Física Cuántica y Modelos Atómicos - 1 v 1.1 ©Goodman & Zavorotniy

Física Cuántica y Modelos atómicos. Preguntas de Capítulo 1. ¿Cómo se determinó que los rayos catódicos poseían una carga negativa?

2. J. J. Thomson encontró que los rayos catódicos están partículas, a las que llamó electrones. ¿Qué propiedad de los electrones midió y con qué equipamiento de laboratorio?

3. ¿Quién determinó la carga del electrón y cuál fue el nombre del experimento?

4. ¿Cómo se producen los rayos X? ¿Cuál es la carga de los rayos X? ¿Quién hizo el descubriento?

5. ¿Quién descubrió la radiación espontánea y como fue observada?

6. ¿Cuáles son los tres tipos de radiación? Resume sus propiedades.

7. ¿Cuáles son las principales características de un cuerpo negro?

8. Cuándo un cuerpo negro se calienta, ¿qué emite?

9. ¿Cuál fue el error con la predicción de la física clásica sobre la radiación de un cuerpo negro a medida que la temperatura del cuerpo va aumentando? ¿Cómo se llamó a este problema?

10. ¿Qué supuestos hizo Max Planck para resolver el problema de la radiación del cuerpo negro?

11. Cuándo incide luz sobre ciertos metales, ¿qué emite el metal? ¿Cómo se llama esto?

12. ¿Qué propiedades del Efecto Fotoeléctrico no podían ser explicadas por la teoría de la luz como onda?

13. ¿Cómo explicó Albert Einstein el efecto fotoeléctrico? ¿Quién postuló primero que la luz estaba hecha de partículas?

14. ¿Quiénes fue el primer físico que usó el método experimental para proponer de qué estaba hecha? ¿Qué propiedades le atribuyó?

15. Describe el modelo de Thomson de Budín con pasas.

16. ¿Qué experimento realizó Ernest Rutherford? ¿Cómo cambió el modelo de Thomson?

17. ¿Qué abarca la mayor parte de un átomo?

18. ¿Qué propiedades de los átomos no fueron explicadas por el modelo de Rutherford?

19. ¿Cómo resolvió Neils Bohr los problemas con el modelo de Rutherford?

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20. ¿Cómo se crearon las ecuaciones para el espectro del Hidrógeno?

21. ¿Cuáles son las limitaciones del modelo de Bohr?

22. ¿El desplazamiento de Compton proveyó evidencia sobre el modelo de la luz como onda o como partícula? ¿Qué partículas están involucradas en las colisines generadas por el desplazamiento de la longitud de onda?

23. ¿Quién demostró la existencia del neutrón? ¿Qué rol juega el neutrón en el núcleo?

24. ¿Qué físicos describieron a la luz como partícula? ¿Qué físicos describieron a la luz como onda?

25. ¿Quién fue el primero en proponer que las partículas (tales como electrones) podían actuar como ondas? ¿Por qué no vemos los objetos grandes (tal como otras personas) como ondas?

26. ¿Se puede medir con precisión y al mismo tiempo el momento y la posición de una partícula? ¿Cómo se llama a este principio?

27. La función de onda fue desarrollada por Erwin Schrodinger para explicar el mundo cuántico – si se conoce la función de onda, se puede calcular algunas cantidades tales como la masa y el momento. ¿Cuáles son los análogos a la función de onda en la física clásica?

28. ¿Se puede saber con precisión donde está el electrón? ¿Qué predice la ecuación de onda de Schrodinger?

29. ¿Qué teoría integró la explicación de la fuerza electromagnética y la física cuántica?

30. ¿Qué teoría integró la explicación de la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil?

31. ¿Qué teoría explica la fuerza nuclear fuerte?

32. ¿Qué modelo explica la integración de la fuerza electromagnética y las fuerzas nucleares débiles y fuertes?

33. ¿Qué teorías están intentando explicar todo sobre el universo?

34. ¿Cuánto del universo pueden los físicos observar hoy en día?

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Problemas de Capítulo

Electrones, Rayos X y Radioactividad Trabajo en clase

1. En el experimento de la gota de aceite, una gota de aceite de masa 4.1x10-15 kg se

mantiene sin moverse entre dos placas paralelas separadas a 2.0 cm, con una diferencia de voltaje de 500.0 V. ¿Cuál es la carga neta sobre la gota de aceite?

