Ciclotron y mi duda

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Re: Ciclotron y mi duda

Es alucinante como ha ido cambiando el tema de la conversación en apenas 15 posts :P

Pero radio, microondas, infrarojo, visible, uv, x, gamma? Cual?

Depende de la aceleración. Por ejemplo, una carga en un MAS emitirá típicamente luz monocromática con la frecuencia correspondiente.

Otro ejemplo, en un sincrotón (básicamente, una carga en un movimiento circular aproximadamente uniforme) se emite radiación en una zona muy extensa del espectro electromagnético. Por eso son tan importantes los laboratorios de luz de sincrotón (como el sicrotón Alba de Barcelona).

Pero en todo esto tengo una duda. En los casos de la generación de un fotón la carga tiene que desacelerarse ya que esa diferencia de energía es la que sirve para poner en movimiento el fotón. Si la carga se acelera entonces tiene que recibir un fotón. No genera un fotón cuando acelera.
¿estoy en lo correcto? como sería?

En efecto, si se emite luz la carga pierde energía. No hay más pepinos de que esto sea así.

No obstante, una carga no está acelerada por si sola (primera ley de Newton). Si está acelerada, es que "algo" le ejerce cierta fuerza. De ahí saldrá la energía.

Si nos vamos a un punto de vista cuántico, que como dice la palabra hay una cuantificación y en esa cuantificación entra el fotón. Por lo que si hablamos de fotones las cantidades tienen que estar cuantizadas.

Depende. Un fotón puede tener la energía (o frecuencia) que le de la gana. Otra cosa es que, debido a la cuantización de los niveles atómicos, sólo sea posible producir fotones de determinadas frecuencias. Pero en el fotón propiamente dicho no hay nada que limite las frecuencias.

Ahora lo que yo no entiendo es desde un punto de vista clásico y energético. Si hay una carga que tiene una velocidad $v\hat{v}$. Para frenarla aplicamos un campo eléctrico generado por cargas del mismo signo, de igual dirección pero de sentido $-E\hat{v}$. Energeticamente la carga disminuye su energía cinética en proporcion que aumenta su energía potencial.

Estás razonando con el concepto de cargas de prueba. Esas que se mueven al son del campo electromagnético sin afectar a las partículas que crean ese campo electromagnético.

Pero en realidad, la carga acelerada crea su propio campo electromagnético, y al moverse ese campo va evolucionando con el tiempo. Si la partícula sufre una aceleración, esa evolución se convierte en un pulso electromagnético.

Una duda. Porque no pasa asi como la prdiccion del EM? Esdecir porque el electron no irradia radiacion y cae hasta el nucleo?

Las reglas del juego cuánticas son muy diferentes a las clásicas. En cuántica, a groso modo, hay que substituir el concepto de "aceleración" por "cambio de estado cuántico". Si el electrón no cambia de estado, no emite nada.

[Julián]

Re: Ciclotron y mi duda

No obstante, una carga no está acelerada por si sola (primera ley de Newton). Si está acelerada, es que "algo" le ejerce cierta fuerza. De ahí saldrá la energía.

Esa aceleración que experimenta una carga es por la absorción de un fotón. Pero no emite a a vez un fotón la carga ¿no? Entonces porque se dice que toda carga acelerada emite un fotón. Desde el punto de vista que lo veo la carga emite un fotón si es desacelerada. Si es acelerada es por la absorción de un fotón.

¿estoy en lo correcto?

[Breogan]

Re: Ciclotron y mi duda

Hola:

Me perdí varios post, asi que retomo en el ultimo mensaje (haciendo la salvedad que nos estamos saliendo del foro).

En EM clásico creo que quedo claro que una carga acelerada emite radiación, ya sea que se "acelere" o "desacelere". Las posibles dificultades surgen de que en los análisis dinámicos hay que incluir las perdidas de energía por radiación.
Aparte el concepto de acelerar o desacelerar una partícula depende del sistema de referencia inercial, no?.

En cuántica, según tengo entendido, la energía de una partícula libre puede tomar cualquier valor, sea con masa o sin masa. La energía de la partícula se encuentra cuantizada solo cuando esta vinculada (creo que tiene que ver con la perdida de grados de libertad, no se).


Dos partículas con carga eléctrica que interaccionan entre ellas están intercambiando fotones (que son transmisores del campo EM), ya sea que se repelan o se atraigan, estén en movimiento o no. Supongo que a este intercambio de fotones hay que agregarle los fotones emitidos si alguna de las cargas estuviera acelerando (frenando o acelerando). Igualmente se debe conservar la energía (salvo incertidumbre, ja).



