FísicaFácil2 pts

Dualidad onda-corpúsculo e incertidumbre

Extremadura · 2021 · Julio
Enunciado
Un protón es acelerado en un campo eléctrico consiguiendo una velocidad final de 3⋅103 km/h3\cdot 10^{3}\ \text{km/h}. Calcule:

a) el momento lineal y

b) la longitud de onda de materia asociada.

Datos: Constante de Planck (hh) =6,6⋅10−34 J s= 6{,}6\cdot 10^{-34}\ \text{J}\,\text{s}. Masa protón =1,67⋅10−27 kg= 1{,}67\cdot 10^{-27}\ \text{kg}.

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Resultado
  p=1,39⋅10−24 kg m/s  \boxed{\;p = 1{,}39\cdot 10^{-24}\ \text{kg}\,\text{m/s}\;}  λ=4,74⋅10−10 m  \boxed{\;\lambda = 4{,}74\cdot 10^{-10}\ \text{m}\;}
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

La velocidad es muy pequeña comparada con la de la luz, así que el momento lineal es el clásico, p=mvp = mv, tras pasar la velocidad a m/s. La longitud de onda asociada sale de la hipótesis de De Broglie, λ=h/p\lambda = h/p.
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Desarrollo

a) Pasamos la velocidad al SI:v=3⋅103 kmh⋅1000 m1 km⋅1 h3600 s=833 m/sv = 3\cdot 10^{3}\ \frac{\text{km}}{\text{h}}\cdot\frac{1000\ \text{m}}{1\ \text{km}}\cdot\frac{1\ \text{h}}{3600\ \text{s}} = 833\ \text{m/s}p=m v=1,67⋅10−27⋅833,3=1,39⋅10−24 kg m/sp = m\,v = 1{,}67\cdot 10^{-27}\cdot 833{,}3 = 1{,}39\cdot 10^{-24}\ \text{kg}\,\text{m/s}b) Según De Broglie, toda partícula con momento lineal pp lleva asociada una onda de longitudλ=hp=6,6⋅10−341,392⋅10−24=4,74⋅10−10 m\lambda = \frac{h}{p} = \frac{6{,}6\cdot 10^{-34}}{1{,}392\cdot 10^{-24}} = 4{,}74\cdot 10^{-10}\ \text{m}Es del orden de las distancias entre átomos de un cristal (unos 0,5 nm0{,}5\ \text{nm}), así que estos protones darían efectos de difracción en una red cristalina.

Una velocidad de 3⋅103 km/h3\cdot 10^{3}\ \text{km/h} es muy baja para un protón acelerado por un campo; quizá el original quería decir 3⋅103 km/s3\cdot 10^{3}\ \text{km/s}. En ese caso saldría p=5,01⋅10−21 kg m/sp = 5{,}01\cdot 10^{-21}\ \text{kg}\,\text{m/s} y λ=1,32⋅10−13 m\lambda = 1{,}32\cdot 10^{-13}\ \text{m}. Resolvemos con el dato tal como viene.
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Consejo

Lo primero, pasar la velocidad a m/s: dividir los km/h entre 3,6. Olvidarlo multiplica el momento por 3,6 y divide la longitud de onda entre lo mismo.

Cuanto mayor es el momento lineal, menor es la longitud de onda: por eso solo se aprecia la naturaleza ondulatoria en partículas muy ligeras.
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