con más detalle.
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Naturaleza ondulatoria de la radiación electromagnética
En 1870, James Maxwell propuso que cuando las partículas cargadas eléctricamente se mueven bajo la aceleración , se generan y transmiten campos magnéticos y eléctricos alternos. Estos campos se transmiten como ondas y se denominan ondas electromagnéticas o radiación electromagnética .
Durante años, los científicos han especulado sobre la naturaleza de la luz como una forma de radiación. En los primeros años, los científicos creían que la luz estaba compuesta de partículas o corpúsculos. La naturaleza ondulatoria de la luz se estableció solo a principios del siglo XIX. A través del concepto de radiación electromagnética, Maxwell fue el primero en mostrar que la electricidad, el magnetismo y la luz son diferentes manifestaciones del mismo fenómeno. Comprendamos algunas propiedades simples del movimiento de ondas electromagnéticas.
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Propiedades del movimiento de onda electromagnética
- Las partículas cargadas oscilantes producen campos eléctricos y magnéticos oscilantes que son perpendiculares entre sí. Estos campos también son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.
El campo eléctrico y magnético de la onda electromagnética. El campo eléctrico en rojo (eje E), el campo magnético en azul (eje B), la onda se propaga a lo largo del eje Z. [Fuente: Wikimedia Commons]
- Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio de propagación como las ondas de sonido o las ondas de agua . Pueden viajar a través del vacío.
- Hoy en día, hay muchos tipos diferentes de radiaciones electromagnéticas que difieren entre sí en longitud de onda o frecuencia . Todos ellos constituyen un espectro electromagnético . Las diferentes regiones de este espectro tienen diferentes nombres y usos. Por ejemplo, la región de radiofrecuencia alrededor de 10 6 Hz se usa para la transmisión, la región de microondas alrededor de 10 10 Hz se usa para el radar, la región infrarroja alrededor de 10 13 Hz se usa para calentar y 10 16 Hz es el componente UV de los rayos del sol. La luz visible es la pequeña porción alrededor de 10 15 Hz y es solo esta parte lo que nuestros ojos pueden ver. Se necesitan instrumentos especiales para detectar luz no visible.
- La radiación electromagnética tiene diferentes propiedades. Aprendamos algunos de ellos.
- Frecuencia (ν) – Es el número de ondas que pasan un punto dado en un segundo. La unidad SI es Hertz (Hz, s -1 ), que lleva el nombre de Heinrich Hertz.
- Longitud de onda (λ) – La longitud de onda tiene las mismas unidades que la longitud, que es el metro (m). Pero como muchas ondas de pequeña longitud de onda forman la radiación electromagnética, utilizamos unidades más pequeñas.
Fuente: Wikimedia
- Número de onda – Es el número de longitudes de onda por unidad de longitud. Sus unidades son el reverso de la longitud de onda: m -1 o cm -1 .
- La velocidad de la luz (c) – Esta es la velocidad a la cual todos los tipos de radiaciones electromagnéticas, independientemente de la longitud de onda viajan en el vacío (3.0 x 10 8 ms [19459030 ] -1 ). La longitud de onda, la frecuencia y la velocidad de la luz están relacionadas por la ecuación:
c = ν λ
Naturaleza de la partícula de la radiación electromagnética
Aunque la naturaleza ondulatoria de la radiación electromagnética explica fenómenos como la difracción y la “interferencia”, algunas otras características importantes permanecen sin explicación. Las observaciones inexplicables son:
- Radiación de cuerpo negro, es decir, la naturaleza de la emisión de radiación de cuerpos calientes.
- Efecto fotoeléctrico, es decir, la expulsión de electrones de una superficie metálica cuando la radiación lo golpea.
- Variación de la capacidad calorífica de los sólidos.
- Espectros lineales de átomos con referencia a hidrógeno .
Antes de continuar, comprendamos los fenómenos de la radiación del cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico.
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Radiación de cuerpo negro
En este fenómeno, sólidos cuando se calienta emiten radiaciones en una amplia gama de longitudes de onda. El mejor ejemplo de esto es el calentamiento de una barra de hierro en un horno o sobre una llama. ¿Alguna vez has observado los diferentes colores a medida que la barra de hierro se calienta más y más? Comienza como un color rojo opaco que luego se vuelve más rojo a medida que aumenta la temperatura.
A medida que la temperatura aumenta más, se vuelve blanca y luego azul. Esto simplemente significa que la frecuencia de la radiación emitida va de una frecuencia más baja a una más alta a medida que aumenta la temperatura. El color rojo se encuentra en la región de frecuencia más baja, mientras que el color azul se encuentra en la región de frecuencia más alta del espectro.
Un cuerpo negro es un cuerpo ideal que emite y absorbe radiaciones de todas las frecuencias. La radiación emitida por dicho cuerpo es radiación de cuerpo negro . La distribución de frecuencia de la radiación emitida por un cuerpo negro depende solo de su temperatura. La intensidad de la radiación a una temperatura dada aumenta con la disminución de la longitud de onda, alcanza un máximo y luego comienza a disminuir con una disminución adicional de la longitud de onda.
