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Las contribuciones menos conocidas de Einstein J. Gonzalo Muga y Adolfo del Campo Departamento de Química Física UPV-EHU 20 de Abril 2005

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Page 1: Las contribuciones menos conocidas de Einstein J. Gonzalo Muga y Adolfo del Campo Departamento de Química Física UPV-EHU 20 de Abril 2005

Las contribuciones menos conocidas de Einstein

J. Gonzalo Muga y Adolfo del Campo Departamento de Química Física UPV-EHU

20 de Abril 2005

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De lo muy grande a lo muy pequeño.

De lo muy rápido a lo muy lento

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Einstein es mucho más que “relatividad” y E=mc2

Por ejemplo, es la persona más citada en los libros de Química-Física.

Svante Arrhenius en la concesión del Nobel (1921) menciona brevemente la relatividad y subraya en cambio el Movimiento Browniano/química de coloides y el efecto fotoeléctrico/fotoquímica.

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“prácticamente cualquier idea fundamental importante en la física moderna se remonta, por lo menos en parte, a Einstein”

[Homenaje a Einstein: Bohr y Rabi, 1955],

Bohr, Franck, Einstein y Rabi

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Influencia directa e indirecta: Contribuyó al nacimiento de la

mecánica cuántica. Primeras aplicaciones.

Influyó decisivamente en la aceptación de los átomos y moléculas como entes reales.

Sentó la base teórica necesaria para desarrollar el láser

Predijo la condensación de Bose-Einstein.

Vasta influencia en la Química (Ppo. De exclusión)

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Resumen

I Einstein y la Química II Movimiento Browniano III Calores específicos IV Efecto fotoeléctrico e interacción

radiación-materia V Átomos fríos y condensados de Bose-

Einstein

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I. Einstein y la Química

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Algunos químico-físicos relacionados con Einstein

Svante Arrhenius

Nernst (con Einstein, Planck, Millikan y vonLaue)

Fritz Haber y EinsteinOstwald y Arrhenius

Debye Perrin

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Fotografía dedicada por Einstein a Linus Pauling

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Efectos relativistas vn=Z/n. m=m0/(1-v2/c2)1/2

Rn=n2/mZ Contracción del radio de Bohr: contracción relativista

efecto directo o primario de la relatividad para electrones core: (más estables y difíciles de ionizar).

Oro: el electrón 6s¹ tiene una masa de 1,22 me y una velocidad del 58% de c al tiempo que su tamaño se contrae un 20%.

Metales alcalinos: Fr ser más pequeño que el Cs a pesar de la capa adicional; Alcalinotérreos (Ra más pequeño que Ba).

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Efectos relevantes para elementos de Z medio y moderado (espectros, reactividad …).

La contracción relativista apantallamiento más efectivo del núcleo por los e- core

expansión de orbitales de valencia y disminuyen pot. de ionización (efectos “secundarios” en orbitales d y f)

combinados con primarios aumentan el salto energético entre orbitales internos y de valencia: transiciones en el visible (color del oro).

Sexto período:

Estados de oxidación “anómalos”: Tl(I),

Pb(II), Bi(III)

El Hg interacciona débilmente: líquido

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Ec. De Dirac: aparece de forma natural el espín del electrón, introducido ad hoc por Pauli.

Acoplamiento espín-órbita: responsable del efecto Zeeman anómalo, la estructura fina de los espectros, así como del fundamento de la resonancia de espín electrónico (RSE)

La estructura hiperfina se debe a la interacción del momento magnético electrónico con el espín nuclear.

De la ecuación de Dirac se desprende también el descubrimiento de la antimateria, en particular del positrón.

Se emplea en la industria para caracterizar metales, semiconductores, polímeros…. Tomografía por emisión de

positrones (PET): permite visualizar la distribución de una biomolécula

marcada

Einstein y PauliDirac

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II. Movimiento Browniano

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Movimiento browniano (I)

Robert Brown (un botánico) en 1827 observa con el microscopio la danza incesante y caótica de granos de polen suspendidos en agua. Descarta su origen biológico con granos de origen inorgánico.

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Movimiento Browniano (II)

Durante décadas no despierta interés

A finales del XIX L. G. Gouy sugiere que podría ofrecer un “laboratorio natural” para examinar la teoría cinética y su reconciliación con la termodinámica (paradoja de la segunda ley).