Por ultimo tengo una duda, como queda la conservación del momento lineal entre partículas eléctricas que se atraen o se repelen intercambiando fotones?, lo veo cuando se repelen, pero cuando se atraen no lo veo, como es?

Suerte

[pod]

Re: Ciclotron y mi duda

Esa aceleración que experimenta una carga es por la absorción de un fotón. Pero no emite a a vez un fotón la carga ¿no? Entonces porque se dice que toda carga acelerada emite un fotón. Desde el punto de vista que lo veo la carga emite un fotón si es desacelerada. Si es acelerada es por la absorción de un fotón.

¿estoy en lo correcto?

Si hablas de fotones, estás en el mundo cuántico. Como dije en el anterior mensaje, el mundo cuántico tiene reglas muy diferentes, por ejemplo no es cierto que "una carga acelerada emite", porque de hecho el concepto de trayectoria no está muy bien definido en cuántica. Este hilo está en el foro de electromagnetismo clásico, así que mejor nos ceñimos a éste.

En el mundo clásico hablamos de ondas electromagnéticas. Y sí, una carga (des)acelerada emite ondas electromagnéticas. Es posible que esa aceleración se deba a otra onda electromagnética, entonces las dos ondas se suman/restan/interfieren como es usual en ondas.

En cuántica, según tengo entendido, la energía de una partícula libre puede tomar cualquier valor, sea con masa o sin masa. La energía de la partícula se encuentra cuantizada solo cuando esta vinculada (creo que tiene que ver con la perdida de grados de libertad, no se).

No pérdida de grados de libertad, sino a una restricción del movimiento en ellos. Un electrón libre tiene los mismos grados de libertad que ese mismo electrón en un átomo (tres + spin e historias).

Hay un teorema en cuántica (que nunca recuerdo el nombre, lo siento) que nos dice que la energía está cuantizada si el sistema está (clásicamente) confinado a moverse en una región finita.

Pero mejor dejar esas cosas para el foro de cuántica...


[QUOTE=Breogan;108416]Dos partículas con carga eléctrica que interaccionan entre ellas están intercambiando fotones (que son transmisores del campo EM), ya sea que se repelan o se atraigan, estén en movimiento o no. Supongo que a este intercambio de fotones hay que agregarle los fotones emitidos si alguna de las cargas estuviera acelerando (frenando o acelerando).[ /quote]

Si cambias el concepto de fotón por el de onda electromagnética, lo que dices es perfectamente correcto.

En el mundo cuántico es más complicado, pero este no es el foro.

Igualmente se debe conservar la energía (salvo incertidumbre, ja).

La incertidumbre sólo permite violaciones durante un tiempo muy muy pequeño.

Por ultimo tengo una duda, como queda la conservación del momento lineal entre partículas eléctricas que se atraen o se repelen intercambiando fotones?, lo veo cuando se repelen, pero cuando se atraen no lo veo, como es?

Suerte

Igual. Gracias del mundo cuántico, el fotón intercambiado tiene "momento negativo" (lo cual está permitido por ser partícula virtual).

[Julián]

Re: Ciclotron y mi duda

Estoy confundido.

Desde un punto de vista cuántico. Las cargas se encuentran en un pozo de potencial de manera que su energía está cuantisada. Su posición alrededor del núcleo es una región probabilística dada por el cuadrado de la función de onda y en donde cada orbital la energía está cuantizada. Si la carga absorve un fotón cuya energía necesariamente tiene que ser igual a un salto energetico a otro orbital esta carga pasa a ese orbital, pero no emite un fotón ya que acá no se habla de aceleración ¿o si?. si emite un fotón cae a un orbital de menor energía.

Pero para un punto de vista clásico tenemos que siempre que la carga se acelera (ya sea aceleración negativa o positiva) emite radiación. Pero lo que no entiendo es, para acelerarla tiene que absorver radiación pero no toda la energía de esta radiación se convierte en energía cinética de la carga sino que una parte de la energía se irradia tambien, sino no habría correspondencia con la conservación de energía. ¿es así?

[pod]

Re: Ciclotron y mi duda

Estoy confundido.

Desde un punto de vista cuántico. Las cargas se encuentran en un pozo de potencial de manera que su energía está cuantisada. Su posición alrededor del núcleo es una región probabilística dada por el cuadrado de la función de onda y en donde cada orbital la energía está cuantizada. Si la carga absorve un fotón cuya energía necesariamente tiene que ser igual a un salto energetico a otro orbital esta carga pasa a ese orbital, pero no emite un fotón ya que acá no se habla de aceleración ¿o si?. si emite un fotón cae a un orbital de menor energía.

