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Fisica 1° · 2024
Libro de Física 1 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

252/274

Max Planck y el origen de la teoría cuántica

📄 teoria fisica 🎓 bachillerato · 1° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

Sin Planck no existiría la física cuántica: la radiación seguiría siendo continua, los electrones tendrían trayectorias determinadas y no existirían el láser, la electrónica ni la tecnología actual basada en lo infinitamente pequeño.

📚 theory fisica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 8 min lectura

Solución — Página 252

Fisica 1° · 2024

1
Ejercicio 1

Pregunta de reflexión del texto: ¿Cómo sería el progreso de la física sin las ideas de Max Planck?

Respuesta orientativa (construida con los datos del texto):

  1. A finales del siglo XIX la física clásica explicaba el movimiento, la materia, la energía, el calor, el electromagnetismo y la luz por separado, pero fracasaba al intentar explicar la radiación de los cuerpos calientes (el cuerpo humano emite infrarrojos; el Sol o un clavo al rojo vivo emiten luz visible).
  2. Sin el salto cuántico de Planck, ese problema se habría mantenido sin resolver y no existiría la constante de Planck, h = 6.626 \times 10^{-34} \, \text{J} \cdot \text{s}, que introduce la energía de un cuanto: E = h\,\nu.
  3. La energía no sería indivisible en paquetes de energía E = h\,\nu, sino que se seguiría creyendo que la radiación es un chorro continuo de energía.
  4. La dualidad onda-partícula de la luz y de los electrones no podría explicarse; los electrones seguirían describiéndose con trayectorias determinadas y predecibles, como las de una bala, en lugar de ocupar al mismo tiempo todos los puntos de su órbita.
  5. No existirían, o llegarían mucho más tarde, tecnologías como el tubo fluorescente, el láser y la electrónica moderna, y la física no podría aplicarse a lo infinitamente pequeño.
  6. Tampoco Einstein ni la física posterior (descubrimiento de nuevas formas de producir luz, espectroscopía, etcétera) habrían podido desarrollarse sobre esa base.

Complemento (constante de Planck y cuanto de energía): la energía de un cuanto es E = h\,\nu, con h = 6.626 \times 10^{-34} \, \text{J} \cdot \text{s} y \nu la frecuencia de la radiación; por eso la energía se emite en porciones indivisibles o "cuantos".

Respuesta

Sin Planck no habría física cuántica: la radiación se seguiría entendiendo como continua, los electrones tendrían trayectorias determinadas y no existirían el láser, la electrónica ni la tecnología actual basada en la microfísica.

Contenido de la página

Juntos leemos — Max Planck

Alguna vez has pensado... ¿Cómo sería el progreso de la física sin las ideas de Max Planck?

Max Planck

Si los físicos escribieran la Historia, estaríamos en el siglo II de nuestra era, más concretamente en el año 116 después de Planck, el físico alemán que cambió nuestra visión del mundo cuando puso la primera piedra de la teoría cuántica en el año 1900 (de la era cristiana). Y eso que algunos de sus profesores le habían recomendado que se dedicase a las Matemáticas, que la Física no tenía futuro. Cuando Max Planck (1858-1947) entró en la universidad parecía que en la Física todo estaba descubierto. A finales del siglo XIX el movimiento, la materia, la energía, el calor, el electromagnetismo y la luz se entendían muy bien por separado, pero no tanto cuando se relacionaban.

Por ejemplo, los físicos tenían problemas para explicar la forma en que los cuerpos calientes irradian energía. El cuerpo humano emite radiación infrarroja, no está lo suficientemente caliente como para emitir luz visible; pero sí lo están el Sol o un clavo al rojo vivo. Si el clavo se calienta aún más, en su luz irá predominando el naranja, amarillo, verde, azul y violeta.

Esto no había manera de encajarlo con ninguna fórmula construida según las reglas de la Física clásica, así que a los 42 años Planck decidió saltarse esas normas y se sacó de la manga un número fijo, con treinta y cuatro ceros a la izquierda, que introdujo entre las incógnitas de sus ecuaciones. En principio usó ese número diminuto solo porque le permitía resolver el problema, pero meses después se dio cuenta de lo que significaba: la radiación no era un chorro continuo de energía, sino que la energía salía disparada en pequeñas porciones indivisibles, a las que llamó "cuantos".

