Resultados del aprendizaje:

• Conocer el concepto de cuerpo negro.

• Establecer la Ley de Planck para la energía de un cuerpo negro.

• Diferenciar entre ondas y partículas.

• Comprender la dualidad onda-partícula.

• Definir un fotón y las magnitudes físicas asociadas al mismo.

• Comprender el efecto fotoeléctrico.

• Conocer la ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico.

• Conocer la dispersión de Compton y sus aplicaciones.

• Comprender la colisión entre partículas cargadas y fotones.

• Conocer los experimentos que ponen de manifiesto la naturaleza ondulatoria de las partículas materiales.

• Establecer la hipótesis de Louis de Broglie.

• Entender la cuantización del momento cinético del átomo de hidrógeno.

• Comprender la difracción de partículas.

• Comprender los niveles energéticos del átomo de hidrógeno.

• Comprender la cuantización de la energía en los átomos.

• Enunciar el Principio de Indeterminación.

• Establecer las consecuencias del Principio de Incertidumbre.

• Definir los valores esperados a partir de la función de onda.

• Escribir la ecuación de Schrödinger tanto dependiente como independiente del tiempo.

• Conocer el significado de la función de onda.

• Calcular los niveles de energía para una partícula confinada en una caja.

• Analizar el comportamiento mecánico cuántico de una partícula en un pozo de potencial.

• Utilizar los principios de la Física Cuántica para estudiar un oscilador armónico.

• Comparar los resultados proporcionados por la Física Cuántica con los obtenidos con la Física Clásica.

• Aplicar y resolver la ecuación de Schrödinger para una partícula en un pozo potencial rectangular e infinito.

• Aplicar y resolver la ecuación de Schrödinger en un pozo de potencial finito.

• Determinar las funciones de onda y niveles de energía en un oscilador armónico.

• Comprender la reflexión y transmisión de las ondas electrónicas

• Entender el efecto túnel cuántico.

Contextualización:

Desde el principio, debe quedar claro que el interés de esta asignatura versa, sustancialmente, sobre una cuestión bien clásica, la estructura de la materia y podemos añadir que se efectúa desde una perspectiva tanto microscópica como macroscópica, planteamiento, por otra parte, principal preocupación de la Física desde sus inicios. En este estudio, lamentablemente, no podemos aplicar los métodos de análisis siempre utilizados, por tratarse de un mundo, por ejemplo, extremadamente pequeño en el que las herramientas y los conceptos utilizados con anterioridad no sirven. El esfuerzo realizado ha proporcionado los instrumentos apropiados presentados en estos dos primeros temas del programa de al asignatura. Nos referimos a la Física Cuántica que se refiere al “conocimiento físico” del mundo atómico y subatómico. Hemos estudiado los conceptos “nuevos” procurando relacionarlos con la Física estudiada en los cursos anteriores y poniendo en evidencia que los recursos matemáticos son diferentes pues se aplican en condiciones diferentes.

Los procedimientos conceptuales y matemáticos, ahora presentados los vamos a utilizar en el desarrollo del programa de la asignatura, que es un programa de Física con independencia de la época de su nacimiento, con una continuidad clara que iremos poniendo de manifiesto en el desarrollo de esta Guía de Estudio.

Resultados del aprendizaje:

• Comprender la estructura física de un átomo.

• Conocer el modelo de Bohr para el átomo de hidrógeno.

• Utilizar el modelo de Bohr para explicar el espectro discreto de los átomos de hidrógeno.

• Establecer la teoría cuántica de los átomos.

• Relacionar la teoría cuántica de los átomos con la ecuación de Schrödinger.

• Resolver la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo para el átomo de hidrógeno.

• Comprobar que la función de onda en el átomo de hidrógeno depende de los números cuánticos n, l, ml y ms.

• Enunciar el principio de exclusión de Pauli y analizar sus posibles relaciones con los números cuánticos.

• Establecer la Tabla periódica de los elementos aplicando el principio de exclusión de Pauli y las restricciones que deben cumplir los números cuánticos.

• Entender el efecto espín órbita.

• Comprender el desdoblamiento de las líneas espectrales o estructura fina en los espectros atómicos.

• Aprender a caracterizar los espectros atómicos y diferenciar entre los espectros ópticos y los espectros de rayos X.

• Comprender la estructura de las moléculas.

• Definir y comprender los diferentes enlaces que permiten la formación de moléculas.

• Entender la emisión de radiación electromagnética de las moléculas y aprender a caracterizar esta emisión.

• Conocer el origen de la energía interna de una molécula.

• Diferenciar las moléculas biatómicas de las poliatómicas.

• Caracterizar los espectros moleculares.

• Conocer la estructura de los sólidos.

• Entender el concepto de energía potencial en relación con la estructura de un sólido.

• Comprender el modelo microscópico de la conducción eléctrica.

