Capítulo 40: Introducción a la física cuántica

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 68 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 68. Un fotón con una longitud de onda λ0 se mueve hacia un electrón libre que se está trasladando con una rapidez u en la misma dirección que el fotón (figura P40.68a). El fotón se dispersa en un ángulo…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 67 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 67. Un mesón π0 es una partícula inestable producto de las colisiones entre partículas de alta energía. Su energía en reposo es de aproximadamente 135 MeV, y tiene una existencia con un tiempo de vida media de sólo 8.70…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 66 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 66. Un fotón con una energía inicial E0 se somete a dispersión Compton con un ángulo θ a causa de un electrón libre (de masa me), que inicialmente está en reposo. Utilizando ecuaciones relativistas para la conservación de la…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 65 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 65. Demuestre que la relación de la longitud de onda Compton λC con la longitud de onda de De Broglie λ = h/p en el caso de un electrón relativista es igual a donde E es la energía total…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 64 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 64. El truco favorito de Sergio el saltador es salir por la ventana de un edificio y dejarse caer 50.0 m en una piscina desde el piso 16. Un reportero de noticias toma una fotografía de Sergio, que pesa…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 62 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 62. Deduzca la ley de desplazamiento de Wien a partir de la ley de Planck. Proceda como sigue. En la figura 40.3 observe que la longitud de onda a la cual el cuerpo negro emite con la máxima intensidad…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 63 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 63. El neutrón tiene una masa de 1.67 X 10-27 kg. Los neutrones que se emiten en reacciones nucleares se pueden desacelerar mediante colisiones con la materia. Se conocen como neutrones térmicos en cuanto llegan a un equilibrio…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 61 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 61. La potencia total por unidad de área emitida por un cuerpo negro a una temperatura T es el área bajo la curva I(λ, T) en función de λ, como se observa en la figura 40.3. a) Demuestre…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 60 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 60. Demuestre que un fotón no puede transferir toda su energía a un electrón libre. Sugerencia: Observe que es necesario conservar la energía del sistema, así como la cantidad de movimiento del mismo. Solución: CONSULTA AQUÍ OTROS EJERCICIOS RESUELTOS…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 59 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 59. Deduzca la ecuación para el desplazamiento Compton (ecuación 40.11), a partir de las ecuaciones 40.12, 40.13 y 40.14. Solución: CONSULTA AQUÍ OTROS EJERCICIOS RESUELTOS DEL LIBRO FÍSICA SERWAY VOLUMEN 1. ¿Te sirvió el ejercicio? Compártelo ¿Tienes Dudas o…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 58 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 58. Luz ultravioleta, con una sola longitud de onda y con intensidad de 550 W/m2, incide de manera normal sobre la superficie de un metal que tiene una función trabajo de 3.44 eV. Se emiten fotoelectrones con una rapidez…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 57 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 57. Sobre un metal inciden fotones de longitud de onda λ. Los electrones con mayor energía expulsados del metal son desviados y forman un arco circular de radio R mediante un campo magnético de magnitud B. ¿Cuál es la…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 56 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 56. La figura P40.56 muestra el potencial de frenado en función de la frecuencia del fotón incidente para el efecto fotoeléctrico en el sodio. Use la gráfica para determinar a) la función trabajo, b) la relación h/e y c)…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 55 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 55. La tabla que aparece a continuación muestra datos obtenidos en un experimento fotoeléctrico. a) Utilizando estos datos, elabore una gráfica similar a la de la figura 40.11 que construye una línea recta. De la gráfica, determine b) un…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 54 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 54. Diseñe un filamento de lámpara incandescente. Especifique la longitud y radio que puede tener un alambre de tungsteno para radiar ondas electromagnéticas con potencia de 75.0 W cuando sus extremos se conectan a través de un suministro de…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 53 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 53. Una mujer de pie sobre una escalera deja caer píldoras pequeñas hacia un objetivo puntual en el piso. a) Demuestre que, según el principio de incertidumbre, la distancia promedio de error debe ser por lo menos donde H…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 52 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 