EL EFECTO FOTOELÉCTRICO Y LA FÍSICA CLÁSICA.

 La emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberan electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son:

• Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.

• La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones.

En los metales hay electrones que se mueven más o menos libremente a través de la red cristalina, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales por que no tienen energía suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su energía. Los electrones "evaporados" se denominan termoelectrones, este es el tipo de emisión que hay en las válvulas electrónicas. Vamos a ver que también se pueden liberar electrones (fotoelectrones) mediante la absorción por el metal de la energía de radiación electromagnética.

Descripción:

 Sea f la energía mínima necesaria para que un electrón escape del metal. Si el electrón absorbe una energía E, la diferencia E-f, será la energía cinética del electrón emitido.

Einstein explicó las características del efecto fotoeléctrico, suponiendo que cada electrón absorbía un cuanto de radiación o fotón. La energía de un fotón se obtiene multiplicando la constante h de Planck por la frecuencia f de la radiación electromagnética.

E=hf

Si la energía del fotón E, es menor que la energía de arranque f, no hay emisión fotoeléctrica. En caso contrario, si hay emisión y el electrón sale del metal con una energía cinética E_k igual a E-f.

Por otra parte, cuando la placa de área S se ilumina con cierta intensidad I, absorbe una energía en la unidad de tiempo, basta dividir dicha energía entre la cantidad hf para obtener el número de fotones que inciden sobre la placa en la unidad de tiempo. Como cada electrón emitido toma la energía de un único fotón, concluimos que el número de electrones emitidos en la unidad de tiempo es proporcional a la intensidad de la luz que ilumina la placa

 Las ondas electromagnéticas de luz aportan energía a los electrones del metal hasta que son capaz de arrancarlos del mismo:
1. Cuanto más intensa sea la luz, más energía adquirirán los electrones.
2. Si la luz es muy tenue, habrá que esperar un rato hasta que los electrones adquieren energía suficiente y son arrancados
3. Cualquier luz (longitud de onda) es válida para arrancar electrones.

"Radiación el cuerpo negro"

• La luz emitida por un cuerpo negro escapaba a la explicación de la física clásica.
• Kirchoff demostró que su espectro depende solo de la temperatura.
• Leyes empíricas:
  -Ley del desplazamiento de Wien
  -Ley de Stefan-Boltzmann
• Leyes teóricas:
  -Ley de Rayleigh-Jean.                                                                                                                                                   

Espectro del cuerpo negro
¿Cómo es la distribución de la energía que emite un cuerpo negro con la longitud de onda (o frecuencia) y la temperatura?

 

Ley de desplazamiento de Wien

La longitud de onda del máximo y la temperatura están relacionadas de forma que:

      A esta relación se la conoce como ley del desplazamiento de Wien. Donde const = 2897.8 µm K, y T es la temperatura en Kelvin.

 

Las consecuencias de la ley de Wien es que cuanta mayor sea la temperatura de un cuerpo negro menor es la longitud de onda en la cual emite.

El cuerpo negro.

Para entender lo que es un agujero negro empecemos por una estrella como el Sol. El Sol tiene un diámetro de 1.390.000 kilómetros y una masa 330.000 veces superior a la de la Tierra. Teniendo en cuenta esa masa y la distancia de la superficie al centro se demuestra que cualquier objeto colocado sobre la superficie del Sol estaría sometido a una atracción gravitatoria 28 veces superior a la gravedad terrestre en la superficie. Una estrella corriente conserva su tamaño normal gracias al equilibrio entre una altísima temperatura central, y la gigantesca atracción gravitatoria.

Si en un momento dado la temperatura interna desciende, la gravitación se hará dueña de la situación. La estrella comienza a contraerse y a lo largo de ese proceso la estructura atómica del interior se desintegra. En lugar de átomos habrá ahora electrones, protones y neutrones sueltos. La estrella sigue contrayéndose. La estrella es ahora una enana blanca. 

En determinadas condiciones la atracción gravitatoria se hace demasiado fuerte para ser contrarrestada por la repulsión electrónica. La estrella se contrae de nuevo, obligando a los electrones y protones a combinarse para formar neutrones. La estructura neutrónica contrarresta entonces cualquier contracción y lo que tenemos es una estrella de neutrones, que podría albergar toda la masa de nuestro sol. La gravedad superficial sería 210.000.000.000 veces superior a la que tenemos en la Tierra.
En ese caso ya no hay nada que pueda oponerse al colapso. La estrella puede contraerse hasta un volumen cero y la gravedad superficial aumentar hacia el infinito.

