21314_fÍsica cuÁntica

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FORMATO DE CONTENIDO DE CURSO

VICERRECTORIA DE DOCENCIA

FACULTAD DE: CIENCIAS BÁSICAS

PROGRAMA DE: FÍSICA

PLANEACIÓN DEL CONTENIDO DE CURSO

1. IDENTIFICACIÓN DEL CURSO

NOMBRE : FÍSICA CUANTICA

CÓDIGO : 21314

SEMESTRE : VI

NUMERO DE CRÉDITOS : 4

REQUISITOS : 210080

HORAS PRESENCIALES DE

ACOMPAÑAMIENTO DIRECTO :

4

ÁREA DE FORMACIÓN : FUNDAMENTACIÓN EN CIENCIAS NATURALES Y

EXACTAS

TIPO DE CURSO : TEÓRICO

FECHA DE ACTUALIZACIÓN : MARZO DE 2012

2. DESCRIPCIÓN:

En este curso se describen fenómenos físicos basados en conceptos y fundamentos de la teoría cuántica. En algunos temas se recurren a comparaciones con resultados desde el punto de vista clásico. Los conceptos y definiciones están relacionados con temas tales como: Radiación Térmica y de Cuerpo Negro, Propiedades Corpusculares de la Radiación (Interacción de la Radiación con la Materia: Efecto Fotoeléctrico y Efecto Compton), Espectroscopía y Primeros Modelos Atómicos, Propiedades Ondulatorias de las Partículas, Mecánica Cuántica Ondulatoria (Ecuación de Schrödinger: solución de la ecuación de Schrodinger para distintos potenciales), Estructura y Espectros de Átomos con un-electrón y de Átomos con varios electrones. Descripción de Estructura y Espectros de Moléculas, Elementos de Física del Estado Sólido, Elementos de la Estructura Nuclear y Radiactividad.

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3. JUSTIFICACIÓN

Los importantes avances logrados en el campo de la física y de las ciencias en general, son debidos en gran parte a las nuevas teorías que surgieron a partir del año 1900, las cuales han permitido un conocimiento más profundo de la materia y sus componentes, la radiación y sus interacciones mutuas al igual que los desarrollos tecnológicos impresionantes como el láser y sus aplicaciones y nuevos sistemas de detección de la radiación. El estudio de estos fenómenos, de los sistemas atómicos y moleculares, así como de sus interacciones requiere de una fundamentación teórica basada en la mecánica cuántica. Estas nuevas teorías que conforman los fundamentos de la física moderna o física cuántica, son esenciales para la comprensión de diversos fenómenos que no pueden ser explicados a la luz de las teorías clásicas. Por otra parte, este curso está orientado para proporcionar al estudiante los elementos teóricos básicos para aplicarlos en el desarrollo de experimentos que son de mucha importancia en la física y que han permitido el avance de la actual tecnología.

4. PROPÓSITO GENERAL DEL CURSO

5. COMPETENCIA GENERAL DEL CURSO

6. PLANEACIÓN DE LAS UNIDADES DE FORMACIÓN

VER ANEXOS

7. BIBLIOGRAFÍA

7.1. BÁSICA

1. FEYMAN R., Física Cuántica: Lecturas de Física Vol 3, Fondo Interamericano, 1976

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2. ASHBY N., Principles of modern physics. Holden Duy. U.S.A. 1970. 3. CROWELL B., The modern revolutions in physics. Light and Matter. U.S.A. 2002. 4. GAUTREAU R., Savin W., Theory and Problems of Modern Physics. Mc Graw Hill. U.S.A. 1999. 5. BEISER A., Conceptos de física moderna. 2ª edición. Ed: McGraw-Gill. México 1977.

7.2. COMPLEMENTARIA

6. McGERVEY J.D. Introducción a la física moderna. Ed: Trillas. México 1975.

7. BENNET, G.A.G., Electricity and Modern Physics. Ed: Edward Arnold. London 1965.

8. GARCIA CASTAÑEDA M., Introducción a la física Moderna. Ed: Universidad

Nacional. Bogotá 1987.

9. HARNWELL G.P. Atomic physics. An atomic description of physical phenomena. Ed:

McGraw-Hill. New Cork 1955.

10. PRESTON D., DIETZ E., The Art of Experimental Physics, John Wiley and Sons, 1990

11. ALONSO M., FINN E.. Física Vol III, Fundamentos Cuánticos y Estadísticos.

Fondo Interamericano. México 1971.