2. Usando un Espectrómetro de Masa, la relación masa carga de un electrón se calcula aproximadamente que es 1.8x1011 C/kg. La carga de un electrón es de 1.6x10-19 C, ¿cuál es la masa del electrón?

Homework

3. En el experimento de la gota de aceite, una gota de aceite de masa 8.12x10-15 kg se mantiene sin moverse entre dos placas paralelas separadas a 4.0 cm, con una diferencia de voltaje de 500.0 V. ¿Cuál es la carga neta sobre la gota de aceite?

4. Usando un Espectrómetro de Masa, la relación masa carga de un electrón se calcula aproximadamente que es 1.7x1011 C/kg. La carga de un electrón es de 1.6x10-19 C, ¿cuál es la masa del electrón?

Radiación de Cuerpo Negro y Efecto Fotoeléctrico Trabajo en clase

5. ¿Cuál es la energía de un fotón cuya frecuencia es 5.0x105 Hz?

6. ¿Cuál es la energía de un fotón cuya longitud de onda es 6.0x10-3 m?

7. ¿Cuál es la frecuencia de un fotón que transporta una energía de 3.5x10-18 J?

8. ¿Cuál es la longitud de onda de un fotón cuya energía es 7.3x10-17 J?

9. ¿Qué longitud de onda es la máxima contribuyente al color de un objeto cuya temperatura es de 3800 K?

10. Una superficie fotoeléctrica tiene una función de trabajo de 3.7x10-19 J. ¿Cuál es la mínima frecuencia de fotones que serán liberados de esa superficie?

11. Una superficie fotoeléctrica tiene una función de trabajo de 3.7x10-19 J. ¿Cuál es la

máxima longitud de onda de fotones que liberarán electrones de esa superficie?

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12. Un metal tiene una función de trabajo de 3.7x10-19 J. ¿Cuál es la máxima energía

cinética de fotoelectrones si la luz incidente tiene una frecuencia de 9.4x1014 Hz?

13. En un experimento fotoeléctrico la frecuencia umbral es 5.3x1014 Hz.

a. ¿Cuál es la función de trabajo?

La superficie está expuesta a luz con una frecuencia de 6.6x1014 Hz. b. ¿Cuál es la máxima energía cinética de los fotoelectrones?

Trabajo en casa

14. ¿Cuál es la energía de un fotón cuya frecuencia es 4.0x1018 Hz?

15. ¿Cuál es la energía de un fotón cuya longitud de onda es 9.0x10-9 m?

16. ¿Cuál es la frecuencia de un fotón que transporta una energía de 8.6x10-20?

17. ¿Qué longitud de onda es la máxima contribuyente al color de un objeto cuya temperatura es de 4200 K?

18. Una superficie fotoeléctrica tiene una función de trabajo de 3.4x10-19 J. ¿Cuál es la mínima frecuencia de fotones que serán liberados de esa superficie?

19. Una superficie fotoeléctrica tiene una función de trabajo de 7.5x10-19J. ¿Cuál es la

máxima longitud de onda de fotones que liberarán electrones de esa superficie?

20. Un metal tiene una función de trabajo de of 8.3x10-19 J. ¿Cuál es la máxima energía

cinética de fotoelectrones si la luz incidente tiene una frecuencia de 3.4x1015 Hz?

21. En un experimento fotoeléctrico la frecuencia umbral es 6.2x1014 Hz.

c. ¿Cuál es la función de trabajo?

La superficie está expuesta a luz con una frecuencia de 7.5x1014 Hz . d. ¿Cuál es la máxima energía cinética de los fotoelectrones?

22. ¿Cuál es la longitud de onda de un fotón con una energía de 5.1x10-16 J?

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Modelos Atómicos Trabajo en clase

23. En el átomo de Hidrógeno se excita a un energía a un nivel de energía n =4 y luego

se lo hace caer a un nivel de n = 2.

a. ¿Cuál es la longitud de onda del fotón emitido?

b. ¿Qué tipo de radiación electromagnética tiene asociada el fotón?

c. ¿Cuál es la siguiente posible transición?

d. ¿Cuál es la longitud de onda asociada con esa transición?

24. El electrón en un átomo de Hidrógeno tiene una energía de -13.6 eV en su estado

fundamental.

a. Calcula los cinco primeros niveles de energía (n=1 a n=5).

b. Dibuja el diagrama de energía incluyendo al estado fundamental.

c. El electrón está en el nivel n=4; dibuja todas las posibles transiciones.