Aquello le sonaba tan ridículo como si al pulsar una tecla de su órgano oyese un sonido intermitente, entrecortado. Planck era un buen músico. Los conciertos que daba en su casa de Berlín servían de plácida reunión a consagrados científicos, teólogos, filósofos y lingüistas. Nada más lejos de su intención que poner ese mundillo intelectual patas arriba; y de hecho, él fue el primero en desconfiar de su teoría cuántica y trató por todos los medios de librarse de aquel número diminuto (de revolucionarias implicaciones), que hoy llamamos la constante de Planck.

Pero no lo logró, y su teoría cambió la Física para siempre, por lo que recibió el Nobel en 1918. Tampoco pudo parar a los nazis, que en los años 30 subieron al poder y también acabaron controlando y usando para sus intereses bélicos la Sociedad Germana de las Ciencias, presidida por Planck. Entonces, él dimitió. Aguantó en Alemania hasta el final de la Segunda Guerra Mundial, a pesar de que perdió todas sus notas científicas en un bombardeo y de que su hijo fue ejecutado, acusado de conspirar para asesinar a Hitler.

A pesar de la resistencia inicial, primero Einstein y luego muchos otros científicos adoptaron las ideas cuánticas de Planck para explicar que las ondas de luz a veces se comportan como un chorro de partículas y que los electrones que giran en los átomos son al mismo tiempo partículas y ondas; o para descubrir que hay más formas de conseguir luz que hacer fuego o calentar un metal.

Los beneficios fueron enormes: el tubo fluorescente, el láser, la electrónica... Gracias a Planck y su teoría cuántica, la física ya se podía aplicar a lo infinitamente pequeño, pero a cambio se convirtió en algo que supera nuestra imaginación: un electrón ocupa al mismo tiempo todos los puntos de su órbita, puede saltar a otra órbita sin pasar por ningún punto intermedio y su trayectoria es impredecible, al contrario que la de un objeto en movimiento, como una bala.

Al menos la Física clásica seguía sirviendo para las cosas que vemos con nuestros propios ojos. Como dijo Bohr, el primero en usar la cuántica para describir el átomo: "Si nada de esto te parece chocante, es que no lo has entendido".

Francisco Doménech. Tomado de https://bit.ly/2Vwlq9B (13/03/2019). Francisco Doménech (1974). Periodista español. Escribe para el diario El País, de España.

Texto de Física — página 251

Ejemplos resueltos

El texto menciona "un número fijo, con treinta y cuatro ceros a la izquierda". ¿De qué número se trata y qué representa?

  1. El número es la constante de Planck, h = 6{,}626 \times 10^{-34} \, \text{J} \cdot \text{s}.
  2. Al escribirse en notación decimal, 6,626 × 10⁻³⁴ equivale a 0,000…06626 con treinta y tres ceros entre el punto decimal y el 6 (el texto lo redondea como "treinta y cuatro ceros a la izquierda" por la magnitud del exponente).
  3. Representa la escala del mundo cuántico: la energía se intercambia en paquetes E = h\,\nu indivisibles. Respuesta: Es la constante de Planck, h \approx 6{,}626 \times 10^{-34} \, \text{J} \cdot \text{s}, que hace que la energía se emita en cuantos indivisibles.

Tabla

Aspecto Física clásica Física cuántica (Planck)
Radiación de los cuerpos calientes Chorro continuo de energía Energía en porciones indivisibles (cuantos), E = h\,\nu
Escala de aplicación Lo que se ve a ojo desnudo Lo infinitamente pequeño (átomo, electrón)
Trayectoria de un cuerpo Determinada y predecible Impredecible; el electrón ocupa toda su órbita
Luz Onda electromagnética Dualidad onda-partícula
Tecnología asociada Motores, industria del vapor Tubo fluorescente, láser, electrónica

Diagrama

timeline
  title Línea de tiempo de Max Planck
  1858 : Nace Max Planck en Alemania
  1877 : Ingresó a la universidad (sus profesores le recomendaron Matemáticas)
  1900 : Pone la primera piedra de la teoría cuántica
  1918 : Recibe el Premio Nobel de Física
  1930s : Los nazis toman el poder y controlan la Sociedad Alemana de las Ciencias; Planck dimitió
  1947 : Muere Max Planck

