Física (plan 2002) 2014-2

Quinto Semestre, Introducción a la Física Cuántica

INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA CUANTICA

Ma. de los Angeles Ortiz Flores y Gustavo Amilcar Saldaña Moncada

El blog del curso se encuentra en el siguiente link

http://fiscuantica01.blogspot.mx/

PROGRAMA Enero de 2014

En este curso se presenta una introducción a la Física Cuántica con una visión actualizada, que tome en cuenta el desarrollo histórico, pero que permita abordar problemas de interés a fin de adquirir una imagen de la física de nuestros días. Al mismo tiempo es indispensable aprender a trabajar con las herramientas y los métodos de esta nueva física.

El curso tiene como objetivo introducir los conceptos actuales de la estructura de la materia, mediante una visión cuántica del mundo microscópico. Para lograr este propósito se usará la evidencia experimental y conceptos elementales de la mecánica cuántica con aplicaciones en la física atómica, molecular, del estado sólido, la física nuclear concluyendo con un panorama de la visión moderna de la estructura de la materia basada en el modelo estándar y la física de las partículas elementales.

A continuación presentamos, escuetamente, los temas que se quieren abordar en el curso. Los hemos organizado por semana, sin embargo seremos flexibles y se podrá modificar el tiempo programado para algunos temas, tomando en cuenta el interés de los alumnos.

I. Historia. Breve resumen: de los Griegos a las Supersimetrías y Supercuerdas. Tratamiento cualitativo y descriptivo del contenido del curso.

Semana 1. 27 a 30 de Enero.

El punto de vista atomista de la materia. Los griegos. Primeras evidencias (Dalton).

Pesos moleculares, pesos atómicos, el número de Avogadro. Tabla periódica.

Estructura de los átomos: Núcleos y electrones.

Los electrones son partículas sin tamaño ni estructura.

Estructura de los núcleos: Protones y neutrones

Estructura de los nucleones: quarks (fuerza electromagnética, fuerza fuerte y fuerza débil

como fuerzas fundamentales).

II Antecedentes de la Física Cuántica.

Semana 2. 4 y 6 de Febrero.

Teoría cuántica de la luz. El punto de vista discreto de la radiación.

Emisión y absorción de radiación: Kirchhoff.

Radiación de cuerpo negro. Ley de Rayleigh-Jeans.

Planck y la Radiación de cuerpo negro.

Semana 3. 10 a 13 de Febrero

El efecto fotoeléctrico.

Calores específicos.

Introducción a la Teoría de la Relatividad. Conceptos básicos.

Semana 4. 16 a 20 de Febrero

Introducción a la Teoría de la Relatividad.

Rayos X (fotones de alta energía).

El efecto Compton. Producción de pares.

Semana 5. 24 a 27 de Febrero.

Naturaleza atómica de la materia.

Espectros atómicos.

Primeras evidencias físicas de la existencia de los átomos

Modelo atómico de Thomson.

Experimento de Rutherford

Primer conjunto de exposiciones. 27 de Febrero, Examen en salón y 27 de Febrero, tarea examen para entregar el 3 de Marzo.

Semana 6. 3 a 6 de Marzo

Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno.

Confirmación directa de los niveles de energía atómicos: Experimento de Franck-Hertz.

Principio de Correspondencia.

La física atómica de 1913 a 1924 (La antigua mecánica cuántica).

Semana 7. 10 a 13 de Marzo

Propiedades ondulatorias de las partículas.

La hipótesis de de Broglie, dualidad onda partícula. Ondas de materia.

Experimento de Davisson-Germer.

Experimento de las dos rendijas.

Principio de incertidumbre de Heisenberg y aplicaciones elementales.

III Introducción al formalismo y aplicaciones de la Física Cuántica.

Elementos de Mecánica Cuántica.

Semana 8. 18 y 20 de Marzo

La ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo.

Condiciones para tener una función de onda aceptable.

Interpretación de la función de onda.

Operadores, linearidad y superposición, valores esperados de los observables.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg y aplicaciones elementales.

Semana 9. 24 a 27 de Marzo

Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo.

El pozo de potencial infinito. Condiciones a la frontera y normalización.

El pozo de potencial finito. Niveles de energía discretos y soluciones pares e impares.

Efecto Tunel: barrera cuadrada de potencial, coeficientes de transmisión y de reflexión.

*Microscopio de barrido por tunelaje.

Oscilador armónico simple.

Semana 10.31 de Marzo, 1 y 3 de Abril

Teoría Cuántica del átomo de Hidrógeno.

La ecuación de Schrödinger para el átomo de Hidrógeno.

Densidad de probabilidad electrónica.

Transiciones radiativas. Reglas de selección.

Efecto Zeeman.

Semana 11. 7 a 10 de Abril

Átomos con muchos electrones y Moléculas: Conceptos fundamentales.

El espín del electrón. Experimento de Stern-Gerlach.

Momento angular total. Interacción espín-órbita.

Principio de Exclusión de Pauli.

