ArticlePDF Available

El espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construcción y uso de modelos de emisión y absorción de radiación en física cuántica

Authors:

Abstract and Figures

La introducción de la física cuántica en el bachillerato se limita en gran medida al estudio de los espectros de los gases y el efecto fotoeléctrico, obviando la gran cantidad de aplicaciones cotidianas que esta tiene. La construcción y calibrado de un espectroscopio cuantitativo nos permite trabajar con modelos cuánticos más allá de las experiencias que sirvieron para establecerlos. http://www.sbfisica.org.br/rbef/indice1.php?vol=36&num=4 Palabras-clave: espectros de luz visible, espectroscopio, modelos, física cuántica. The introduction of quantum physics in high school is reduced to the study of gas spectra and photoelectric effect, forgetting the wide range of daily applications. The construction and calibration of a quantitative spectroscope allow us to work with quantum models beyond the experiments that were used to establish them. Keywords: visible light spectra, spectroscope, models, quantum physics. http://www.sbfisica.org.br/rbef/indice1.php?vol=36&num=4
Content may be subject to copyright.
Revista Brasileira de Ensino de F´ısica, v. 36, n. 4, 4302 (2014)
www.sbfisica.org.br
El espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construcci´on y
uso de modelos de emisi´on y absorci´on de radiaci´on en f´ısica cu´antica
(The quantitative spectroscope, an instrument aiming at designing and using quantum physics models for the emission and
absorption of radiation)
Francisco Savall-Alemany1, Josep Llu´ıs Dom`enech-Blanco1, Joaqu´ın Mart´ınez-Torregrosa1,2
1Departamento de Did´actica General y Did´acticas Espec´ıficas, Did´actica de las Ciencias Experimentales,
Facultad de Educaci´on, Universidad de Alicante, Espanha
2Instituto Universitario de F´ısica Aplicada a la Ciencia y Tecnolog´ıa, Universidad de Alicante, Espanha
Recebido em 16/4/2014; Aceito em 10/6/2014; Publicado em 3/10/2014
La introducci´on de la f´ısica cu´antica en el bachillerato se limita en gran medida al estudio de los espectros
de los gases y el efecto fotoel´ectrico, obviando la gran cantidad de aplicaciones cotidianas que esta tiene. La
construcci´on y calibrado de un espectroscopio cuantitativo nos permite trabajar con modelos cu´anticos m´as all´a
de las experiencias que sirvieron para establecerlos.
Palabras-clave: espectros de luz visible, espectroscopio, modelos, f´ısica cu´antica.
The introduction of quantum physics in high school is reduced to the study of gas spectra and photoelectric
effect, forgetting the wide range of daily applications. The construction and calibration of a quantitative spec-
troscope allow us to work with quantum models beyond the experiments that were used to establish them.
Keywords: visible light spectra, spectroscope, models, quantum physics.
1. Introducci´on
El desarrollo de la unidad de f´ısica cu´antica en el se-
gundo a˜no de bachillerato se suele basar en el estudio
del efecto fotoel´ectrico y los espectros de los gases, as-
pectos ambos contemplados en el curr´ıculum, que es-
tablece entre los criterios de evaluaci´on, adem´as,elco-
nocimiento del “gran impulso de esta nueva revoluci´on
cient´ıfica al desarrollo cient´ıfico y tecnol´ogico, ya que
gran parte de las nuevas tecnolog´ıassebasanenla
ısica cu´antica: las c´elulas fotoel´ectricas, los microsco-
pios electr´onicos, el l´aser, la microelectr´onica, los orde-
nadores, etc.” [1].
La estrategia de empezar la unidad con el estudio
del efecto fotoel´ectrico y los espectros at´omicos est´a jus-
tificada desde el punto de vista hist´orico, ya que am-
bos son problemas relativos a la emisi´on y absorci´on
de radiaci´on que llevaron al abandono de los modelos
