presentacion principios cuantica astroph0901
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7/23/2019 Presentacion Principios Cuantica Astroph0901
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Fsica Contempornea
Principios de
Teora Cuntica
Jorge I. Zuluaga CCurso de Estructura y
Fsica delUniverso
Jorge I. uluaga! "/#$La
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Curiosamente el comportamiento del Universo a granescala...
... fue en ltima instancia determinado por los fenmenosmicroscopicos que ocurrieron en las primeras etapas de
su existencia
%ntendimiento de la estructura de la materia a nivelmicrosc&ico ' de las le'es (ue lo rigen......requisito fundamental para entender historia temprana
del Universo
Fsica del mundo microsc&ico...... fundamentalmente distinta a la fsica del mundo
macroscpico ...TEORA CUNTICA
Jorge I. uluaga! 2/#$La
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Temperatura y Calor
)as:Coleccin de partculas (molculas, tomos, partculas!
que no mantienen relacin permanente con otraspartculas.
*artculas de gas...... "ermanente movimiento aleatorio...
+elocidad de &artculas en gas...... no es la misma#...
+elocidad &romedio ,TEMPERATURA
Jorge I. uluaga! #/#$La
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%n un gas cu'as &artes tienen una tem&eratura igual -gas
en %(uilirio rmico1......velocidad de partculas o$edecen una distri$ucinestadstica
DISTRIBUCIN
DE MA!"E##$BO#TZMAN
Jorge I. uluaga! /#$La
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%3iste una velocidad en la (ue &arecen moverse lama'ora de las &artculas -vma31
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Prop%e&a&e' Cu()t%*a' &e la #u+
%ntendimiento de la verdadera naturaleza de la luz surgede la cuestin...
%Cmo es la lu& emitida por un o$'eto caliente
Imaginemos la siguiente situacin:
4e estudia luz emitida &or las &aredes de un orno
ermticamente cerrado
67ue &odemos decir sore la luz atra&ada en el orno8
Jorge I. uluaga! $/#$La
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O,'er-a*%o)e'
uz emitida entodas laslongitudes de
onda uz emitida enuna longitudde onda ms
(ue en lasdems
max) * mm + (-!
#ey &e "IEN
Jorge I. uluaga! ;/#$La
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/0'%*a *l('%*a
uz < =nda electromagntica
=ndas de luz de diversas longitudes de onda &roducidas&or &aredes de orno...
...re$otan en paredes del horno 67u ti&o de luz aunda en ma'or cuanta en el orno8
>eido a su corta longitud de onda la luz de longitud de
onda &e(ue?a deera aundar@
*rolema: oservaciones no coinciden con lo &redico@
Jorge I. uluaga! A/#$La
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/0'%*a Cu()t%*a 1Pla)*23 45667
a luz en el orno es coleccin de &artculas...FOTONES
Fotones de mu' diversa energa...
...sin em$aro de$ido a distri$ucin de /ax0ell12olt&mande velocidades de partculas en paredes de horno
distri$ucin de fotones deacuerdo a enera o$edececurva parecida...
*ara acer coincidir oservaciones con este modeloterico...
Enera de fotn 34 + lonitud de onda
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E ) 5x46 147' + (nm!
%Bem&lo: 8u& amarilla...
% < 23"0!"$/$00 nm < #.#3"0!"9B < 2." e+
Electrn-Voltio (eV)
4 e9 ) 4.7x4614:'
4 ;e9 ) 4,666 e94 /e9 ) 4
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%l descurimiento de (ue la luz tiene una naturalezacor&Cscular -&artculas1...
...uno de los ms importantes descu$rimientos de lafsica...
Origen Fundamental de la Teora Cu!ntica
/ot8)%*a
>escurimiento de naturaleza cor&Cscular de la luz....../odifica nuestro entendimiento del modo en el que la
lu& interacta con la materia...
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Fenmenos donde se maniDiesta naturaleza cor&Cscularde la luz:
4.E9e*to 9otoel:*tr%*o
Eonductor sometido a incidencia de luz...
...=otones pueden excitar electrones de slido yfavorecer conduccin
Jorge I. uluaga! "#/#$La
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%nerga necesaria &ara e3citar electrones...
9alor crticoE'. >luminio E ? @.5A e9 (B566 nm, Ultravioleta!
