FísicaMedio1 pts

Dualidad onda-corpúsculo e incertidumbre

Castilla y León · 2023 · Junio
Enunciado
Encuentre la relación entre la energía cinética de un electrón y la energía de un fotón si ambos tienen la misma longitud de onda.
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Resultado
  Ec,electroˊnEfotoˊn=h2 me c λ=v2c  \boxed{\;\frac{E_{c,\text{electrón}}}{E_{\text{fotón}}} = \frac{h}{2\,m_e\,c\,\lambda} = \frac{v}{2c}\;}
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Estrategia

Para el electrón, la longitud de onda de De Broglie, λ=h/p\lambda = h/p, da su momento lineal, y con él la energía cinética (no relativista), Ec=p2/(2me)E_c = p^2/(2m_e). Para el fotón, E=hc/λE = hc/\lambda. Se divide una entre otra con la misma λ\lambda.
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Desarrollo

Electrón. Por la hipótesis de De Broglie, su momento lineal es p=h/λp = h/\lambda. Si su velocidad es pequeña frente a la de la luz:Ec=p22me=h22 me λ2E_{c} = \frac{p^2}{2m_e} = \frac{h^2}{2\,m_e\,\lambda^2}Fotón. Su energía es:Ef=h f=h cλE_{f} = h\,f = \frac{h\,c}{\lambda}Relación (misma λ\lambda):EcEf=h2/(2meλ2)h c/λ=h2 me c λ\frac{E_{c}}{E_{f}} = \frac{h^2/(2m_e\lambda^2)}{h\,c/\lambda} = \frac{h}{2\,m_e\,c\,\lambda}Como el electrón y el fotón tienen la misma longitud de onda, tienen también el mismo momento lineal, p=h/λp = h/\lambda; usando p=mevp = m_e v para el electrón, la relación se escribe de forma muy clara:EcEf=p2/(2me)p c=p2 me c=v2c\frac{E_c}{E_f} = \frac{p^2/(2m_e)}{p\,c} = \frac{p}{2\,m_e\,c} = \frac{v}{2c}Como en el régimen no relativista v≪cv \ll c, la energía cinética del electrón es mucho menor que la del fotón de la misma longitud de onda. Por ejemplo, con λ=1 nm\lambda = 1\ \text{nm} el cociente vale h/(2mecλ)=1,21⋅10−3h/(2m_e c\lambda) = 1{,}21\cdot 10^{-3}: el fotón tiene unas 820 veces más energía.
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Consejo

Misma longitud de onda significa mismo momento lineal (p = h/λ), pero no misma energía: el fotón tiene E = pc y el electrón E = p²/2m. No uses E = hc/λ para una partícula con masa.
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