Trabajo en casa 25. En el átomo de Hidrógeno se excita a un energía a un nivel de energía n = 5 y luego

se lo hace caer a un nivel de n = 3.

a. ¿Cuál es la longitud de onda del fotón emitido?

b. ¿Qué tipo de radiación electromagnética tiene asociada el fotón?

c. ¿Cuál es la siguiente posible transición?

d. ¿Cuál es la longitud de onda asociada con esa transición?

26. El electrón en un átomo de Hidrógeno tiene una energía de -54.5 eV en su estado

fundamental.

a. Calcula los cinco primeros niveles de energía (n=1 a n=5).

b. Dibuja el diagrama de energía incluyendo al estado fundamental.

c. El electrón está en el nivel n=4; dibuja todas las posibles transiciones.

Ondas y Partículas Trabajo en clase

27. Una pelota de bowling de 6.0 kg de masa se está moviendo con una velocidad de

10.0 m/s. ¿Cuál es la longitud de onda de la materia asociada con la pelota?

28. Un electrón viaja a una velocidad de 6.0x107 m/s. ¿Cuál es la longitud de onda de DeBroglie?

Trabajo en casa

29. Un asteroide de 5.4x103 kg de masa se está moviendo a una velocidad de 7.0 km/s.

¿Cuál es la longitud de onda de la materia asociada con el asteroide?

30. Un protón viaja a una velocidad de 4.8x107 m/s. ¿Cuál es la longitud de onda de DeBroglie?

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Mecánica Cuántica Trabajo en clase

31. Se mide el momento de un electrón con una incertidumbre de 3.0x10-32 kg m/s. ¿Con cuánta precisión se puede determinar su posición al mismo tiempo?

32. Un auto está viajando en la ruta con un momento de 2.8x104 kg m/s (equivalente a un auto compacto moviéndose a 50 mph). ¿Con cuánta precisión se puede determinar su posición al mismo tiempo?

Trabajo en casa 33. Se mide el momento de un electrón con una incertidumbre de 2.5x10-32 kg m/s.

¿Con cuánta precisión se puede determinar su posición al mismo tiempo?

34. Una camioneta está viajando en la ruta con un momento de 5.1x104 kg m/s (equivalente a una camioneta moviéndose a 50 mph). ¿Con cuánta precisión se puede determinar su posición al mismo tiempo?

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Problemas Generales

1. Para descubrir al electrón se utilizó un espectrómetro de masas. En el selector de velocidad, los campos eléctricos y magnéticos sólo se establecen para permitir que los electrones salgan con una velocidad específica de los campos. Los electrones entran entonces en un área únicamente con un campo magnético, donde el haz de electrones es desviado en una forma circular con un radio de 8,0 mm. En el selector de velocidad, E = 400,0 V / m y B = 4.7 x 10-4 T. El mismo valor B existe en el área donde se desvía el haz de electrones.

a. ¿Cuál es la velocidad de los electrones a medida que salen del selector

de velocidad?

b. ¿Cuál es el valor de e/m del electrón?

c. ¿Cuál es voltaje de la aceleración en el tubo?

d. ¿Cómo cambia el radio electrónico cuando el voltaje se duplica?

2. En un experimento de la gota de aceite, una gota de aceite está cargada

negativamente y tiene una masa de 3.0 x 10-15 kg y está en reposo entre dos placas

paralelas separadas por una distancia de 2.0 cm. La diferencia de potencial entre las

placas es 460 V.

a. En el siguiente diagrama, mostrar todas las fuerzas aplicadas en la caída.

No incluyas la fuerza de empuje del aire sobre la gota de aceite.

b. ¿Cuál es la intensidad del campo eléctrico entre las placas?

c. ¿Cuál es la carga eléctrica neta en la gota?

d. ¿Cuántos electrones en exceso hay en la gota?

e. La diferencia de potencial entre las placas aumenta a 470 V; ¿qué le

ocurre a la gota de aceite?

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3. Un grupo de estudiantes de física realice un efecto experimento fotoeléctrico. Utilizan

una fuente de luz con diferentes frecuencias. En el experimento se encontraron con la

fotocélula es sensible a la luz con una frecuencia mayor que 6.0 x 1014 Hz.

a. ¿Cuál es el umbral de frecuencia para esa fotocélula?

b. ¿Cuál es la función de trabajo del metal?