Fórmulas y ecuaciones

Energía de un cuanto: E = h\,\nu, con h = 6{,}626 \times 10^{-34} \, \text{J} \cdot \text{s} (constante de Planck) y \nu la frecuencia de la radiación.

h = 6.626 \times 10^{-34} \, \text{J} \cdot \text{s}

E = h \, \nu

\nu = \frac{c}{\lambda}

Glosario (7)

Teoría cuántica
Teoría física que describe la naturaleza en niveles diminutos: la energía se intercambia en porciones indivisibles llamadas cuantos.
Cuanto de energía
Porción mínima e indivisible de energía que se emite o absorbe, cuyo valor es E = h·ν.
Constante de Planck
Número fijo, muy pequeño (h ≈ 6,626 × 10⁻³⁴ J·s), que Planck introdujo en sus ecuaciones y que da la escala del mundo cuántico.
Radiación infrarroja
Radiación térmica de baja energía emitida por cuerpos poco calientes, como el cuerpo humano.
Radiación visible
Parte del espectro electromagnético que el ojo humano percibe, emitida por cuerpos muy calientes como el Sol o un metal al rojo vivo.
Dualidad onda-partícula
Comportamiento de la luz y de los electrones que puede explicarse como onda y como partícula a la vez.
Física clásica
Conjunto de leyes (mecánica, electromagnetismo, termodinámica) válidas para los objetos que se ven a simple vista, con trayectorias determinadas y predecibles.

Preguntas para practicar

¿Qué es la constante de Planck y por qué es tan diminuta?

Es un número físico fijo, h ≈ 6,626 × 10⁻³⁴ J·s, que aparece en la ecuación E = h·ν. Su magnitud diminuta muestra que a nivel microscópico la energía se intercambia en paquetes minúsculos e indivisibles, los cuantos; por eso la teoría cuántica solo se manifiesta en lo infinitamente pequeño.

¿Por qué al principio Planck desconfió de su propia teoría cuántica?

Porque la idea de que la radiación no es un chorro continuo de energía sino una sucesión de porciones indivisibles contradecía toda la Física clásica y le parecía tan absurda como oír en un órgano un sonido intermitente y entrecortado al pulsar una tecla. Solo usó el número para resolver el problema, sin imaginar sus revolucionarias implicaciones.

¿Qué diferencias señala el texto entre la trayectoria de un electrón y la de un objeto macroscópico como una bala?

Un electrón ocupa al mismo tiempo todos los puntos de su órbita, puede saltar a otra órbita sin pasar por ningún punto intermedio y su trayectoria es impredecible; en cambio, un objeto en movimiento como una bala sigue una trayectoria determinada y predecible, que puede describirse con la Física clásica.

¿Qué papel tuvieron Einstein y Bohr respecto de la teoría cuántica de Planck?

Aunque Planck desconfió de su teoría, Einstein fue el primero en adoptarla para explicar que las ondas de luz se comportan como un chorro de partículas, y luego Bohr la utilizó para describir el átomo, afirmando célebremente que si nada de eso parece chocante es que no se ha entendido.

Temas y conceptos clave

Max PlanckTeoría cuánticaConstante de PlanckRadiación y cuerpos calientesFísica clásica frente a la física cuánticaHistoria de la físicaconstante de Planckcuanto de energíaradiación infrarrojaradiación visibleteoría cuánticaNobel de Física 1918dualidad onda-partículaláser

Fuentes y referencias

  • https://bit.ly/2Vwlq9B (13/03/2019)
  • Francisco Doménech, El País, España
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Preguntas que la gente también hace

¿Quién fue Max Planck y qué aportó a la física?
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¿Cómo cambió la teoría de Planck la física y la tecnología actual?
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📌 Antes de leer esto
  • • Conceptos de energía, luz y radiación electromagnética
  • • Notión de espectro visible (infrarrojos, luz visible, ultravioleta)
  • • Noción de electrón y estructura del átomo
  • • Históricamente: finales del siglo XIX y avances científicos
Siguiente tema sugerido
El modelo atómico cuántico de Bohr: niveles de energía y saltos de electrones
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Alguna vez has pensado...