Lo mejor es tratar la parte cuántica en el foro de cuántica. Abrid un hilo allí, por favor.

Pero para un punto de vista clásico tenemos que siempre que la carga se acelera (ya sea aceleración negativa o positiva) emite radiación. Pero lo que no entiendo es, para acelerarla tiene que absorver radiación pero no toda la energía de esta radiación se convierte en energía cinética de la carga sino que una parte de la energía se irradia tambien, sino no habría correspondencia con la conservación de energía. ¿es así?

Desde el punto de vista clásico, la carga no absorbe la radiación. Una onda electromagnética no es más que un campo eléctrico (y el magnético asociado, pero por simplicidad vamos a obviarlo durante esta discusión) que oscila con el tiempo según una función sinusoidal. Como la fuerza eléctrica es proporcional al campo, esto se traduce en una fuerza que varía en el tiempo según una función sinusoidal. Y eso básicamente lleva a que la carga, si está libre de cualquier otra cosa, siga un movimiento armónico simple forzado.

Y todo esto pasa sin alterar para nada la onda magnética original.

Ahora bien, el MAS que sigue la carga es un movimiento acelerado. Y, por lo tanto, la carga emite una nueva onda. Se puede demostrar que esta onda interfiere de forma parcialmente destructiva con la onda original, de forma que la onda total (original más reemitida) tiene menor amplitud. Es decir, la onda ha perdido energía. No por casualidad, ha perdido justamente la energía necesaria para poner en movimiento la carga.

[Breogan]

Re: Ciclotron y mi duda

Hola:

No pérdida de grados de libertad, sino a una restricción del movimiento en ellos. Un electrón libre tiene los mismos grados de libertad que ese mismo electrón en un átomo (tres + spin e historias).

Correcto, fue un mal uso del termino.

La incertidumbre sólo permite violaciones durante un tiempo muy muy pequeño.

Fue un comentario que pretendió ser jocoso!!!

Igual. Gracias del mundo cuántico, el fotón intercambiado tiene "momento negativo" (lo cual está permitido por ser partícula virtual).

El mundo cuantico no me deja de sorprender!!!

Pero para un punto de vista clásico tenemos que siempre que la carga se acelera (ya sea aceleración negativa o positiva) emite radiación. Pero lo que no entiendo es, para acelerarla tiene que absorver radiación pero no toda la energía de esta radiación se convierte en energía cinética de la carga sino que una parte de la energía se irradia tambien, sino no habría correspondencia con la conservación de energía. ¿es así?.

Desde el punto de vista clásico, la carga no absorbe la radiación. Una onda electromagnética no es más que un campo eléctrico (y el magnético asociado, pero por simplicidad vamos a obviarlo durante esta discusión) que oscila con el tiempo según una función sinusoidal. Como la fuerza eléctrica es proporcional al campo, esto se traduce en una fuerza que varía en el tiempo según una función sinusoidal. Y eso básicamente lleva a que la carga, si está libre de cualquier otra cosa, siga un movimiento armónico simple forzado.

Y todo esto pasa sin alterar para nada la onda magnética original.

Ahora bien, el MAS que sigue la carga es un movimiento acelerado. Y, por lo tanto, la carga emite una nueva onda. Se puede demostrar que esta onda interfiere de forma parcialmente destructiva con la onda original, de forma que la onda total (original más reemitida) tiene menor amplitud. Es decir, la onda ha perdido energía. No por casualidad, ha perdido justamente la energía necesaria para poner en movimiento la carga..

Un ejemplo de lo que dice pod es la reflexión de ondas electromagnéticas en paredes metálicas (DirectTV?), para el EM clásico hasta frecuencias determinadas se considera que los metales no pueden tener campos electricos no nulos en su interior, es decir que tiene cargas suficientemente libres para re-ordenarse y anular cualquier campo electrico exterior aplicado.

Las cargas en la pared metalica funcionan como osciladores que emiten una onda EM que sumada con la incidente siempre da que el campo electrico en el metal es nulo. De un lado de la pared metalica la interferencia es destructiva (dos ondas progresivas de igual frecuencia y amplitud, desfasadas 180º), del otro lado no (una onda progresiva y una regresiva).