• Diferenciar entre la interpretación clásica y la cuántica en el modelo de conducción eléctrica.

• Conocer el gas de electrones de Fermi.

• Establecer la teoría de bandas de sólidos.

• Definir a los semiconductores.

• Entender el fenómeno de superconductividad.

Contextualización:

En este apartado de “Contextualización” intentamos dar continuidad a los temas tratados. Entendemos que esta continuidad tiene un especial significado en este estudio dedicado a la “Física Moderna” que, como hemos anticipado, parece ser el resultado de la yuxtaposición de diferentes cuestiones físicas, con independencia del momento de su inclusión en el mundo científico. Hemos visto en los dos primeros temas que la Mecánica Cuántica se trata de una “herramienta” más completa para estudiar diferentes cuestiones que no es posible realizar con los instrumentos matemáticos anteriores y con los conocimientos físicos que poseíamos. Recurriendo a palabras más sencillas, podemos considerar que cuando un científico se acerca a un nuevo fenómeno o aspecto físico, para estudiarlo o comprenderlo, en primer lugar, recurre a los conocimientos así como a los algoritmos matemáticos conocidos para llegar a una explicación coherente y satisfactoria.

Cuando el procedimiento no se puede llevar a buen destino, es imprescindible incorporar nuevas consideraciones, nuevos modelos y aspectos matemáticos innovadores que permitan expresar con la precisión adecuada los aspectos innovadores. El estudio de la estructura de la materia, que ahora presentamos, se diseña en dos niveles. En el primero, de carácter externo o macroscópico, del que resulta unos conocimientos o comportamientos físicos de fácil formulación. Salvando las distancias, nos referimos a aspectos físicos sencillos: el color, la dureza, la elasticidad, la densidad, etc. Son cuestiones o aspectos de sencilla apreciación. Por el contrario, el otro nivel de conocimiento, se refiere a lo microscópico, cuya apreciación requiere un tratamiento diferente y una explicación diferente. En las cuestiones que vamos tratar en este tema comenzamos con los aspectos generales de la materia. Es decir, nos referimos a fenómenos que tienen lugar en las “dimensiones pequeñas”, cuya explicación es diferente.

Resultados del aprendizaje:

• Comprender el significado físico del éter.

• Entender la importancia de la velocidad de la luz en Física.

• Conocer algún procedimiento para medir la velocidad de la luz.

• Diferenciar sistemas de referencia inerciales y no inerciales.

• Comprender los principios de la Teoría Especial de la Relatividad.

• Conocer los problemas de la Física que resuelve la teoría especial de la Relatividad.

• Conocer y aplicar la transformación de Lorentz.

• Calcular la transformación inversa de Lorentz.

• Conocer en qué condiciones se establece la dilatación del tiempo así como sus consecuencias en los fenómenos físicos.

• Determinar la dilatación del tiempo.

• Conocer en qué condiciones tiene lugar la contracción de longitudes así como sus consecuencias en los fenómenos físicos.

• Establecer el efecto Doppler relativista.

• Conocer el fenómeno de sincronización relativista.

• Definir la simultaneidad relativista.

• Entender por qué distintos observadores pueden discernir acerca de si dos sucesos son simultáneos.

• Aplicar el fenómeno de sincronización a los relojes.

• Entender la manera en que la relatividad predice que los relojes que se mueven se hacen lentos y la evidencia experimental que lo confirma.

• Comprender la paradoja de los gemelos.

• Establecer la transformación relativista de velocidades.

• Entender el procedimiento de cómo la velocidad de un objeto depende del sistema de referencia desde el que se observa.

• Diferenciar la “velocidad relativa de las velocidades no relativistas”..

• Definir el momento lineal relativista.

• Establecer la conservación del momento lineal relativista.

• Definir la energía relativista.

• Establecer el principio de conservación relativista.

• Diferenciar entre energía en reposo y energía relativista.

• Definir la masa y la energía en los fenómenos relativistas.

Contextualización:

La Teoría Especial de la Relatividad, junto con la Teoría Cuántica o Mecánica Cuántica, estudiada al comienzo de esta asignatura, son las más importantes teorías físicas aparecidas en los comienzos del siglo XX. Ambas han aportado importantes herramientas para el estudio y mejor comprensión de la naturaleza así como un desarrollo tecnológico nada despreciable.