Según la teoría de la relatividad, explicada anteriormente, la luz emitida por una estrella pierde algo de su energía al avanzar contra el campo gravitatorio de la estrella. Cuanto más intenso es el campo, tanto mayor es la pérdida de energía. A lo largo del proceso de colapso de la estrella de neutrones llega un momento en que la luz que emana de la superficie pierde toda su energía y no puede escapar.

Un objeto sometido a una compresión mayor que la de las estrellas de neutrones tendría un campo gravitatorio tan intenso, que cualquier cosa que se aproximara a él quedaría atrapada y no podría volver a salir. Es como si el objeto atrapado hubiera caído en un agujero infinitamente hondo y no cesase nunca de caer. Y como ni siquiera la luz puede escapar, el objeto comprimido será negro. Literalmente, un agujero negro. 

Universos paralelos.

El derrumbe del determinismo.
Hacia finales del siglo XVIII , el filósofo Francés Pierre Simón de Laplace ( 1749-1827) enunció el principio del determinismo que dice que , si en un momento determinado se conociera las posiciones y movimientos de todas las partículas del universo , podríamos calcular su comportamiento en cualquier momento del futuro.
Pero el principio de la incertidumbre de Heisenberg destruye esa posibilidad , ya que no es posible conocer la posición exacta y el movimiento de una partícula en ningún momento dado.
Con ello cambia nuestra visión del mundo, se ha enriquecido filosóficamente nuestra compresión de la naturaleza y el principio de complementariedad de Bohr implica que la naturaleza del átomo puede ser explicada como partícula o como onda dependiendo de los instrumentos elegidos para su observación, desaparece la paradoja onda-partícula.
 

Conforme a los experimentos realizados , aparentemente nuestra realidad no es local, lo que significa:
1. La interacción no disminuye con la distancia.
2. Puede operar instantáneamente (supera velocidad de la luz).
3. Conecta distintos lugares sin atravesar el espacio.

La lucha de los grandes de la física no tiene aún hoy un vencedor.
Por un lado Albert Einstein , quien sostuvo que "Dios no juega a los dados con su creación ", oponiéndose a las conclusiones de la teoría cuántica, afirmando que la realidad es local, es decir, que no es posible que haya comunicación entre partículas a mayor velocidad que la luz.
Por otro lado tenemos a Niels Bohr , quien sostuvo lo contrario con la interpretación de Copenhague.
Con el experimento de la ranura doble , existe una posiblidad matemática de universos paralelos que operen simultáneamente en donde las diferentes opciones se cumplan.

Los universos paralelos es una hipótesis física, en la que entran en juego la existencia de varios universos o realidades más o menos independientes. El desarrollo de la física cuántica, y la búsqueda de una teoría unificada (teoría cuántica de la gravedad), conjuntamente con el desarrollo de la teoría de cuerdas (explicada en una publicación anterior), han hecho entrever la posibilidad de la existencia de múltiples dimensiones y universos paralelos conformando un Multiuniverso.

TEORÍA DE CUERDAS.

Hasta ahora, los científicos han descrito los componentes básicos de la materia (átomos y partículas subatómicas) como pequeñas esferas o puntos. La Teoría de Cuerdas afirma que el alma de dichas partículas son hilos vibrantes de energía denominados cuerdas. Las cuerdas vibran de unas formas determinadas dotando a las partículas de sus propiedades únicas, como la masa y la carga. El origen de esta teoría se remonta a 1968 cuando el físico Gabrielle Veneziano descubrió que las ecuaciones de Euler, con 200 años de antigüedad, describían la interacción nuclear fuerte, iniciándose así un movimiento que desembocaría, gracias al físico Leonard Susskind, en la aparición de los hilos vibrantes como interpretación de dicha fórmula.

La suma de nuestros conocimientos actuales sobre la composición subatómica del universo se conoce como el modelo estándar de la física de partículas. Este describe tanto a los “ladrillos” fundamentales de los cuales esta constituido el mundo, como las fuerzas a través de las cuales dichos ladrillos interactúan. Existen doce “ladrillos” básicos. Seis de ellos son quarks— y tienen nombres curiosos: arriba, abajo, encanto, extraño, fondo y cima. (Un protón, por ejemplo, está formado por dos quarks arriba y uno abajo.) Los otros seis son leptones— estos incluyen al electrón y a sus dos hermanos más pesados, el muón y el tauón, así como a tres neutrinos.

                            La teoría de las cuerdas puede empearse para abordar los grandes
                                                         problemas de la física.