Pero ¿qué cantidades se deben medir?

Microscopio de Brown

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Teoría cinética (I)

Bernoulli (1737): Deduce ley de Boyle con leyes de Newton aplicadas a moléculas

Waterson (1845): Desarrolla muchos de los conceptos. Artículo rechazado por absurdo (Real Soc. de Inglaterra)

Bernoulli

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Teoría cinética (II)

Joule: Sus experimentos demuestran que el calor es una forma de energía

La teoría se desarrolla de 1848 a 1898: Joule, Clausius, Maxwell, Boltzmann

Joule

Clausius

Boltzmann

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¿Existen los átomos? 1870-1910: los positivistas rechazan

la mecánica ,“plagada de hipótesis inverificables”.

La 2a ley de la termodinámica: obstáculo para el mecanicismo.

Mach (“fenomenistas”) y Ostwald (“energicistas”) negaban la existencia de los átomos.

Boltzmann, admirado por el joven Einstein, se mantuvo fiel a la idea atómica y a la utilidad de hipótesis e imágenes, aunque no fueran observables.

Interpretó con la mecánica estadística el segundo Ppo.

Ostwald

Boltzmann

Mach

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Einstein en Berna (1902-1909)

Con su hijo Hans Albert

Trabaja en la oficina de patentes y en

su tiempo libre revoluciona la física.

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En 3 artículos (1902-1904) derivó de forma independiente la segunda ley con argumentos mecano-estadísticos.

En su Tesis doctoral (U. de Zurich 1905): teoría molecular estadística de los líquidos; en un artículo separado: explicación microscópica molecular del movimiento browniano.

Los átomos individuales no podían verse (muy pequeños y muy rápidos),

pero una partícula visible al microscopio en un baño de átomos debe

de comportarse como un átomo grande en equilibrio termodinámico

Se puede comparar y poner a prueba la T. Cinética.

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Ec. de Einstein-Smoluchowski: dispersión de las partículas coloidales en función de t y coeficiente de difusión <x2>1/2=(2Dt)1/2 Esto explica las dificultadas previas para medir una velocidad.

Dependencia de D con T, viscosidad y radio molecular: ecuación de Stokes-Einstein Dimensiones de las moléculas.

Una consecuencia: "distribución barométrica".

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Átomos y moléculas individuales Hacia 1908, ya pocos

dudaban de la existencia de los átomos

Hoy, la microscopía túnel de barrido proporciona impresionantes imágenes de átomos o moléculas.

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Premios Nobel relacionados con

movimiento Browniano 1926 (Física) Perrin

"distribución barométrica coloidal“.

1925 (Química)

Zsigmondy microscopía de las soluciones coloidales.

1926 (Química) Theodor Svedberg: ultracentrífuga

Zsigmondy Svedberg

Perrin

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Importancia enorme del movimiento Browniano La física solapa cada vez más con

la biología, la nanotecnología y la estadística de fenómenos complejos.

Las fluctuaciones Brownianas son vitales para entender desde el funcionamiento de la célula (membranas, transporte) al tráfico rodado, pasando por el mercado de valores, modelos en ecología, o la evolución de las especies.

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III. Calores específicos

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Einstein fue el primero en aplicar

la física cuántica a la mecánica estadística de un sistema material: Calor específico de los sólidos (1907).

También intervinieron químico-físicos: Nernst, Stern y Peter Debye.

Nernst: Nobel de Química de 1920, ayudante de Ostwald en Leipzig, fundó en 1895 el primer Instituto dedicado a la QF en Gotinga.

Nernst

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Calor específico de sólidos Nernst a raíz de sus

investigaciones en termoquímica, había formulado en 1906 la tercera ley de la termodinámica: el calor específico debía tender a 0 cuando T=0.

Einstein lo explicó con una única frecuencia de oscilación.

Debye incorporó al modelo una distribución de frecuencias.

Nernst efectuó mediciones entre 1905 y 1910, y ambos presentaron ponencias sobre el calor específico a bajas T en el Congreso Solvay de 1911.

P. Debye. Nobel de Química en 1936

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Congresos Solvay

[1] El primer Congreso Solvay lo organizó Nernst en 1911 financiado por el químico belga Ernest Solvay. Asistieron 21 participantes.