;./oto&e'%)tegra*%8)
Euando &artculas suatmicas Dorman sistemascom&uestos......es necesaria una cantidad especfica de enera para
descomponerlos...ENER
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Electrones Dcleo atmico (tomo!
%nerga de enlace idrgeno : "0 e+G elio : # e+
Fotodesintegracin de tomo :
E ? 46 e9 (B466 nm, U9!
IONIZACIN
"rotones Deutrones (Dcleo atmico!
%nerga de enlace nuclear ," He+
Fotodesintegracin de Ccleo :
E ? 4/e9 (B6.664 nm!
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NOTA
>e la misma manera (ue la desintegracin re(uiereenerga......8a composicin de las partes de un sistemaF li$era
enera
%nerga lierada en com&osicin de sistemageneralmente se liera en la Dorma de Dotones -luz1
=.E9e*to Compto)
Eomo sucede con cual(uier &artcula: Dotones &uedencocar con otras &artculas
Jorge I. uluaga! "$/#$La
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Fotn energtico (ue se &ro&aga en gas Dro deelectrones...
...puede chocar con electrn perdiendo enera(aumentando su lonitud de onda!
E/ECTO COMPTON
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Fotn de aBa energa (ue se &ro&aga en gas caliente deelectrones
..."uede chocar con electrones y anar enera(disminuyendo su lonitud de onda!
E/ECTO COMPTON IN>ERSO
Jorge I. uluaga! "A/#$La
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I)*ert%&um,re e) el mu)&o m%*ro'*8p%*o
*arece una ®unta &aradBicaG &ero.....%podemos conocer ca$almente el mundo
microscpico...
Imagnese un electrn en un tomo...... siempre hemos supuesto que el electrn se mueve
alrededor de ncleo siuiendo trayectoria cerrada...
*ero 6&odemos saer &or donde &asa dica tra'ectoria8...
...%podemos sa$er donde esta el electrn y hacia donde va en unmomento dado...
a Cnica manera de determinar &osicin de electrn: iluminarlo yo$servar lu& refle'ada
Jorge I. uluaga! "9/#$La
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*ero Dotones de luz (ue gol&ean electrones...modifican de manera considera$lemente su movimiento
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*ara conocer con &recisin dnde esta el electrn sedee sacriDicar inDormacin sore &ara donde ia@@
Do es posi$le determinar simultneamente con todaprecisin la u$icacin de un o$'eto microscpico y su
velocidadPRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE 1?e%'e),erg3 45;=7
Jorge I. uluaga! 2"/#$La
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=tras &ro&iedades de sistemas microsc&icos...
...tampoco se pueden medir simultneamente conprecisin
%Bem&lo : Enera del sistema, tiempo en el que la tieneExisten en el mundo microscpico cantidades,
propiedades de los sistemas que no pueden conocersecon precisin ar$itraria. "or rande que se nuestro
esfuer&o por precisar el valor de todas las propiedades deun sistema siempre ha$r unas propiedades que no
pueden precisarse del todo y cuando ellas se precisanotras de'an de hacerloUna "ormulacin generali#ada del$%&NC&$&O 'E &NCE%T&'U%E
Jorge I. uluaga! 22/#$La
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Co)'e*ue)*%a'
1 *artculas microsc&icas no se mueven siguiendotra'ectorias deDinidas...
... trayectoria implica conocimiento simultneo deposicin y velocidad...
Jorge I. uluaga! 2#/#$La
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K14i no se &uede determinar &osicin e3acta cuando seconoce e3actamente velocidad...
...mientras no se las intente o$servar partculas podranestar en todas partes...
...como las ondas...
%n ciertas situaciones slo &osile conocer &roailidadde encontrar &artcula en ciertos lugares del es&acio@
Jorge I. uluaga! 2/#$La
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E1%l vaco &odra no estar com&letamente vaco@
%n tiem&os mu' reves en el vaco la energa -en&rinci&io < 01 sera mu' incierta......"odra crearse enera en el vaco siempre y cuando la
misma enera desapareciera en un tiempo
extremadamente corto.../#UCTUACIONES CUNTICAS DE# >ACO
% ma'orG t menor
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El -a*0o &e la teor0a *u()t%*a )o e'ta -a*0o@
%nerga creada en tiem&o reve se materializa en laDorma de &artculas...