No es el único modo de interacción en que se aplica, si lanzamos cargas con velocidad v contra una carga, cargas, campos fijos; la carga en movimiento se frena emitiendo radiación (creo que se llama radiación de frenado).

Pregunta: en el calculo del numero de estados que puede tener una onda EM en una cavidad tridimensional con paredes metálicas que se usa en la determinación del espectro del cuerpo negro (por lo menos la que a mi me enseñaron), es valido suponer que el campo eléctrico es nulo para frecuencias de cero a infinito en la pared metálica?.
Ya que sabemos que para mas allá de ciertas frecuencias los metales dejan de tener este comportamiento ideal, para empezar a volverse translucidos para la radiación EM

Suerte

[pod]

Re: Ciclotron y mi duda

Pregunta: en el calculo del numero de estados que puede tener una onda EM en una cavidad tridimensional con paredes metálicas que se usa en la determinación del espectro del cuerpo negro (por lo menos la que a mi me enseñaron), es valido suponer que el campo eléctrico es nulo para frecuencias de cero a infinito en la pared metálica?.
Ya que sabemos que para mas allá de ciertas frecuencias los metales dejan de tener este comportamiento ideal, para empezar a volverse translucidos para la radiación EM

Es válido en el mismo grado en que la aproximación de cuerpo negro sea válida. Igual que no hay ningún conductor perfecto, tampoco hay ningún cuerpo negro perfecto.

[Breogan]

Re: Ciclotron y mi duda

Hola:

Es válido en el mismo grado en que la aproximación de cuerpo negro sea válida. Igual que no hay ningún conductor perfecto, tampoco hay ningún cuerpo negro perfecto.

Por esta misma razon es valido este calculo, que se hizo para una cavidad metálica, cuando se trata de materiales aislantes? Por que hasta donde me acuerdo la radiación del cuerpo negro es independiente del material y es aplicable desde unos pocos K hasta miles (tanto que creo recordar que por esta distribucion se calcula la temperatura de todos los cuerpos celestes)

Suerte

[pod]

Re: Ciclotron y mi duda

Hola:



Por esta misma razon es valido este calculo, que se hizo para una cavidad metálica, cuando se trata de materiales aislantes? Por que hasta donde me acuerdo la radiación del cuerpo negro es independiente del material y es aplicable desde unos pocos K hasta miles (tanto que creo recordar que por esta distribucion se calcula la temperatura de todos los cuerpos celestes)

Suerte

Lo de la cavidad es un "truqui" para hacer cálculos. El cuerpo negro es un modelo universal, cualquier cosa que absorba la luz incidente tendrá el mismo comportamiento. El sol, por ejemplo, no se parece en nada a una cavidad, ni es conductor, y su espectro es el de un cuerpo negro (excepto franjas de emisión y absorción).

[Breogan]

Re: Ciclotron y mi duda

Hola:

El cuerpo negro es un modelo universal, cualquier cosa que absorba la luz incidente tendrá el mismo comportamiento. El sol, por ejemplo, no se parece en nada a una cavidad, ni es conductor, y su espectro es el de un cuerpo negro (excepto franjas de emisión y absorción).

Esta demostrado suficientemente, en un amplio rango de temperaturas y de frecuencias , la validez de la ecuación de Planck. Radiación de cuerpos celestes, radiación de fondo de microondas, termómetros por radiación, etc.

Lo de la cavidad es un "truqui" para hacer cálculos.

Esta es una respuesta poco científica, me hace acordar a mis profesores que cuando preguntaba algo decían "que era así", "es la teoría aceptada", "esta en el libro", "es lo que voy a tomar en el examen ...", etc. etc..., nunca decían no se o no se como explicarlo a este nivel.

La ecuación de Planck (que vuelvo a repetir no discuto) , como a mi me enseñaron, es el resultado de el producto de dos ecuaciones, la primera el numero de modos de oscilacion de ondas EM por unidad de frecuencia en una cavidad radiante de volumen V:

$\dst \frac{\omega^2}{ \pi^2 c^3}V$

la otra es la energía para cada modo de oscilación:

$\dst\frac{h\nu}{ {e}^{ \frac{h\nu}{kT }}-1}$

La multiplicación de estas dos ecuaciones es la ecuación de Planck (valida). Si el resultado es valido no implica que los pasos intermedios lo sean (si lo habré sufrido en los exámenes !!!).