La frecuencia de la luz incidente se cambia a 7.5 × 1014 Hz.

c. ¿Cuál es la máxima energía cinética de los fotoelectrones emitida por

esa célula?

4. Se lleva a cabo un experimento para investigar el efecto fotoeléctrico con una placa

de bario. Cuando la longitud de onda de la luz incidente es inferior a 500,0 nm la

placa comienza a emitir electrones.

a. ¿Cuál es la frecuencia umbral de la placa de Bario?

b. ¿Cuál es la función de trabajo del Bario?

Se cambia la longitud de onda de la luz incidente a 300.0 nm.

c. ¿Cuál es la energía cinética de los fotoelectrones?

5. En el tubo de rayos X, que se muestra más abajo, se aplica un voltaje de aceleración de 7.0

x 104 V para acelerar electrones a altas energías. (e = 1.6 x 10-19 C, me = 9.1 x 10-31 kg).

a. ¿Cuál es la energía cinética máxima de los electrones acelerados?

b. ¿Cuál es la velocidad máxima de los electrones acelerados?

c. ¿Cuál es la energía máxima de los fotones de los rayos X emitidos?

d. ¿Cuál es la frecuencia de los fotones de los rayos X emitidos?

e. ¿Cuál es la longitud de onda de los fotones de los rayos X emitidos?

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6. Los niveles atómicos de energía pueden ser determinados por la siguiente fórmula En

= Z2E1/n2 donde Z = número atómico; E1 = -13.6eV (estado fundamental para el

átomo de Hidrógeno n=1).

a. ¿Cuáles son los niveles de energía, para n=1, 2, 3 y 4 del átomo de

hidrógeno?

b. ¿Cuál es la frecuencia del fotón emitido si un electrón hace una

transición desde el nivel n = 3 al nivel n = 2 ?

c. ¿Cuál es la longitud de onda del fotón para la misma transición?

d. ¿El fotón emitido será visible?

7. Los niveles atómicos de energía pueden ser determinados por la siguiente fórmula

En = Z2E1/n2 donde Z = número atómico; E1 = -13.6eV (estado fundamental para el

átomo de Hidrógeno n=1).

a. ¿Cuáles son los niveles de energía para n=1, 2, 3 y 4 de un átomo de

helio ionizado simplemente (hay solamente un electrón) (Z=2)?

b. ¿Cuál es la frecuencia del fotón emitido si un electrón hace su transición

desde el nivel n = 4 al nivel n = 2 ?

c. ¿Cuál es la longitud de onda del fotón para la misma transición?

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Preguntas de Capítulo 1. Fueron desviados por un campo

magnético en la dirección que una carga negativa se movería.

2. Relación Carga/Masa. Espectrómetro de masas

3. Robert Millikan y Harvey Fletcher. Experimento de la Gota de Aceite.

4. Electrones golpeando un blanco de metal. Neutra. Roentgen.

5. H. Becquerel, M. Curie, P. Curie. Sales de Uranio expuestas a papel fotográfico

6. Partículas alfa (Núcleos de Helio, +2e), Rayos Gamma (Radiación EM , neutra), Partículas beta (electrones desde el núcleo, -e).

7. Absorben toda la radiación incidente – de manera que la energía radiada es sólo de la temperatura del cuerpo.

8. Radiación electromagnética en la forma de espectro dependiente de la temperatura

9. De acuerdo a la física clásica a medida que un objeto se calienta, la intensidad de la radiación emitida se aproxima al infinito. Explosión Ultravioleta.

10. La energía emitida por un cuerpo negro radiante podría ser emitida sólo en paquetes discretos de energía o cuantos.

11. Electrones. Efecto Fotoeléctrico 12. No se emite electrones por debajo

de ciertas frecuencias de corte de la luz. El número de electrones es proporcional a la intensidad de la luz, pero la energía de los electrones es independiente de la intensidad. Los electrones Los electrones aparecen instantáneamente cuando se ilumina con la frecuencia de luz adecuada.

13. Un fotón individual golpea y transfiere toda su energía al electrón el que luego es emitido si la luz tiene suficiente energía (frecuencia). Sir Isaac Newton.

