FísicaMedioProblema · 2,5 pts

Dualidad onda-corpúsculo e incertidumbre

Andalucía · 2017 · Reserva 1 · Opción A
Enunciado
a) ¿Se puede asociar una longitud de onda a cualquier partícula, con independencia de los valores de su masa y su velocidad? Justifique su respuesta.

b) ¿Qué velocidad ha de tener un electrón para que su longitud de onda sea 100100 veces mayor que la de un neutrón de energía cinética 6 eV6\,\text{eV}?

Datos: me=9,11⋅10−31 kgm_e = 9{,}11\cdot10^{-31}\,\text{kg}; mn=1,69⋅10−27 kgm_n = 1{,}69\cdot10^{-27}\,\text{kg}; e=1,60⋅10−19 Ce = 1{,}60\cdot10^{-19}\,\text{C}.
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Resultado
  ve≈6,25⋅105 m s−1  \boxed{\;v_e \approx 6{,}25\cdot10^{5}\ \text{m s}^{-1}\;}
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Estrategia

De Broglie: λ=h/(mv)\lambda = h/(mv); se puede asociar a toda partícula con cantidad de movimiento no nula. Imponemos λe=100 λn\lambda_e = 100\,\lambda_n con λ=h/p\lambda = h/p: la constante hh (que no se da) se simplifica y queda pe=pn/100p_e = p_n/100, con pn=2mnEcp_n = \sqrt{2m_n E_c} obtenida de la energía cinética del neutrón.
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Desarrollo

a) Sí. Según la hipótesis de De Broglie, la dualidad onda-corpúsculo es general: toda partícula material en movimiento, sea cual sea su masa, lleva asociada una onda de longitudλ=hp=hmv\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv}La única condición es que tenga cantidad de movimiento (v≠0v\ne0). Lo que sí depende de la masa y de la velocidad es el valor de λ\lambda, y con él que el carácter ondulatorio se pueda observar: los fenómenos ondulatorios (difracción, interferencia) solo se aprecian cuando λ\lambda es comparable al tamaño de los obstáculos o rendijas. Para partículas de masa muy pequeña, como electrones o neutrones, λ\lambda es del orden de las distancias entre átomos de un cristal y se observa su difracción. Para cuerpos macroscópicos, hh es tan pequeña frente a mvmv que λ\lambda resulta muchísimo menor que cualquier objeto (del orden de 10−34 m10^{-34}\,\text{m} para una pelota) y su comportamiento ondulatorio es inapreciable, aunque la onda asociada exista.

b) Imponemos la condición con λ=h/p\lambda = h/p:λe=100 λn ⇒ hmeve=100 hpn ⇒ ve=pn100 me\lambda_e = 100\,\lambda_n\ \Rightarrow\ \frac{h}{m_e v_e} = 100\,\frac{h}{p_n}\ \Rightarrow\ v_e = \frac{p_n}{100\,m_e}Cantidad de movimiento del neutrón (Ec=6 eV=6⋅1,60⋅10−19=9,6⋅10−19 JE_c = 6\,\text{eV} = 6\cdot1{,}60\cdot10^{-19} = 9{,}6\cdot10^{-19}\,\text{J}; como Ec=p2/2mE_c = p^2/2m):pn=2mnEc=2⋅1,69⋅10−27⋅9,6⋅10−19=5,70⋅10−23 kg m/sp_n = \sqrt{2 m_n E_c} = \sqrt{2\cdot1{,}69\cdot10^{-27}\cdot9{,}6\cdot10^{-19}} = 5{,}70\cdot10^{-23}\,\text{kg m/s}Velocidad del electrón:ve=pn100 me=5,70⋅10−23100⋅9,11⋅10−31=6,25⋅105 m s−1v_e = \frac{p_n}{100\,m_e} = \frac{5{,}70\cdot10^{-23}}{100\cdot9{,}11\cdot10^{-31}} = 6{,}25\cdot10^{5}\ \text{m s}^{-1}
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Consejo

Ojo: la del neutrón viene de su energía cinética (p=2mEcp=\sqrt{2mE_c}), mientras que la del electrón la controlas con su velocidad (λ=h/mv\lambda=h/mv). Plantea el cociente de longitudes de onda: hh se simplifica y por eso el enunciado no la da (λe=100λn⇔pe=pn/100\lambda_e = 100\lambda_n \Leftrightarrow p_e = p_n/100).
Paso 1 de 3
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