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Longitud de onda de De Broglie
Problema
2017 · Extraordinaria · Suplente
4B-b
Examen
b) Determine la relación entre las longitudes de onda asociadas a electrones y protones acelerados con una diferencia de potencial de 2⋅104 V2 \cdot 10^4 \text{ V}.

Datos: h=6,63⋅10−34 J⋅s;e=1,60⋅10−19 C;me=9,11⋅10−31 kg;mp=1,67⋅10−27 kgh = 6,63 \cdot 10^{-34} \text{ J} \cdot \text{s}; e = 1,60 \cdot 10^{-19} \text{ C}; m_e = 9,11 \cdot 10^{-31} \text{ kg}; m_p = 1,67 \cdot 10^{-27} \text{ kg}

Potencial de aceleraciónElectronesProtones

La longitud de onda de De Broglie asociada a una partícula es:

λ=hp=hmv\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv}

Una partícula de carga ee acelerada mediante una diferencia de potencial VV adquiere energía cinética:

eV=12mv2  ⟹  mv=2meVeV = \frac{1}{2}mv^2 \implies mv = \sqrt{2meV}

Por tanto, la longitud de onda de De Broglie queda:

λ=h2meV\lambda = \frac{h}{\sqrt{2meV}}

Para el electrón (me=9,11⋅10−31m_e = 9{,}11 \cdot 10^{-31} kg):

λe=h2 me e V=6,63⋅10−342⋅9,11⋅10−31⋅1,60⋅10−19⋅2⋅104\lambda_e = \frac{h}{\sqrt{2\, m_e\, e\, V}} = \frac{6{,}63 \cdot 10^{-34}}{\sqrt{2 \cdot 9{,}11 \cdot 10^{-31} \cdot 1{,}60 \cdot 10^{-19} \cdot 2 \cdot 10^{4}}}

Calculamos el radicando del denominador para el electrón:

2⋅9,11⋅10−31⋅1,60⋅10−19⋅2⋅104=5,831⋅10−45 kg2⋅m2⋅s−22 \cdot 9{,}11 \cdot 10^{-31} \cdot 1{,}60 \cdot 10^{-19} \cdot 2 \cdot 10^{4} = 5{,}831 \cdot 10^{-45} \text{ kg}^2 \cdot \text{m}^2 \cdot \text{s}^{-2}
5,831⋅10−45=7,636⋅10−23 kg⋅m⋅s−1\sqrt{5{,}831 \cdot 10^{-45}} = 7{,}636 \cdot 10^{-23} \text{ kg} \cdot \text{m} \cdot \text{s}^{-1}
λe=6,63⋅10−347,636⋅10−23≈8,68⋅10−12 m\lambda_e = \frac{6{,}63 \cdot 10^{-34}}{7{,}636 \cdot 10^{-23}} \approx 8{,}68 \cdot 10^{-12} \text{ m}

Para el protón (mp=1,67⋅10−27m_p = 1{,}67 \cdot 10^{-27} kg):

λp=h2 mp e V=6,63⋅10−342⋅1,67⋅10−27⋅1,60⋅10−19⋅2⋅104\lambda_p = \frac{h}{\sqrt{2\, m_p\, e\, V}} = \frac{6{,}63 \cdot 10^{-34}}{\sqrt{2 \cdot 1{,}67 \cdot 10^{-27} \cdot 1{,}60 \cdot 10^{-19} \cdot 2 \cdot 10^{4}}}

Calculamos el radicando del denominador para el protón:

2⋅1,67⋅10−27⋅1,60⋅10−19⋅2⋅104=1,069⋅10−41 kg2⋅m2⋅s−22 \cdot 1{,}67 \cdot 10^{-27} \cdot 1{,}60 \cdot 10^{-19} \cdot 2 \cdot 10^{4} = 1{,}069 \cdot 10^{-41} \text{ kg}^2 \cdot \text{m}^2 \cdot \text{s}^{-2}
1,069⋅10−41=1,034⋅10−20,5≈1,034⋅10−20⋅10−0,5≈3,270⋅10−21 kg⋅m⋅s−1\sqrt{1{,}069 \cdot 10^{-41}} = 1{,}034 \cdot 10^{-20{,}5} \approx 1{,}034 \cdot 10^{-20} \cdot 10^{-0{,}5} \approx 3{,}270 \cdot 10^{-21} \text{ kg} \cdot \text{m} \cdot \text{s}^{-1}
λp=6,63⋅10−343,270⋅10−21≈2,03⋅10−13 m\lambda_p = \frac{6{,}63 \cdot 10^{-34}}{3{,}270 \cdot 10^{-21}} \approx 2{,}03 \cdot 10^{-13} \text{ m}

La relación entre ambas longitudes de onda se obtiene directamente a partir de la expresión λ=h2meV\lambda = \dfrac{h}{\sqrt{2meV}}, dado que hh, ee y VV son comunes a ambas:

λeλp=2 mp e V2 me e V=mpme=1,67⋅10−279,11⋅10−31=1834≈42,8\frac{\lambda_e}{\lambda_p} = \frac{\sqrt{2\, m_p\, e\, V}}{\sqrt{2\, m_e\, e\, V}} = \sqrt{\frac{m_p}{m_e}} = \sqrt{\frac{1{,}67 \cdot 10^{-27}}{9{,}11 \cdot 10^{-31}}} = \sqrt{1834} \approx 42{,}8

Por tanto, la longitud de onda del electrón es aproximadamente 42,8 veces mayor que la del protón cuando ambos son acelerados con la misma diferencia de potencial. Esto se debe a que el protón, al ser mucho más masivo, adquiere un momento lineal mayor y, en consecuencia, una longitud de onda de De Broglie menor.