1 Las contribuciones menos conocidas de EinsteinJ. Gonzalo Muga y Adolfo del Campo Departamento de Química Física UPV-EHU 20 de Abril 2005
2 De lo muy grande a lo muy pequeño.De lo muy rápido a lo muy lento
3 Einstein es mucho más que “relatividad” y E=mc2Por 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.
4 Bohr, Franck, Einstein y Rabi“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],
5 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)
6 Resumen I Einstein y la Química II Movimiento BrownianoIII Calores específicos IV Efecto fotoeléctrico e interacción radiación-materia V Átomos fríos y condensados de Bose-Einstein
7 I. Einstein y la Química
8 Algunos químico-físicos relacionados con EinsteinOstwald y Arrhenius Fritz Haber y Einstein Svante Arrhenius Perrin Debye Nernst (con Einstein, Planck, Millikan y vonLaue)
9 Fotografía dedicada por Einstein a Linus Pauling
10 Efectos relativistas vn=Z/n. m=m0/(1-v2/c2)1/2Rn=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). Notas de qué tipo?
11 Estados de oxidación “anómalos”: Tl(I), Pb(II), Bi(III) 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
12 Se emplea en la industria para caracterizar metales, semiconductores, 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 Dirac Einstein y Pauli
13 II. Movimiento Browniano
14 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.
15 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
16 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
17 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
18 ¿Existen los átomos? : 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. Boltzmann Ostwald Mach
19 Einstein en Berna (1902-1909) Trabaja en la oficina de patentes y ensu tiempo libre revoluciona la física. Con su hijo Hans Albert
20 Los átomos individuales no podían verse (muy pequeños y muy rápidos), En 3 artículos ( ) 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.
21 Ec. de Einstein-Smoluchowski: dispersión de las partículas coloidales en función de t y coeficiente de difusión
22 Átomos y moléculas individualesHacia 1908, ya pocos dudaban de la existencia de los átomos Hoy, la microscopía túnel de barrido proporciona impresionantes imágenes de átomos o moléculas.
23 Premios Nobel relacionados con movimiento Browniano1926 (Física) Perrin "distribución barométrica coloidal“. 1925 (Química) Zsigmondy microscopía de las soluciones coloidales. 1926 (Química) Theodor Svedberg: ultracentrífuga Perrin Zsigmondy Svedberg
24 Importancia enorme del movimiento BrownianoLa 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.
25 III. Calores específicos
26 También intervinieron químico-físicos: Nernst, Stern y Peter Debye.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
27 Calor específico de sólidosNernst 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
28 Congresos Solvay Ernest Solvay[1] El primer Congreso Solvay lo organizó Nernst en 1911 financiado por el químico belga Ernest Solvay. Asistieron 21 participantes.
29 Calores específicos en gasesTeoría cinética de Boltzmann: calores específicos distintos para gases monoatómicos (3R/2): 3 grados de libertad de traslación molec. diatómicas (5R/2): 3 traslación +2 g.de l. de rotación molec. poliatómicas (3R): 3 traslación + 3 de rotación A bajas T todos se comportan como monoatómicos
30 Los grados rotacionales se “congelan” a baja TNernst 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.
31 Einstein en Berlín ( ) Planck, Nernst y Haber convencieron a Einstein para trasladarse desde Zurich a Berlin.
32 IV. Efecto fotoeléctrico e interacción radiación-materia
33 Efecto fotoeléctrico La analogía entre S de radiación en el régimen de Wien (h n>>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
34 Fundamento del láser En 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
35 Momento del fotón
36 Premio Nobel de Física 1997 “por desarrollar métodos para enfriar y atrapar átomos con luz láser" Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips
37 V. Átomos ultrafríos y Condensados de Bose-Einstein
38 Estadística de Bose-EinsteinEn 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 Dirac and Fermi Hoy sabemos que todas las partículas elementales son o “fermiones’’ o “bosones” (Teorema de Pauli), como consecuencia de la relatividad especial (Pauli 1949).
39 Condensados de Bose-EinsteinEn un gas clásico la única longitud característica es d (distancia media) En un gas cuántico está además l, la longitud de onda de de Broglie Cuando d~ l 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
40 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 Cornell, Ketterle, Wieman (Nobel de Física 2001)
41 Einstein, realizó aportaciones fundamentales en unnúmero asombroso de materias, cuyas consecuencias no han dejado de guiar o afectar el trabajo de físicos y químicos durante generaciones.