12. ACOSTA V., COWAN CLYDE. Curso de Física Moderna. Harla, México,1976.

13. Artículos varios.

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Vo. Bo. Comité Curricular Si Si No

UNIDAD 1. RADIACIÓN TÉRMICA Y DE CUERPO NEGRO TIEMPO:_____________________

COMPETENCIA CONTENIDOS ESTRATEGIAS DIDACTICAS INDICADORES

DE LOGROS

ESTRATEGIAS EVALUATIVAS

4.2.1 Conceptualización. Una vez terminado el curso los estudiantes deberán estar en capacidad de: • Establecer las diferencias, limitaciones, alcances y aplicaciones entre la física clásica y la física cuántica. • Reconocer la necesidad de introducir el concepto de Cuantización de distintos entes como requisito para el desarrollo de una nueva teoría. • Identificar con claridad la necesidad del establecimiento de una nueva teoría para abordar la explicación de fenómenos y problemas físicos no resueltos por argumentos de la física clásica. • Distinguir los problemas y experimentos que dieron lugar al nacimiento de la física cuántica. • Distinguir con claridad fenómenos ondulatorios y corpusculares que le permita una comprensión de las propiedades corpusculares de la radiación y propiedades ondulatorias de la materia. • Aplicar con claridad los nuevos conceptos y definiciones para la solución de los problemas fundamentales de la llamada física cuántica. • Establecer con claridad el principio de correspondencia entre la física cuántica y la física clásica como un caso limite de la anterior. • Identificar el surgimiento natural de nuevos conceptos físicos a la luz de la teoría cuántica: Cuantización del momentum angular, números cuánticos, spin, etc.

8.1.1 Introducción. 8.1.2 Espectro Electromagnético: Ondas Electromagnéticas. 8.1.3 Radiación Térmica y de Cuerpo Negro. 8.1.4 Leyes Empíricas y Teoría Clásica de la Radiación del Cuerpo Negro (Trabajo) 8.1.5 Teoría Cuántica de Planck de la Radiación de Cuerpo Negro: Derivaciones, consecuencias. 8.1.6 Cuantización de la Energía, Niveles de Energía y Numero Cuántico n. 8.1.7 Resolución de problemas. 8.1.8 Aplicación • Radiación Térmica: Ley de Radiación de Stefan-Boltzmann (proyecto)

• Entrega del contenido del programa del curso y establecimiento de plan de trabajo: al inicio del curso se entrega el contenido del programa y se establece el plan de trabajo con su cronograma de actividades a realizar. • Revisión de literatura de referencia: para desarrollar cada tema o unidad los estudiantes se preparan independientemente con bibliografía o literatura de referencia que se le entrega con anticipación a la clase respectiva de tal forma que les permita participar activamente en el desarrollo de las clases. • Exposiciones: se discutirán y analizarán artículos de interés relacionados con la temática. • Búsqueda bibliográfica y en internet: se fomentara la búsqueda de temas en revistas o libros y en internet. • Busque en internet de programas interactivos: existen en internet numeras páginas que contienen programas interactivos que simulan experimentos o problemas relacionados con los diferentes temas. • Desarrollo de experimentos: el departamento de física de la universidad del atlántico, cuenta con el “laboratorio de física moderna”, en el que se pueden Diseñar, implementar y desarrollar diversos experimentos apropiados para el curso. • Asistencia y participación en coloquio de física: el departamento de física

La nota definitiva del curso se determinara con base en los indicadores de logros que guardan una relación con las competencias desarrolladas. Durante el desarrollo del curso se harán distintas actividades que permitan cuantificar los indicadores de logros, tales como: 9.1 Tipos de exámenes: • Quices: cuestionarios cortos y frecuentes para valorar el logro de competencias sobre comprensión de conocimientos de temas desarrollados. • Parciales: es un examen para valorar el logro de distintas competencias de varios temas o unidades. • Exposiciones: permiten valorar la comprensión de temas investigados. • Talleres: permiten valorar las competencias adquiridas en trabajos en grupos (resolución de problemas y ejercicios). • Examen final: permite valorar los conceptos adquiridos a través del curso. Este puede ser integral de tal forma que contenga la mayoría de los temas tratados en el curso. 9.2 Valoración Relativa: • La nota del primer parcial tiene un valor del 30% de la nota definitiva. • La nota acumulada de quices, talleres, exposiciones, tiene un valor del 40% de la nota definitiva. • La nota del examen final tiene un valor del 30% de la nota definitiva.

