12 nov. 2018 1 La naturaleza de la materia ONDAS DE MATERIA Consuelo Escudero FI (UNSJ) ¿Cuál es el experimento más bello de la física? Esa es la pregunta que R. P. Crease, historiador de la ciencia, hizo a los lectores de la revista Physics World en el año 2002. La mayoría de los experimentos elegidos tuvieron lugar sobre una mesa y ninguno de ellos precisó más poder de computación que una regla de cálculo o una calculadora. Se trata de la belleza en su sentido clásico: la simplicidad lógica del aparato y del análisis de sus resultados, no son confusos ni ambiguos y aportan algo original sobre el comportamiento de la naturaleza. En esta charla vamos a ocuparnos de dos de los experimentos elegidos: La interferencia de la doble rendija de Young para la luz (5º en el ranking) y para electrones (1º). Antes vamos a comentar brevemente en el orden que fueron votados los diez experimentos más bellos de la física: LOS DIEZ EXPERIMENTOS MÁS BELLOS DE LA FÍSICA
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1
La naturaleza de la materiaONDAS DE MATERIA
Consuelo Escudero
FI (UNSJ)
¿Cuál es el experimento más bello de la física?
Esa es la pregunta que R. P. Crease, historiador de la ciencia, hizo a los
lectores de la revista Physics World en el año 2002.
La mayoría de los experimentos elegidos tuvieron lugar sobre una mesa
y ninguno de ellos precisó más poder de computación que una regla de
cálculo o una calculadora.
Se trata de la belleza en su sentido clásico: la simplicidad lógica del
aparato y del análisis de sus resultados, no son confusos ni ambiguos y
aportan algo original sobre el comportamiento de la naturaleza.
En esta charla vamos a ocuparnos de dos de los experimentos elegidos:
La interferencia de la doble rendija de Young para la luz (5º en el
ranking) y para electrones (1º).
Antes vamos a comentar brevemente en el orden que fueron votados los
diez experimentos más bellos de la física:
LOS DIEZ EXPERIMENTOS MÁS BELLOS
DE LA FÍSICA
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1. Interferencia de electrones en una doble rendija de Young
(Jönsson, 1961).
La dualidad onda-partícula de la naturaleza es el principio fundamental de
la física cuántica.. En 1927 la naturaleza ondulatoria de los electrones fue
establecida experimentalmente mediante la observación de un patrón de
difracción (un fenómeno característico de la propagación de ondas)
cuando incidía un haz de electrones sobre un cristal de níquel.
Este experimento era más conocido como experimento pensado.
Un haz de electrones incide sobre una placa provista de dos rendijas
próximas ¿qué se observa sobre una pantalla, colocada detrás de las
rendijas, sobre la cual cada electrón produce un punto luminoso al
chocar? Si los electrones se comportasen como partículas el patrón
esperado en la pantalla sería el de dos franjas luminosas, cada una de
ellas imagen de una de las rendijas. Sin embargo, de acuerdo a la física
cuántica, el haz electrónico se divide en dos y los haces resultantes
interfieren uno con otro, formándose en la pantalla un curioso patrón
de bandas oscuras y luminosas. Fue recién en 1961 que Claus Jönsson
llevó a cabo el experimento en forma real.
A través de este experimento
conocido como el experimento de
“la doble rendija" de Young, y
votado, en el año 2002 como el
quinto experimento más hermoso
de la Física), Young demostró con
“certeza” que la la luz era una
onda.
En efecto, midió su longitud de
onda y su frecuencia, y estas son
magnitudes asociadas a una onda
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En 1905, un joven alemán,
empleado de la oficina de
patentes de Zurich, llamado
Albert Einstein, demuestra
que la idea de que la luz se
comporta como una onda no
es totalmente correcta y que
la energía de un haz de luz
viaja en paquetes discretos
más que distribuida
continuamente sobre una
región del espacio.
Y ahora qué ???
SIN EMBARGO,
Hertz (1887)
JJ Thomson (1889)
Lenard (1902)
En un artículo titulado "Un punto de vista heurístico sobre la
producción y transformación de la luz" (1905) Einstein
mostró que la idea de partículas discretas de luz (fotones)
podía explicar el efecto fotoeléctrico y la presencia de una
frecuencia característica para cada material por debajo de la
cual no se producía ningún efecto.
Por esta explicación del efecto fotoeléctrico Einstein recibiría
2. Cuando un evento ocurre de varias formas alternativas, la amplitud de la
probabilidad del evento es la suma de las amplitudes de probabilidad para
cada uno considerado separadamente.
1 2
2
1 2P
= +
= +
fuente alternativa 1
alternativa 2
1 2 = +
Evento: un electrón o un fotón deja la fuente, llega al detector, nada más sucede”
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La ecuación de Schrödinger describe la probabilidad de que una partícula se encuentre en un lugar determinado o tenga una energía
determinada de acuerdo con ...
a) Buena precisión en la posición pero valor de longitud de onda poco preciso.b) Onda bien definida en cuanto a longitud de onda pero la posición de la partícula está distribuida en el ancho del paquete de ondas, es decir, poco definida.
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Representaciones del átomo
Conjugación de diversos sistemas de representación.
Para mejorar el aprendizaje de imágenes
• Otorgarles un lugar, formando parte del conocimiento en construcción.
• En la figura no solo se representa el caso en que hay una superposición constructiva de las ondas, también se hace referencia a la existencia de niveles con diferentes valores de energía (ni).
• No sólo como herramienta de enseñanza y de aprendizaje sino con otro perfil que las conecta con una función bastante más comprometida, que es como generadora de conocimientos. Es a ésta donde se apunta cuando se insiste con la interpretación matemática.
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El spin y el experimento deStern-Gerlach
• El experimento de Stern-Gerlach
• El raro comportamiento del spin
• Algunos postulados de la mecánica cuántica
• Un poquito de algebra lineal
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El experimento de Stern y GerlachDescubrimiento del spin
• Un haz de átomos de plata se enviaba a través de un campo magnético no uniforme y observaron que se dividía en dos componentes.
• ¡Sólo se observan dos valores para mz! (o mx, o my) → El spin está cuantizado!
El estado cuántico es un vector
• El spin en un experimento de S-G se comporta como la luz en un experimento con polarizadores.
→ Describimos el spin con un vector (igual que en la polarización).
• El espacio de estados de este spin es un espacio vectorial complejo de 2D (¡Eso es un qubit!!).
• Una base para este espacio son los estados |↑z›;|↓z›.
• Cualquier estado puede escribirse: |ψ›= α|↑z›+β|↓z›.
• |α|2 y |β|2 son las probabilidades de que al medir el
spin en ^z obtenga + o - 1, respectivamente.
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Las partículas tienen valores cuantizados de spin
Pero, ¿qué es un estado cuántico?
• El estado es la información necesaria para predecir lasprobabilidades de todos los resultados en todas lasposibles mediciones.
• También podemos pensar el estado como el resultado deun proceso de preparación (por ejemplo, medir el spin en^z y quedarse con los spines hacia arriba).
• Las «propiedades» son las cosas que pueden medirse de un sistema, y están representadas por operadores lineales(matrices).
• No todas las propiedades pueden medirse a la vez (algunas son incompatibles).