¿Cómo sería el progreso de la física sin las ideas de Max Planck?

Max Planck

Si los físicos escribieran la Historia, estaríamos en el siglo II de nuestra era, más concretamente en el año 116 después de Planck, el físico alemán que cambió nuestra visión del mundo cuando puso la primera piedra de la teoría cuántica en el año 1900 (de la era cristiana). Y eso que algunos de sus profesores le habían recomendado que se dedicase a las Matemáticas, que la Física no tenía futuro. Cuando Max Planck (1858-1947) entró en la universidad parecía que en la Física todo estaba descubierto. A finales del siglo XIX el movimiento, la materia, la energía, el calor, el electromagnetismo y la luz se entendían muy bien por separado, pero no tanto cuando se relacionaban.

Por ejemplo, los físicos tenían problemas para explicar la forma en que los cuerpos calientes irradian energía. El cuerpo humano emite radiación infrarroja, no está lo suficientemente caliente como para emitir luz visible; pero sí lo están el Sol o un clavo al rojo vivo. Si el clavo se calienta aún más, en su luz irá predominando el naranja, amarillo, verde, azul y violeta.

Esto no había manera de encajarlo con ninguna fórmula construida según las reglas de la Física clásica, así que a los 42 años Planck decidió saltarse esas normas y se sacó de la manga un número fijo, con treinta y cuatro ceros a la izquierda, que introdujo entre las incógnitas de sus ecuaciones. En principio usó ese número diminuto solo porque le permitía resolver el problema, pero meses después se dio cuenta de lo que significaba: la radiación no era un chorro

continuo de energía, sino que la energía salía disparada en pequeñas porciones indivisibles, a las que llamó “cuantos”.

Aquello le sonaba tan ridículo como si al pulsar una tecla de su órgano oyese un sonido intermitente, entrecortado. Planck era un buen músico. Los conciertos que daba en su casa de Berlín servían de plácida reunión a consagrados científicos, teólogos, filósofos y lingúistas. Nada más lejos de su intención que poner ese mundillo intelectual patas arriba; y de hecho, él fue el primero en desconfiar de su teoría cuántica y trató por todos los medios de librarse de aquel número diminuto (de revolucionarias implicaciones), que hoy llamamos la constante de Planck.

Pero no lo logró, y su teoría cambió la Física para siempre, por lo que recibió el Nobel en 1918. Tampoco pudo parar a los nazis, que en los años 30 subieron al poder y también acabaron controlando y usando para sus intereses bélicos la Sociedad Germana de las Ciencias, presidida por Planck. Entonces, él dimitió. Aguantó en Alemania hasta el final de la Segunda Guerra Mundial, a pesar de que perdió todas sus notas científicas en un bombardeo y de que su hijo fue ejecutado, acusado de conspirar para asesinar a Hitler.

A pesar de la resistencia inicial, primero Einstein y luego muchos otros científicos adoptaron las ideas cuánticas de Planck para explicar que las ondas de luz a veces se comportan como un chorro de partículas y que los electrones que giran en los átomos son al mismo tiempo partículas y ondas; o para descubrir que hay más formas de conseguir luz que hacer fuego o calentar un metal.

Los beneficios fueron enormes: el tubo fluorescente, el láser, la electrónica... Gracias a Planck y su teoría cuántica, la física ya se podía aplicar a lo infinitamente pequeño, pero a cambio se convirtió en algo que supera nuestra imaginación: un electrón ocupa al mismo tiempo todos los puntos de su órbita, puede saltar a otra órbita sin pasar por ningún punto intermedio y su trayectoria es impredecible, al contrario que la de un objeto en movimiento, como una bala.

Al menos la Física clásica seguía sirviendo para las cosas que vemos con nuestros propios ojos. Como dijo Bohr, el primero en usar la cuántica para describir el átomo: “Si nada de esto te parece chocante, es que no lo has entendido”.

Francisco Doménech Tomado de https:/bitly/2VwIq9B (13/03/2019) Francisco Doménech (1974). Periodista español. Escribe para el diario El País, de España.

Texto de Física (757

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