52. Use el principio de incertidumbre a fin de demostrar que si un electrón estuviera confinado en el interior de un núcleo atómico de 2 X 10-15 m de diámetro, tendría que estar desplazándose de manera relativista, en tanto…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 51 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 51. Con un rifle de aire comprimido se disparan partículas de 1.00 g a 100 m/s a través de un orificio de 2.00 mm de diámetro. ¿A qué distancia del rifle debe colocarse un observador para poder ver la…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 50 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 50. Suponga que Fuzzy, un pato mecánico cuántico, vive en un mundo en el cual h = 2πJ . s. Fuzzy tiene una masa de 2.00 kg e inicialmente se sabe que está en un estanque de 1.00 m…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 49 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 49. Un electrón (me = 9.11 X 10-31 kg) y una bala (m = 0.020 0 kg) tienen cada uno una velocidad de magnitud 500 m/s, con una precisión dentro de 0.010 0%. ¿En qué límites es posible determinar…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 48 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 48. En un determinado tubo de vacío, los electrones se evaporan de un cátodo caliente a una rapidez lenta estable y se aceleran desde el reposo a través de una diferencia de potencial de 45.0 V. Después se desplazan…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 47 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 47. A través de un par de rejillas separadas entre sí 1.00 mm, se hacen pasar neutrones que viajan a 0.400 m/s. A 10.0 m de las rejillas, se coloca un arreglo de detectores. a) ¿Cuál es la longitud…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 46 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 46. Para llevar a cabo un experimento de interferencia de electrones se utiliza un osciloscopio modificado. Los electrones inciden sobre un par de rejillas estrechas separadas 0.060 0 μm. Sobre una pantalla colocada a 20.0 cm de las rejillas,…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 45 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 45. Para una partícula cuántica relativista libre que se mueve con una rapidez v, la energía total es igual a E = hf = hw = √p2c2 + m2c4 y la cantidad de movimiento es igual a p =…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 44 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 44. Considere una partícula cuántica en movimiento libre de masa m y rapidez u. Su energía es igual a E = K = 1/2mu2. Determine la rapidez de fase de la onda cuántica que representa la partícula y…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 43 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 43. Robert Hofstadter ganó el Premio Nobel de Física en 1961, por su trabajo pionero en el estudio de la dispersión de electrones de 20 GeV desde el núcleo. a) ¿Cuál es el factor y para un electrón con…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 42 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 42. Después de aprender de la hipótesis de De Broglie en cuanto a que las partículas de cantidad de movimiento p tienen características ondulatorias con una longitud de onda λ = h/p, un estudiante de 80.0 kg de peso…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 41 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 41. El poder de resolución de un microscopio depende de la longitud de onda utilizada. Si quisiera “ver” un átomo, sería necesario tener una resolución de aproximadamente 1.00 X 10-11 m. a) Si se utilizan electrones (en un microscopio…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 40 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 40. Un fotón tiene una energía igual a la energía cinética de un electrón con rapidez u, que puede estar cerca a la rapidez de la luz. a) Calcule la relación de la longitud de onda del fotón a…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 39 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 39. a) Demuestre que la frecuencia ƒ y la longitud de onda λ de una partícula cuántica con un movimiento libre están relacionadas mediante la expresión donde λC = h/mc es la longitud de onda Compton de la partícula.…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 38 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 38. En el experimento de Davisson-Germer, se difractaron electrones de 54.0 eV a causa de una red de níquel. Si el primer máximo en el patrón de dispersión fue observado en Φ = 50.0° (figura P40.38), ¿cuál fue el…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 37 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 37. El núcleo de un átomo tiene un diámetro del orden de 10-14 m. Para que un electrón se quede confinado en un núcleo, su longitud de onda de De Broglie tiene que estar en ese orden de magnitud…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 36 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 36. a) Un electrón tiene una energía cinética de 3.00 eV. Determine su longitud de onda. b) ¿Qué pasaría si? Un fotón tiene una energía de 3.00 eV. Determine su longitud de onda. Solución: CONSULTA AQUÍ OTROS EJERCICIOS RESUELTOS…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 33 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 33. Un