Existen cuatro fuerzas fundamentales en el universo: la gravedad, el electromagnetismo, y las interacciones débil y fuerte. Cada una de estas es producida por partículas fundamentales que actúan como portadoras de la fuerza. El ejemplo más familiar es el fotón, una partícula de luz, que es la mediadora de las fuerzas electromagnéticas. (Esto quiere decir que, por ejemplo, cuando un imán atrae a un clavo, es porque ambos objetos están intercambiando fotones.) El gravitón es la partícula asociada con la gravedad. La interacción fuerte es producida por ocho partículas conocidas como gluones. (Yo prefiero llamarlos “pegamoides”!) La interacción débil, por último, es transmitida por tres partículas, los bosones W+, W- , y Z.

Relatividad de Éinstein y Física Cuántica

 

La gran aventura de la Física actual consiste en hallar una formulación que combine las dos grandes teorías de la Ciencia: La Relatividad y la Mecánica Cuántica. Cuando se intentan unificar estas teorías, las soluciones se hacen infinitas, es decir, son no renormalizables. Desde Einstein hasta Hawking, pasando por Edward Witten, los intentos han sido inútiles. ¿Será la Teoría de Supercuerdas, una complejísima estructura matemática, la que lo consiga?Hasta que no se logre experimentar con ella, los científicos no pueden darle su aprobación, y se necesita tanta energía para conseguirlo que es más que probable que no se consiga hasta pasados varios siglos.

Métricas de Friedman-Robertson-Walker.

El principio cosmológico restringe los posibles elementos del Universo a gran escala a tres posilidades, que podemos escribir mediante coordenadas comóviles. Las coordenadas comóviles son etiquetas que ponemos a cada galaxia que pueden ser entendidas de tal manera que cada r es asignada a una galaxia que se mueve solidariamente a la expansión del universo y t sería el tiempo transcurrido desde el big bang para dicha galaxia.  De forma general, el elemento puede entonces ser escrito:

ds² = c² dt² - a²(t) R₀²{ (1- k r²)^-1 dr²- r² [dd ² + cos²d da ²]}

Donde el parámetro k, puede tomar los valores k = 0 (espacio plano o de curvatura nula), k = +1 tenemos un espacio de tipo esférico cerrado y para k = -1 un espacio abierto de curvatura negativa. R₀ es el radio de curvatura que tiene que ser el mismo en cualquier lugar del espacio por la condición de homogeneidad. El radio de curvatura está relacionado con la constante de Hubble H₀ y la densidad del universo en función de la densidad crítica W (que incluye las contribuciones de materia, radiación, y densidad de energía del vacío)

  Donde podemos observar las líneas del mundo de los observadores comóviles situados en galaxias típicas que parten de un punto común (el Big Bang), y que son curvas debido a la desaceleración del universo.

 Las líneas grises son líneas de tiempo(t) constante, o dicho de otro modo, líneas para los cuales los observadores que se encuentren en las proximidades mediran la misma edad para el universo.
    La línea roja representa el cono de luz pasado del observador que se toma como en reposo en este sistema, y es en todo momento tangente a los conos de luz. La distorsión en la forma de los conos de luz de los observadores comóviles se debe al efecto de la expansión. La forma del cono de luz pasado del observador tiene la forma característica de lágrima típica de los modelos del big bang. Ésta se debe a que las galaxias que se encuentra más allá del radio de Hubble en un tiempo comóvil t determinado, se mueven a la velocidad de la luz con respecto al observador. 

Podemos hacer una transformación y situarnos en el punto de vista del observador etiquetado por A 

   
Hay que tener en cuenta que cualquier diagrama espacio-temporal que eligamos para representar un punto de vista del universo siempre estará distorsionado por el efecto inevitable de la elección de coordenadas. Por ejemplo, podemos dividir la distancia física D(t) por a(t) y obtener lineas de mundo perfectamente verticales para todos los observadores (galaxias típicas), aunque con una distorsión de los conos de luz que aumenta a medidad que nos acercamos al Big Bang de tal manera que este pasa de un punto a una línea límite horizontal, tal y como ocurría con los Polos de la Tierra en la proyección plana de la superficie de la Tierra.

 

 Una imagen que cubre una parte más amplia sería algo así:

 Y si por último estiramos el tiempo en el eje vertícal, de tal manera que recuperemos un cono de luz pasado formado por trayectorias luminosas rectas, obteniendo la siguiente representación.

 

Por último deberíamos recordar que un universo de densidad crítica es espacialmente infinito y representar, para mayor claridad, una sección más amplia  

 

Este tipo de diagramas es conocido como diagrama espacio-temporal "conforme"