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• Identificar con claridad los fundamentos y principios de la física cuantica para la solución de problemas atómicos, moleculares y nucleares y teoría de sólidos.

tiene instituido el coloquio de física, como evento para la exposición de temas de interés físico.

9.3 Fechas de exámenes: • El examen parcial se efectuará en dos partes: el primero al final de la tercera unidad y el segundo al final de la sexta unidad. • Los quices se harán al final de cada tema o unidad. • El examen final se efectuará al final del curso.

UNIDAD 2: PROPIEDADES CORPUSCULARES DE LA RADIACIÓN: INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA

TIEMPO:_____________________

COMPETENCIA CONTENIDOS ESTRATEGIAS

DIDACTICAS INDICADORES DE LOGROS


8.2.1 Introducción: Nociones Básicas y Experimentos de Interacción Radiación- Materia 8.2.2 Fotoemisión y Efecto Fotoeléctrico. 8.2.3 Resultados Experimentales del Efecto Fotoeléctrico. 8.2.4 Interpretación Clásica del Efecto Fotoeléctrico y Limitaciones (Trabajo). 8.2.5 Interpretación Cuántica de Einstein del Efecto Fotoeléctrico. 8.2.6 Resolución de Problemas 8.2.7 Efecto Compton. Resultados Experimentales. 8.2.8 Interpretación Cuántica del Efecto Compton. 8.2.9 Resolución de Problemas. 8.2.10 Lecturas Complementarias: • Modelo del Efecto Fotoeléctrico en Metales y Semiconductores. • Rendimiento Cuántico en el Efecto Fotoeléctrico. • Carácter dual de la radiación: Fotones.

UNIDAD 3: NOCIONES DE ESPECTROSCOPIA Y MODELOS ATOMICOS TIEMPO:_____________________

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8.3.1 Introducción. Nociones Básicas y Modelos Atómicos. 8.3.2 Espectros y Estructura Atómica. Niveles de Energía y Principio de Combinación 8.3.3 Tipos de Espectros y Espectroscopias de Emisión y de Absorción: Experimentos y Técnicas Experimentales. 8.3.4 Espectro Visible del Hidrógeno Atómico y de Átomos con un-electrón 8.3.5 Modelos Atómicos de Thomson y Rhuderford: Logros y Limitaciones (Trabajo) 8.3.6 Modelo de Bohr del Átomo de Hidrógeno: Postulados, Cuantización, Número Cuántico. 8.3.7 Corrección de las ecuaciones de Bohr por la masa del núcleo: estructura isotópica 8.3.8 Experimento de Franck – Hertz: Estados Estacionarios el Átomo 8.3.9 Reglas de Cuantización y teoría relativista de Sommerfeld al átomo de hidrógeno. Números cuánticos. 8.3.10 Principio de Correspondencia de Bohr 8.3.11 Aplicaciones en el laboratorio • Espectro del Hidrógeno Atómico /Espectroscopía Óptica (experimento) • Estados Estacionarios (Experimento de Franck-Hertz)/Espectroscopía Electrónica (experimento)

UNIDAD 4: PROPIEDADES ONDULATORIA DE LAS PARTICULAS TIEMPO:_____________________




8.4.1 Introducción. Ondas de Partículas en

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Movimiento 8.4.2 Hipótesis de De Broglie. Longitud de onda de De Broglie 8.4.3 Propiedades de las ondas piloto: función de onda 8.4.4 Paquetes o Grupos de Ondas: Velocidad de Ondas y Velocidad de Grupos de Ondas 8.4.5 Difracción de Partículas: 8.4.6 Principio de Indeterminación de Heisenberg: Interpretación y Aplicaciones 8.4.7 Modelo Ondulatorio de De Broglie del Átomo de Hidrógeno 8.4.8 Aplicación de laboratorio • Difracción de luz por una rendija y principio de incertidumbre de Heisenberg (proyecto) • Difracción de electrones (experimento)

UNIDAD 5: MECÁNICA CUANTICA ONDULATORIA TIEMPO:_____________________




8.5.1 Introducción: Mecánica Cuántica. 8.5.2 Interpretación estadística de la función de onda 8.5.3 Ecuación de Schrödinger 8.5.4 Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo 8.5.5 Operadores Mecanocuánticos y Valor Esperado de una Variable Dinámica 8.5.6 Soluciones de la Ecuación de Schrödinger para algunos potenciales: Potencial cero (Partícula Libre), Potencial de Escalón, Potenciales de Barrera, Potencial Pozo Cuadrado, Potencial Cuadrado Infinito, El Oscilador Armónico. 8.5.7 Probabilidades de Transición y Reglas de Selección