Configuraciones Electrónicas y la tabla periódica.

Moléculas. Enlaces.

Moléculas diatómicas. La molécula de Hidrógeno.

Niveles de energía electrónicos, rotacionales y vibracionales. *Moléculas complejas.

Segundo conjunto de exposiciones. 10 de Abril examen en salón y 10 de Abril tarea examen para entregar el 21.

Semana 12. 21 y 24 de Abril

Distribuciones Estadísticas: Conceptos fundamentales.

Estadística Cuántica: Indistinguibilidad y funciones de onda.

Distribución de Bose-Einstein.

Distribución de Fermi-Dirac.

Estado Sólido: Conceptos fundamentales.

Clasificación de los sólidos: sólidos cristalinos y sólidos amorfos.

Gas de electrones libres. Metales.

Semana 13. 28 y 29 de Abril

Materia Condensada

Ecuación de Schrödinger: teoría de bandas.

Teorema de Bloch. Potencial de Kronig-Penney.

*Semiconductores y dispositivos semiconductores. Transistores y chips. Superconductividad.

*Condensación de Bose-Einstein.

Tarea examen. 29 de Abril para entregar el 5 de Mayo

Semana 14. 5 a 8 de Mayo

El núcleo atómico.

Propiedades estáticas y dinámicas. Modelos Nucleares:

Modelo de la gota de líquido y modelo de capas.

Solución de la ecuación de Schrödinger para el núcleo con potencial cuadrado y oscilador armónico. Interacción espín-órbita. Los números mágicos.

Semana 15. 12 y 14 de Mayo

Radiactividad. Decaimiento alfa (efecto túnel) y beta.

Reacciones nucleares. Fisión y fusión.

* Radioactividades exóticas.

*Aplicaciones de la energía nuclear.

*Reactores de fisión y reactores de fusión.

Semana 16. 19 a 22 de Mayo

Partículas elementales. Interacciones fundamentales.

El Modelo Estándar y la nueva tabla periódica.

Cuantización de las interacciones fundamentales (bosones intermediarios vectoriales,W±,Z0, gluones, el Higgs y los gravitones).

*Leyes de conservación y simetrías.

*Física más allá del Modelo Estándar: Masas de los neutrinos. Supersimetrías, Supercuerdas, Lazos cuánticos.

Semana 17. 26 a 29 de Mayo

Tercer conjunto de exposiciones. 29 deMayo Examen en salón y tarea examen para entregar el 2 de Junio.

TEMAS OPCIONALES.

Los temas marcados con asterisco (*) son opcionales. Adicionalmente, dependiendo del interés de los alumnos, algunos temas se podrán presentar en clase o por medio de una conferencia impartida por un especialista. Como ejemplos podemos mencionar: Mecánica cuántica relativista, la ecuación de Dirac; Efectos colectivos: superfluidez y superconductividad; Relatividad general y Cosmología.

METODOLOGIA

El curso se impartirá de acuerdo con el horario y el temario establecido. Debido a la amplitud del programa propuesto es indispensable el trabajo cotidiano de profesores y alumnos. La bibliografía de cada uno de los temas se dará con anticipación a fin de que los alumnos cuenten con la información previa a la clase y puedan participar activamente. Se asignarán tareas periódicamente y se discutirán los resultados en clase.

La evaluación final tomará en cuenta las siguientes actividades con el peso indicado, pero es necesario obtener un promedio de más de 6 en los exámenes de salón para acreditar el curso.

Tareas semanales 20%

Tareas examen 25%

3 Reportes de lecturas 15%

1 Exposición 10%

Exámenes en el salón 30%

Bibliografía

TEXTOS.

A. Beiser, Concepts of Modern Physics, Mcgraw-Hill Co EUA 2003

F.J. Blatt, Modern Physics, Mcgraw-Hill Co EUA 1992.

Paul A. Tipler and Ralph A. Llewellyn, 2002, Modern Physics, W. H. Freeman and

Company, New York.

Raymond A. Serway, Clement J. Moses and Curt A. Moyer, 2006, Física Moderna ,

Thompson.

R. Eisberg y R. Resnik, Física Cuántica, Ed. Limusa, México 1978

R. Resnik, Conceptos de relatividad y teoría cuántica, Ed. Limusa, México 1981

L. S. Lerner, Modern Physics, Jones and Bartlett Publishers EUA 1996

R. T. Sandin, Essentials of modern physics, Addison Wesley EUA 1994

M. R. Wehr and J. A. Richards, Physics of the atom, Addison Wesley EUA 1960

S. Gasiorowicz, The structure of matter: a survey of modern physics, Addison Wesley EUA 1979

LECTURAS COMPLEMENTARIAS.