Ernest Solvay

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Calores específicos en gases Teoría cinética de Boltzmann:

calores específicos distintos para

1. gases monoatómicos (3R/2): 3 grados de libertad de traslación

2. molec. diatómicas (5R/2): 3 traslación +2 g.de l. de rotación

3. molec. poliatómicas (3R): 3 traslación + 3 de rotación

A bajas T todos se comportan como monoatómicos

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Los grados rotacionales se “congelan” a baja T

Nernst había señalado en 1911 el posible origen cuántico.

Einstein y Stern en 1913 lo estudian con un modelo imperfecto (incluyeron Erot de punto cero como en vibración).

A T aún más bajas, de acuerdo con el tercer principio, incluso los grados de libertad traslacionales se “congelan” y el calor específico se anula. Habría que esperar al descubrimiento de la estadística de BE para explicarlo.

Otto Stern, doctor en QF en 1912, precursor de los haces moleculares y responsable

con Gerlach del experimento en el que un haz atómico se separa en dos al ser

sometido a un campo magnético.

Nobel de Física 1943.

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Einstein en Berlín(1914-1933)

Planck, Nernst y Haber convencieron a Einstein para trasladarse desde Zurich a Berlin.

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IV. Efecto fotoeléctrico e interacción radiación-materia

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•La analogía entre S de radiación en el régimen de Wien (h

>>kT) y la S de un gas ideal Cuantización de la radiación

•Comienza la dualidad onda-corpúsculo

•Einstein explica y predice las características del efecto

fotoeléctrico

•Ley Stark-Einstein de la fotoquímica

Efecto fotoeléctrico

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Fundamento del láserEn un extraordinario artículo (1917):

•Postula un modelo de interacción rediación materia:

absorción y emisión espontánea + emisión estimulada

•Procesos caracterizados por “coeficientes de Einstein” A y B

•Se discute por primera vez el momento del fotón y su conservación en los procesos

de absorción y emisión

•Primer artículo en que se introducen factores estadísticos en fenómenos atómicos

•Influyó en la formulación matricial de Heisenberg

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Momento del fotón

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Premio Nobel de Física 1997“por desarrollar métodos para enfriar y atrapar átomos con luz láser" 

Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips

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V. Átomos ultrafríos y Condensados de Bose-Einstein

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Estadística de Bose-Einstein

•En 1923 S. N. Bose pidió a Einstein ayuda para publicar un artículo rechazado en The

Philosophycal Magazine

•Derivaba la ley de radiación de Planck postulando que los fotones eran indistinguibles.

•Einstein tradujo el artículo al alemán y ayudó a Bose a publicarlo (1924).

•Además aplicó las ideas de Bose a los átomos y predice una nueva transición de fase (1925).

También fue la primera aplicación de las ondas de de Broglie (1923) .

•Este es el artículo por el que Schrödinger conoce la hipótesis de de Broglie

•En 1926 Fermi propone una prescripción alternativa a la de los Bosones

Hoy sabemos que todas las partículas elementales son o “fermiones’’ o “bosones”

(Teorema de Pauli), como consecuencia de la relatividad especial (Pauli 1949).

Dirac and Fermi

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Condensados de Bose-Einstein•En un gas clásico la única longitud característica es d (distancia media)

•En un gas cuántico está además la longitud de onda de de Broglie

•Cuando d~ se produce el BEC

•Al principio la idea quedó dormida porque se pensaba que antes

se produciría la licuefacción o solidificación

•En 1938 se descubre superfluidez en He líquido

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Cornell, Ketterle, Wieman (Nobel de Física 2001)

•En 1995 Cornel, y Wieman crean el primer condensado con átomos de Rb ultrafríos .

•BECs se han convertido en una de las áreas más activas de investigación en física

•Objetos cuánticos pero relativamente grandes

•Posibles avances tecnológicos: por ej. El láser material,

litografía, mejores relojes atómicos

•Primer condensado Fermiónico en 2003

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Einstein, realizó aportaciones fundamentales en un

número asombroso de materias, cuyas consecuencias

no han dejado de guiar o afectar el trabajo de físicos y

químicos durante generaciones.