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UNIDAD 6: TEORÍA CUANTICA DE ATOMOS CON UN-ELECTRON TIEMPO:_____________________




8.6.1 Introducción. La Mecánica Cuántica Aplicada al átomo de Hidrogeno e Hidrogenoides 8.6.2 Ecuación de Schrödinger para átomos con un-electrón: Funciones de Onda, Valores Propios de Energía, Números Cuánticos, Degeneración, Funciones Propias y Densidad de Probabilidad. 8.6.3 Operadores de Momentum Angular: Momentum Angular Orbital, Cuantización Espacial, Números Cuánticos y Reglas de Selección. 8.6.4 Efecto de un Campo Magnético Externo Sobre el Átomo de Hidrógeno. Efecto Zeeman 8.6.5 Experimento de Stern y Gerlach y el Spin del electrón: Momentum Angular de Spin. 8.6.6 Interacción Spin-Orbita y Momentum Angular Total. 8.6.7 Aplicaciones: Los Alcalinos – * Espectro del Na /espectroscopia óptica.

UNIDAD 7: DESCRIPCIÓN CUANTICA DE ÁTOMOS CON VARIOS ELECTRONES TIEMPO:_____________________




8.7.1 Introducción. 8.7.2 El átomo de Helio 8.7.3 Principio de Exclusión de Pauli 8.7.4 Estructura Electrónica de Átomos 8.7.5 Términos de Acoplamiento L-S 8.7.6 Átomos Alcalinos 8.7.7 Configuraciones Complejas

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8.7.8 La Tabla Periódica: Configuración Electrónica de Átomos e Iónes 8.7.9 Aplicaciones •Espectro óptico de Ne

UNIDAD 8: DESCRIPCIÓN DE MOLÉCULAS: ESTRUCTURA Y ESPECTROS TIEMPO:_____________________




8.8.1 Introducción. Nociones básicas y técnicas experimentales 8.8.2 Conceptos de valencia y enlaces 8.8.3 Teoría de Orbitales Moleculares y Moléculas Diatómicas. Configuración Electrónica 8.8.4 Energías de las Moléculas: Energía Electrónica, Vibracional y Rotacional 8.8.5 Espectros de Moléculas Diatómicas y Transiciones Electro-Vibro- 8.8.6 Rotacionales Principio de Franck-Condon 8.8.7.Aplicaciones •Espectro óptico del N2

UNIDAD 9: ELEMENTOS DE FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO TIEMPO:_____________________




8.9.1 Introducción. Nociones básicas y técnicas experimentales 8.9.2 Rayos X: Naturaleza y propiedades 8.9.3 Emisión y espectro de rayos X. 8.9.4 Absorción de rayos X y coeficiente de absorción 8.9.5 Interferencia y difracción de rayos X 8.9.6 Estructura de los sólidos 8.9.7 Elementos de la estructura de cristales

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8.9.8 Tipos de sólidos 8.9.9 Teoría de Bandas y Modelo de Electrones Libres 8.9.10 Conducción eléctrica en los sólidos 8.9.11 Metales, aislantes y semiconductores 8.9.12 Aplicaciones •Propiedades eléctricas de materiales (Lab. Física de Materiales) •Propiedades térmicas de materiales (Lab. Física de Materiales) •Conductividad eléctrica (Lab. Física de Materiales) •Efecto Hall (Proyecto)

UNIDAD 10: ELEMENTOS DE LA ESTRUCTURA DE LA NUCLEAR Y RADIACTIVIDAD TIEMPO:_____________________

COMPETENCIA CONTENIDOS ESTRATEGIAS DIDACTICAS INDICADORES DE

LOGROS


8.10.1 Introducción. Conceptos básicos 8.10.2 Componentes del núcleo 8.10.3 Unidad de masa atómica 8.10.4 La estructura del núcleo 8.10.5 Modelos del núcleo 8.10.6 Fuerza nuclear y energía de enlace 8.10.7 Radiactividad Natural. Estabilidad, vida media, isótopos, series radiactivas 8.10.8 Radiactividad Artificial. Reacciones nucleares 8.10.9 Fusión y fisión. Técnicas experimentales 8.10.10 .Nociones sobre partículas elementales 8.10.11 .Aplicaciones Experimentos de radiactividad

Replicar estos cuadros, de acuerdo al número de unidades del curso.

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