láser de helio neón produce un haz que tiene un diámetro de 1.75 mm, y que entrega 2.00 X 1018 fotones/s. Cada fotón tiene una longitud de onda de 633 nm. a) Calcule las amplitudes de los…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 35 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 35. Calcule la longitud de onda de De Broglie para un electrón que tiene una energía cinética a) de 50.0 eV y b) de 50.0 keV. Solución: CONSULTA AQUÍ OTROS EJERCICIOS RESUELTOS DEL LIBRO FÍSICA SERWAY VOLUMEN 1. ¿Te…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 34 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 34. Calcule la longitud de onda de De Broglie para un protón móvil con una rapidez de 1.00 X 106 m/s. Solución: CONSULTA AQUÍ OTROS EJERCICIOS RESUELTOS DEL LIBRO FÍSICA SERWAY VOLUMEN 1. ¿Te sirvió el ejercicio? Compártelo ¿Tienes…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 32 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 32. Un onda electromagnética es llamada radiación ionizante si su energía de fotones es superior a, 10.0 eV, por lo que un fotón individual tiene suficiente energía para romper un átomo. En referencia a la figura 34.11, explique que…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 31 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 31. Determine la máxima pérdida fraccionaria de energía para un rayo gama de 0.511 MeV que ha sido dispersado mediante el efecto Compton a causa de a) un electrón libre y b) un protón libre. Solución: CONSULTA AQUÍ OTROS…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 30 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 30. Un fotón con un longitud de onda λ se dispersa por un electrón libre en el punto A (figura P40.30) y produce un segundo fotón con una longitud de onda λ’. Este fotón a su vez se dispersa…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 29 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 29. En un experimento de dispersión Compton, un fotón se dispersa en un ángulo de 90.0° y el electrón se pone en movimiento en una dirección a un ángulo de 20.0° a la dirección original del fotón. Explique si…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 28 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 28. En un experimento de dispersión Compton, un fotón de rayos X se dispersa en un ángulo de 17.4° a causa de un electrón libre inicialmente en reposo. El electrón retrocede con una rapidez de 2180 km/s. Calcule a)…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 27 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 27. Después de que un fotón de rayos X de 0.800 nm se dispersa a causa de un electrón libre, el electrón retrocede a 1.40 X 106 m/s. a) ¿Cuál es el corrimiento Compton en la longitud de onda…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 26 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 26. Un fotón con energía E0 es dispersado por un electrón libre inicialmente en reposo, de manera que el ángulo de dispersión del electrón dispersado es igual al del fotón dispersado (θ = Φ de la figura 40.13).…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 25 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 25. Un fotón de 0.880 MeV es dispersado por un electrón libre inicialmente en reposo de manera que el ángulo de dispersión del electrón dispersado es igual al del fotón dispersado (θ = Φ de la figura 40.13b). Determine…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 24 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 24. Los rayos X, con una energía de 300 keV, se someten a cierta dispersión Compton proveniente desde un objetivo. Los rayos dispersos son detectados a 37.0° en relación con los rayos incidentes. Determine a) el corrimiento Compton en…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 23 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 23. Un fotón de 0.001 60 nm se dispersa de un electrón libre. ¿Para qué (fotón) ángulo de dispersión del electrón en retroceso tiene una energía cinética igual a la energía del fotón disperso? Solución: CONSULTA AQUÍ OTROS EJERCICIOS…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 22 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 22. Rayos X con una longitud de onda de 120.0 pm se someten a dispersión Compton. a) Encuentre las longitudes de onda de los fotones dispersados con ángulos de 30.0°, 60.0°, 90.0°, 120°, 150° y 180°. b) Encuentre la…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 21 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 21. Calcule la energía y la cantidad de movimiento de un fotón con una longitud de onda de 700 nm. Solución: CONSULTA AQUÍ OTROS EJERCICIOS RESUELTOS DEL LIBRO FÍSICA SERWAY VOLUMEN 1. ¿Te sirvió el ejercicio? Compártelo ¿Tienes Dudas…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 20 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 20. Una fuente luminosa que emite radiación en 7.00 X 1014 Hz no es capaz de expulsar fotoelectrones de un cierto metal. En un intento por utilizar esta fuente para expulsar fotoelectrones del metal, se le imprime a la…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 19 CAPÍTULO 40 FÍSICA SERWAY 19. Una esfera de cobre aislada de 5.00 cm de radio, inicialmente sin carga, es iluminada utilizando luz ultravioleta con una longitud de onda de 200 nm. ¿Qué carga induce el efecto fotoeléctrico sobre la esfera? La función trabajo…