14. John Dalton. Todos los elementos están hechos de átomos específicos e indivisibles.

15. Electrones están dispersos dentro de una masa de carga positiva.

16. Experimento de la Lámina de Oro. Un pequeño porcentaje de partículas alfa que golpean la lámina fueron desviadas- mostrando la existencia de un pequeño núcleo cargado positivamente.

17. Espacio Vacío. A void. 18. ¿Por qué los electrones no caen en

espiral dentro del núcleo y espectro óptico.

19. Sólo se permite que haya electrones en órbitas específicas, y no emiten radiación EM en esas órbitas. El espectro resulta de los electrones moviéndose entre las órbitas cuantizadas.

20. Mediante la creación de ecuaciones que encajan con el espectro medido – no en teoría, sólo ajustando las ecuaciones con los datos.

21. Sólo aplicable a átomos como el Hidrógeno (un electrón), basado en que los electrones acelerando no emiten radiación EM y no predijo las intensidades de los fotones emitidos durante las transiciones de niveles de energía.

22. Partícula. Fotones de rayos X golpean electrones dándoles energía e incrementando la longitud de onda de los rayos X .

23. James Chadwick. Proporcionó la fuerza nuclear fuerte adicional para balancear la fuerza

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electromagnética repulsiva entre los protones

24. Newton, Planck, Einstein y Compton. Young, Maxwell.

25. De Broglie. Debido a que la longitud de onda de los objetos grandes son insignificantemente pequeñas.

26. No. Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

27. La fuerza neta sobre un objeto. 28. No. Sólo se puede determinar la

probabilidad de un electrón en una cierta posición.

29. Electrodinámica Cuántica. 30. Teoría de la Fuerza Eléctrica Débil 31. Cromodinámica cuántica. 32. El Modelo Estándar. 33. La Gran Unificada Teoría; Teoría

de Cuerdas 34. 5%.

Problemas de capítulo 1. 1.6x10-18 C 2. 8.9x10-31 kg 3. 6.4x10-18 C 4. 9.4x10-31 kg 5. 3.3x10-28 J 6. 3.3x10-23 J 7. 5.3 x1015 Hz 8. 2.7x10-9 m 9. 760 nm 10. 5.6x1014 Hz 11. 540 nm 12. 2.5x10-19 J 13. 3.5x10-19 J, 8.8x10-20 J 14. 2.7x10-15 J 15. 2.2x10-15 J 16. 1.3x1014 Hz 17. 690 nm 18. 5.1x1014 Hz 19. 270 nm 20. 1.4x10-18 J 21. 4.1x10-19 J, 8.8x10-20 J 22. 3.9x10-10 m 23. a) 488 nm

b) Luz visible - verde c) 2→1 d) 122 nm

24. a) 1st -13.6 eV 2nd -3.4 eV 3rd -1.51 eV 4th -0.85 eV 5th -0.54 eV

b)

c) 25. a) 1.29x10-6 m

b) Radiación infrarroja c) 3→2, 3→1, 2→1 d) 3→2: 661 nm 3→1: 103 nm 2→1: 122 nm

26. a) 1st -54.4 eV 2nd -13.6 eV 3rd -6.04 eV 4th -3.40 eV 5th -2.18 eV

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b)

c) 27. 1.1x10-35 m 28. 1.2x10-11 m 29. 1.8x10-41 m 30. 8.3x10-15 m 31. 2.2x10-2 m 32. 5.5x10-34 m 33. 2.7x10-2 m 34. 2.6x10-34 m

Problemas Generales 1. a) 8.5 × 105m/s b) 2.3 × 1011C/kg c) 1.6 V d) se duplica

2. a)

b) 2.3x104 V/m c) 1.3 × 10−18𝐶 d) 8 electrones e) acelerará hacia arriba 3. a) 6.0 × 1014Hz b) 4.0 × 10−19J c) 9.7 × 10−20J 4. a) 6 × 1014Hz b) 4.0 × 10−19J c) 2.6 × 10−19J 5. a) 1.1 × 10−14J b) 1.6 × 108m/s c) 1.1 × 10−14J d) 1.7 × 1019Hz e) 1.8 × 10−11m 6. a) –13.6eV, –3.40eV, –1.51eV, –0.85eV b) 4.56 × 1014Hz c) 658nm d) Sí – luz roja 7. a) –54.4eV, –13.6eV, –6.04eV, –3.40eV b) 2.46 × 1015Hz c) 1.22 × 10−7m d) No – Ultravioleta

n=3 n=2 n=1