Efecto fotoeléctrico
H. Hertz realizó un experimento muy interesante en 1887. Se expulsaron electrones cuando expuso ciertos metales a un haz de luz. Llamamos a este fenómeno como el efecto fotoeléctrico . Sus observaciones fueron las siguientes:
- No hay desfase temporal entre el impacto del rayo de luz sobre el metal y la expulsión de electrones de su superficie.
- El número de electrones expulsados es proporcional al brillo o la intensidad de la luz.
- Hay una frecuencia mínima característica o frecuencia umbral para cada metal, por debajo del cual no se observa el efecto fotoeléctrico. Por encima de esta frecuencia umbral, los electrones son expulsados con una cierta energía cinética que aumenta con un aumento en la frecuencia de la luz utilizada.
Fuente: Wikimedia
Teoría cuántica de Planck
La física clásica o la teoría ondulatoria de la luz no explican satisfactoriamente los fenómenos de la radiación del cuerpo negro o el efecto fotoeléctrico.
Explicación de la radiación de cuerpo negro
En 1900, Max Planck dio la primera explicación concreta del fenómeno de la radiación del cuerpo negro. Sugirió que los átomos o moléculas emiten o absorben energía solo en cantidades discretas llamadas cuántica y no de manera continua. Quantum es la cantidad más pequeña de energía que se emite o absorbe en forma de radiación electromagnética. La energía del cuanto es proporcional a su frecuencia. Es como sigue –
E = hν
donde ‘E’ es la energía del cuanto, ‘ν’ es la frecuencia y ‘h’ es la constante de proporcionalidad o la constante de Planck y tiene un valor de 6.626 × 10 –34 Js. Usando esta teoría, Planck pudo explicar que la distribución de intensidad de la radiación de un cuerpo negro es una función de frecuencia o longitud de onda a diferentes temperaturas.
Explicación del efecto fotoeléctrico
En 1905, Einstein utilizó la teoría cuántica de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico. De acuerdo con la teoría cuántica de Planck, el brillo de un haz de luz sobre una superficie metálica puede verse como un disparo al metal con un haz de partículas o fotones.
En este caso, cuando un fotón de suficiente energía golpea un electrón en el metal, transfiere su energía al electrón inmediatamente y el electrón se expulsa sin ningún retraso de tiempo. Un haz de luz más intenso tiene una mayor cantidad de fotones y, por lo tanto, expulsa una mayor cantidad de electrones.
Finalmente, cuanto mayor es la energía transportada por un fotón, mayor es la energía cinética del electrón expulsado. Esto significa que la energía cinética del electrón expulsado es proporcional a la frecuencia de la radiación electromagnética. La siguiente ecuación da la energía cinética del electrón expulsado –
hν = hν 0 + 1/2 m e v 2
donde, m e – la masa del electrón, v – velocidad asociada con el electrón expulsado, hν – energía del fotón impactante, hν 0 – la energía mínima requerida para expulsar un electrón o una función de trabajo (W o ).
Comportamiento dual de la radiación electromagnética
La naturaleza de las partículas de la luz explica los fenómenos de la radiación del cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico. La naturaleza ondulatoria de la luz, por otro lado, explica la interferencia y la difracción. Este contraste planteó un dilema para los científicos.
Finalmente, aceptaron la idea de que la luz posee propiedades de onda y de partícula, es decir, la luz tiene un comportamiento dual. La luz tiene propiedades de onda cuando se propaga, mientras que, en interacción con la materia, muestra propiedades de partículas.
Ejemplos resueltos para ti
Pregunta: Una lámpara de sodio emite una luz amarilla de longitud de onda (λ) 580 nm. ¿Cuáles son la frecuencia (ν) y el número de onda de esta luz?
Solución: Sabemos que c = ν λ y que, independientemente de la longitud de onda, todas las radiaciones electromagnéticas viajan a una velocidad (c) de 3.0 x 10 8 ms -1 . Por lo tanto, ν = c / λ
= 3,0 x 10 8 ms -1 / 580 x 10 -9 m
= 5,172 x 10 14 por segundo
Número de onda = 1 / longitud de onda = 1 / λ = 1/580 x 10 -9 m
= 1,724 x 10 6 m -1
Pregunta: Si un fotón de longitud de onda 4 x 10 -7 m golpea una superficie metálica y la función de trabajo (hν 0 ) del metal es 2,13eV, entonces ¿cuál es La energía cinética de la emisión?
Solución: Sabemos que E = hν = hc / λ
donde h = constante de Planck = 6.626 x 10 -34 Js, c = velocidad de la luz = 3.0 x 10 8 m / s.
Por lo tanto, E = hc / λ = (6.626 x 10 -34 x 3.0 x 10 8 ) / 4 x 10 -7
= 4.97 x 10 -19 J = 3.102 eV (desde, 1J = 6.24 x 10 18 eV)
Ahora, energía cinética = hν – hν 0 = E – hν 0 = 3.102 – 2.13 eV = 0.972 eV.