La Relatividad se refiere, en esencia, a la comparación entre las medidas realizadas en diferentes sistemas de referencia inerciales que se mueven con velocidad constante uno respecto a otros. Sus consecuencias se pueden aplicar a diferentes fenómenos físicos recurriendo a unas herramientas matemáticas sencillas. En 1916, Einstein formuló una Teoría General de la Relatividad referida a los sistemas de referencia acelerados y a la gravitación, cuyo desarrollo matemático y conceptual no parecen apropiados para estudiar en esta asignatura. Ya hemos visto que la Mecánica Cuántica es imprescindible para mejor comprender la estructura de la materia, sobre todo, la referida a la dimensión atómica o subatómica. Dicho en un lenguaje coloquial, se refiere al mundo pequeño o muy pequeño que por los procedimientos normales no somos capaces de apreciar o diferenciar. Por el contrario, la relatividad se inclina por los fenómenos de grandes dimensiones y por las grandes velocidades, también complicadas de estimar con los procedimientos habituales de observación. Como tendremos ocasión de poner de manifiesto la Relatividad se puede aplicar a todas las ramas de la Física, así mismo, pondremos de manifiesto las diferencias existentes, en algunos fenómenos físicos al utilizar las doctrinas relativistas y no emplearlas.

Resultados del aprendizaje:

• Conocer la composición general de un núcleo atómico.

• Definir el tamaño, la forma y la densidad de un núcleo atómico.

• Conocer la relación entre energías atómicas y nucleares.

• Entender la idea de defecto de masa y energía de enlace.

• Entender la estabilidad de los núcleos a partir de la curva de energía de enlace por nucleón.

• Explicar el fenómeno de la radiactividad.

• Conocer los mecanismos de fisión y fusión nuclear.

• Conocer los distintos tipos de desintegración nuclear.

• Caracterizar las leyes generales que gobiernan las diferentes desintegraciones nucleares.

• Entender las reacciones nucleares.

• Diferenciar entre reacción nuclear exotérmica y reacción nuclear endotérmica.

• Caracterizar las reacciones nucleares.

• Entender el funcionamiento de un reactor nuclear.

• Entender y caracterizar las interacciones básicas.

• Comprender el significado de las partículas elementales.

• Definir las dos familias fundamentales de las partículas elementales.

• Definir los hadrones.

• Enunciar las leyes de conservación por las que se rigen las partículas elementales.

• Diferenciar entre partículas y antipartículas.

• Conocer la estructura general del modelo estándar de partículas elementales.

• Conocer los principales números cuánticos.

Contextualización:

El estudio de la estructura del núcleo, parte fundamental del átomo, permite llegar a una nueva dimensión del estudio de la estructura de la materia. Cada átomo contiene un núcleo, situado en su centro, con una densidad elevada con carga positiva y contiene la mayor parte de su masa a pesar de su pequeño tamaño. Tal vez pueda sorprender, en un primer estudio, la existencia de una fuerza nuclear que garantiza su forma y algunas propiedades fundamentales. Sin duda el conocimiento del núcleo atómico incorpora una dimensión diferente al concepto primario del átomo, al margen de su dimensión. Es muy importante la posibilidad que presentan algunos núcleos de desintegrarse, transformándose de manera espontánea en otras estructuras, mediante diferentes procesos. Esta parte de la Física Moderna supone un aporte decisivo para llegar a un completo conocimiento de la estructura de nuestro entorno y del Universo.

Resultados del aprendizaje (optativo):

• Conocer los conceptos básicos de la teoría de la Relatividad General.

• Conocer la Teoría del Big Bang.

• Comprender el significado del corrimiento hacia el rojo de las líneas del espectro para las galaxias lejanas.

• Valorar la importancia de la expansión del Universo descubierta por Hubble.

• Analizar el descubrimiento de Arno Penzias y Robert Wilson del Ruido de Fondo Cósmico y ver sus implicaciones cosmológicas.

• Explicar el diagrama H – R.

• Conocer que las estrellas tienen una naturaleza física, una estructura y están en continua evolución.

• Explicar las diferentes reacciones nucleares que se dan a lo largo de la vida de las estrellas.

• Conocer la forma en la que mueren las estrellas masivas.

• Conocer la problemática de la formación de las Galaxias.

• Analizar la implicación de los agujeros negros supermasivos y de los cuásares en la evolución galáctica.

• Conocer algunas teorías sobre la Evolución del Universo.

• Analizar las posibles formas de muerte del Universo.

• Analizar la implicación de la energía oscura en la evolución del Universo.

Contextualización:

La Astrofísica y la Cosmología tratan de explicar el origen y evolución del Universo y comprender la naturaleza física, estructura y evolución de los astros. Así pues, para su estudio necesitamos todas las herramientas que nos proporcionan la Física, tanto la clásica cómo la moderna y la tecnología actual. Es necesario conocer la Física clásica, la Relatividad Especial y General, la Física Cuántica, así como la Física Nuclear para comprender las reacciones nucleares que se dan en los corazones de las estrellas y explican su energía. Cuanto más profundicemos en el conocimiento del Cosmos mayor será la complejidad de la Física y el lenguaje matemático que habremos de utilizar. Así, en cursos superiores del Grado en Física se podrán cursar asignaturas optativas de Astronomía y Astrofísica para llegar a una mayor comprensión del Universo.