J. D. Bernal, La Ciencia en Nuestro Tiempo, UNAM-Editorial Nueva Imagen

I. Asimov, Historia de la Ciencia

I. Asimov, El electrón es zurdo. Alianza Editorial 1983

I. Asimov, Breve historia de la química,

I. Asimov, La búsqueda de los elementos, Plaza y Janes Eds. Barcelona 1992

H. García, El químico de las profecías, Pangea Eds. México 1993

B. Russel, ABC de la Relatividad, Planeta/Ariel 1981

M. Jammer, The Conceptual Development of Quantum Mechanics, Mcgraw-Hill Co EUA

George Gamow, Thirty Years that Shook Physics – The Story of Quantum Theory, Dover Publications Inc. 1966

A. Pais, Niels Bohr’s Times, Clarendon Press. Oxford 1993

T. Hey y P. Walters, The new quantum universe, Cambridge University Press, 2003

Richard Turton, 2000, The Physics of Solids, Oxford University Press

J. P. McKelvey, 1988, Física del Estado Sólido y Semiconductores, Limusa, México

W. N. Cottingham and D.A. Greenwood, 2001, An Introduction to Nuclear Physics, Cambridge

Univesity Press.

Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michel Spiro, 2004, Fundamentals in Nuclear Physics.

From Nuclear Structure to Cosmology, Springer.

Richard A. Dunlap, 2004, An Introduction to the Physics of Nuclei and Particles, THOMPSON.

Brooks-Cole.

Robert B. Laughlin, A Different Universe, Perseus Books Shop 2005

R. Jungk, Más brillante que mil soles, Ed. Argos, Barcelona 1976

S. Hawking, Historia del tiempo, Drakontos, Crítica, Barcelona 1999

L. Lederman, The God particle, BANTAM Press 1993

M. Gell Mann, The quark and the jaguar,W. H. Freeman an Co. EUA 1994

V. F. Weisskopf Los Primeros tres minutos Alianza Editorial 2000

V. F. Weisskopf The first three minutes,

V. F. Weisskopf, Physics in the twentieth century, MIT Press 1972

J. G. Martinus Veltman, 2003, Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics,World

Scientific Co. Pte ltd, Singapore.

E. Segre, De los rayos X a los quarks,1980. Editores: R. A. Carrigan, and W. P. Trower, Particle Physics in the Cosmos, Readings from Scientific American Magazine, W. H. Freeman an Co EUA 1989.

Editores: R. A. Carrigan, and W. P. Trower, Particles and forces at the heart of the matter, Readings from Scientific American Magazine, W.H. Freeman and Co EUA 1990

Glashow, El encanto de la física,

A. H. Guth, El Universo inflacionario, DEBATE pensamiento, España 1999

G. Kane, The particle garden, Addison Wesley EUA 1995

G. Fraser, Antimatter. The Ultimate Mirror. Cambridge University Press 2000

P. Davis, The Last Three Minutes, Phoenix 1995

R. P. Feynman, QED. The Strange Theory of Light and Matter, Princeton U. Press 1985

D. Aczel, God’s Equation. Einstein, Relativity and the Expanding Universe, Delta 2000.

Allen y M. A. Herrera, Universo sin Límites, Equipo Sirius, S. A./CONACYT 1990

W. N. Cottingham and D. A. Greenwood, 2007, An Introduction to the Standard Model

of Particle Physics, Cambridge University Press.

AnthonyW. Thomas, WolframWeise, 2001, The Structure of the Nucleon, J. Wiley-VCH.

Brian Greene, El universo elegante, Drakontos-Planeta 2001

B. Greene, The Fabric of the Cosmos,Vintage Books Random House Inc2005

Lee Smolin, Three Roads to Quantum Gravity, Perseus Books Shop 2001

De la serie La Ciencia desde México del Fondo de Cultura Económica

El hombre y los materiales. Guillermo Aguilar Sahagún

Una ojeada a la materia. Guillermo Aguilar Sahagún et al.

El electrón centenario (165). Eugenio Ley Koo.

Del mundo cuántico al Universo en expansión (129). Shahen Hacyan.

La gran ilusión I. El monopolo magnético. Jorge Flores Valdés.

La gran ilusión II. Los cuarqs. Jorge Flores Valdés.

La gran ilusión III. Las ondas gravitacionales. Jorge Flores Valdés.

El discreto encanto de las partículas elementales. Arturo Menchaca.

De la brújula al espín. El magnetismo. Julia Tagüeña y Esteban Marquina.

Los superconductores. Luis Fernando Magaña.

Albert Einstein: Navegante solitario (31). Luis de la Peña.

Arquitectura de sólidos y líquidos. Eliezer Braun.

La radiactividad. Silvia Bulbulian.

Las radiaciones: reto y realidades. Jorge Rickards Campbell.

Las radiaciones II. Jorge Rickards Campbell.

Para atrapar un fotón (107). Virgilio Beltrán.

Caos, fractales y cosas raras (150). Eliezer Braun.

Un Universo en expansión (1). Luis Felipe Rodríguez.

El descubrimiento del Universo. Shahen Hacyan.

Los hoyos negros y la curvatura del espacio-tiempo. Shahen Hacyan

Líquidos Exóticos (104). L. García-Colín y R. Rodríguez.