Mis dudas están en las hipótesis que se usan para obtener la primera formula (como se enseñan), ya que usar una cavidad metálica le quita evidente generalidad a la deducción en contraposición a la universalidad de la ecuación de Planck.
Si la deducción de la primera se universaliza por otros métodos dando el mismo resultado no habría mayores cambios, solo mayor rigurosidad, lo cual no es poco.
Si cambia la formula resultante la otra formula también cambiara, de forma de mantener la formula de Planck.
No pido que me lo expliquen, solo si existe una justificación para aceptar la validez de estas hipótesis para todos los materiales (conductores, aislantes, semiconductores, etc) o una demostración alternativa, y algún vinculo para leer mas de esto.

Gracias

Suerte

[pod]

Re: Ciclotron y mi duda

Creo que no me he expresado con la necesaria claridad.

La cavidad es un modelo de cuerpo negro. En efecto, si la obertura de la cavidad es suficientemente pequeña en relación a su volumen interior, la radiación que entre tendrá pocas probabilidades de salir, lo cual es la definición de un cuerpo negro. Como el cuerpo negro es un modelo universal, el resultado obtenido con la cavidad debe ser el mismo que con cualquier otro modelo de cuerpo negro.

La gracia del modelo de cavidad es que es muy simple, y por lo tanto nos permite hacer los cálculos (tu mismo los has esbozado de forma brillante). Eso no quiere decir que no se puedan realizar los cálculos con otros modelos (no tengo ni idea de donde puedes encontrar algún ejemplo, supongo que un libro de física estadística cuántica sería tu mejor opción), pero el resultado debe ser el mismo.

Radiación de cuerpos celestes, radiación de fondo de microondas, termómetros por radiación, etc.

Correcto. ¿Y cual de esos sistemas Físicos se parece a una cavidad? Mi opinión es que ninguno. La cavidad es un modelo de cuerpo negro. Lo interesante es que los resultados son independientes del modelo.

Es el concepto de universalidad. Sistemas de naturalezas muy diferentes que observan el mismo comportamiento. No sólo con el cuerpo negro, sino en un gran número de sistemas termodinámicos. Puedes tomártelo como una observación experimental, pero seguro que los expertos en física estadística tienen alguna justificación para ello.

Su significado viene a ser que el hecho de "absorber toda la luz" es más importante que los detalles internos de lo que le pasa a la luz en el interior del cuerpo negro. Por lo tanto, si tomamos un modelo particular, analizamos sus pormenores, el resultado será el mismo.

Mis dudas están en las hipótesis que se usan para obtener la primera formula (como se enseñan), ya que usar una cavidad metálica le quita evidente generalidad a la deducción en contraposición a la universalidad de la ecuación de Planck.
Si la deducción de la primera se universaliza por otros métodos dando el mismo resultado no habría mayores cambios, solo mayor rigurosidad, lo cual no es poco.
Si cambia la formula resultante la otra formula también cambiara, de forma de mantener la formula de Planck.
No pido que me lo expliquen, solo si existe una justificación para aceptar la validez de estas hipótesis para todos los materiales (conductores, aislantes, semiconductores, etc) o una demostración alternativa, y algún vinculo para leer mas de esto.

Fíjate que incluso considerando diferentes materiales en la cavidad, el modelo no sería directamente aplicable, por ejemplo, a una estrella. Son modelos diferentes, muy diferentes. Los resultados de la cavidad no son aplicables directamente a otros cuerpos negros, si no es a través del "principio" de universalidad.

Lo que necesitas aquí no es un cálculo mejor del modelo de la cavidad, sino entender el concepto de universalidad, o encontrar cálculos en otros modelos de cuerpo negro. Estoy convencido que encontrarás cálculos para otros modelos en libros de física estadística (donde la interpretación de cada "parte" de la formula será, probablemente, diferente).

[Breogan]

Re: Ciclotron y mi duda

Hola:
Gracias por la respuesta.
Llevo tiempo buscando en la web y en los libros de física (estadística y otros) que llegan a mis manos, todos hacen referencia a este calculo, sin plantear o justificar o evidenciar la escases de la hipótesis aplicada.

No pretendo entender la universalidad de la radiación del cuerpo negro, pero como en la ciencia podemos segmentar un problema por partes para su estudio (con lo bueno y malo de esto), lo que me gustaría entender (o saber que hay una respuesta) es la universalidad "local" en las cavidades radiantes de distintos materiales.

Ya el hilo se ha ido lejos del tema original del mismo. En algún momento abriré un hilo sobre el cuerpo negro.

Te agradezco la honestidad intelectual de no mandar fruta cuando no conoces la respuesta.

Gracias.

Suerte