...partculas virtuales
Jorge I. uluaga! 2$/#$La
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%3iste algo ms increile aCn...
o slo el vaco microsc&ico no esta vaco@...Ge crean y desaparecen todo el tiempo partculaspero al final es como si no se hu$iera creado ninuna#
*ero esto Cltimo tam&oco es del todo cierto:
%n el mundo microsc&ico ningCn sistema -ni si(uierael vaco &uede tener una energa U@
%l vaco tiene una energa en &romedio = U...... ENER
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6*or 7u8
Eomo los electrones en un tomo no &ueden teneruna energa menor (ue un cierto valor -%nerga Kase1
%l vaco no &uede tener una energa menor (ue uncierto valor
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6Eunta es la energa de &unto cero8;665 NO SE SABE A CIENCIA CIERTA
6*uede e3&lotarse8NO SE SABE@
4i el vaco solo Dotones virtuales energa de &unto cerosera igual a la mitad de la energa de un Dotn...... pero hay tantos fotones distintos que en un volumen
de espacio microscpico ha$ra una C*NT&'*' &NC%E&+E 'E ENE%,*#
6Eomo es (ue no sentimos esa energa8...... es la misma en todas partes a nuestro alrededor#
Jorge I. uluaga! #0/#$La
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Pero e' e'to -er&a&
%3iste un medio tecnolgico &ara com&roar (ue lasDluctuaciones del vaco son reales
4i se &onen 2 metales mu' cerca uno de otro ' en elvaco...
%l vaco entre los metales ser distinto (ue el vaco (uelos rodea
as &artculas virtuales (ue se crean en el medio -(uese com&ortan adems como ondas1 solo &odrn tenercierta longitud de onda -como las ondas en unaguitarra@1
Jorge I. uluaga! #"/#$La
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a diDerencia entre las &artculas (ue se crean aDuera '
las (ue se crean adentro &roduce una Duerza de losmetales aca la regin intermedia8os metales GE >H>EHD#
E/ECTO CASIMIR
Hedido en "95A en loslaoratorios de *illi&s' ms recientementeen mClti&les
e3&erimentos
Jorge I. uluaga! ##/#$La
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&licaciones:
Duerzas cunticas enescalas mesosc&icas
>is&ositivos mecnicosHUL *%7U%M=4
aDectados &or este eDectoNANO MUINAS
Jorge I. uluaga! #/#$La
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=tra a&licacin...
Un tomo es e3citado con energa -luzG un gol&eG etc.1 %Bem&lo: un tomo de Hercurio en una lm&ara de
oDicina
Un tiem&o revsimo des&us el tomo se Ndese3citaO 'devuelve la energa reciida como luz@
C#A>E DE #A EMISIN DE #UZ *ero: 6(u induce al tomo a dese3citarse8
/lu*tua*%o)e' *u()t%*a' &el -a*0o@
%l vaco sera entonces el res&onsale de la iluminacinde nuestras oDicinas@
Jorge I. uluaga! #5/#$La
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#e*tura' re*ome)&a&a'
tt&://PPP.Bourne'!to!success.com/ero*ointField.tmlUn artculo mu' com&leto ' con curiosidades sore elvaco de la mecnica cuntica.
tt&://&'sicsPorld.com/cPs/article/&rint/9;;Q&P"5090$#Un artculo mu' com&leto sore la istoria deldescurimiento ' veriDicacin del eDecto Easimir
tt&://Bzuluaga.logs&ot.com/200;/0;/iBos!del!&rinci&io!de!incertidumre.tmlUn artculo en mi log sore el &a&el de las Dluctuacionescunticas en el desarrollo del Universo (ue conocemos
Jorge I uluaga! #$/#$
http://www.journey-to-success.com/ZeroPointField.htmlhttp://www.journey-to-success.com/ZeroPointField.htmlhttp://physicsworld.com/cws/article/print/9747#pw1509063http://physicsworld.com/cws/article/print/9747#pw1509063http://jzuluaga.blogspot.com/2007/07/hijos-del-principio-de-incertidumbre.htmlhttp://jzuluaga.blogspot.com/2007/07/hijos-del-principio-de-incertidumbre.htmlhttp://physicsworld.com/cws/article/print/9747#pw1509063http://physicsworld.com/cws/article/print/9747#pw1509063http://jzuluaga.blogspot.com/2007/07/hijos-del-principio-de-incertidumbre.htmlhttp://jzuluaga.blogspot.com/2007/07/hijos-del-principio-de-incertidumbre.htmlhttp://www.journey-to-success.com/ZeroPointField.html
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