cl´asicos y al establecimiento de los primeros modelos
cu´anticos [2, 3]. Sin embargo, los problemas y acti-
vidades a las que se enfrentan los alumnos se quedan
muy lejos del ansiado objetivo de “conocer el gran im-
pulso de esta nueva revoluci´on cient´ıfica al desarrollo
tecnol´ogico”, puesto que no se les da la oportunidad de
aplicar los modelos cu´anticos en situaciones diferentes
a las utilizadas para introducirlos, a pesar del consenso
generalizado que existe en la investigaci´on did´actica so-
bre la necesidad de basar la ense˜nanza y aprendizaje
de las ciencias en los modelos cient´ıficos, en tanto que
´estos act´uan como intermediarios entre las teor´ıas y la
experiencia, desempe˜nando un papel fundamental en el
trabajo cient´ıfico, adem´as de ser uno de los principales
productos [4-11].
As´ı mismo, se olvida el valor que tiene la f´ısica
cu´antica para explicar el funcionamiento de aplicacio-
nes tecnol´ogicas modernas, lo que aporta a los alumnos
conocimientos que les permiten tomar decisiones infor-
madas, contribuyendo as´ı a la alfabetizaci´on cient´ıfica,
objetivo fundamental de la ense˜nanza cient´ıfica [12-14].
Somos conscientes que son diversas las maneras en
queseintroducelacuantizaci´on de la energ´ıa en el
´atomo en la ense˜nanza media y que este tema sigue
siendo objeto de investigaci´on [15-16]. Tambi´en son
diversas las propuestas destinadas a introducir traba-
jos experimentales en la ense˜nanza de la f´
ısica cu´antica
[17],yenalgunasdeellasseproponenusosdid´acticos
del espectroscopio [18-21]. Sin embargo, todas ellas se
limitan a un uso cualitativo del espectroscopio que im-
pide el desarrollo y aplicaci´on,endetalle,deunmodelo
cu´antico de emisi´on y absorci´on de radiaci´on. Por ello,
1E-mail: paco.savall@ua.es.
Copyright by the Sociedade Brasileira de F´ısica. Printed in Brazil.
4302-2 Savall-Alemany
nuestro trabajo ha tenido como objetivo el dise˜no y
puesta en pr´actica de una secuencia de actividades que
permita a los alumnos construir y aplicar un modelo
cu´antico capaz de explicar fen´omenos cotidianos, como
la fluorescencia, la fosforescencia, el funcionamiento del
aser, los leds o los tubos de ne´on.
2. Montaje del espectroscopio
Para el montaje del espectroscopio hemos usado una
caja de cart´on, concretamente una caja de zapatos. En
dos de sus paredes opuestas hemos abierto dos aguje-
ros alineados de aproximadamente 4 cm de alto y 1 cm
de ancho (Fig. 1A). Seguidamente hemos a˜nadido una
red de difracci´on, obtenida de un CD. Para ello hemos
retirado la capa de aluminio del CD pegando un trozo
de cinta adhesiva pl´astica sobre ella, al levantar la cinta
adhesiva observamos que el aluminio se queda pegado
a ella, dejando el pl´astico del CD (la red de difracci´on)
libre y limpio. Sobre ´el hemos dibujado un rect´angulo,
en la parte m´as externa, suficientemente grande como
para cubrir uno de los agujeros abiertos en la caja (Fig.
1B). Tras cortar el rect´angulo lo hemos pegado, en po-
sici´on vertical, sobre uno de los agujeros de la caja.
Por ´ultimo, con un c´uter hemos practicado una ren-
dija vertical, tan fina como nos ha sido posible, sobre un
rect´angulo de cartulina negra suficientemente grande
como para cubrir completamente el otro agujero abier-
to en la caja y lo hemos pegado sobre ´el. En la parte
interior de la caja, al lado de la rendija, hemos pegado
una escala dibujada sobre un papel milimetrado (Fig.
1C). Esta escala, una vez calibrada, ser´alaquepermi-
tir´a hacer las medidas cuantitativas.
Este es el espectroscopio que nos ha permitido des-
componer la luz y observar los espectros. Sin embargo,
es necesario que entre en la caja la luz necesaria para
poder ver la escala si se desea hacer medidas cuantita-
tivas. Para ello, hemos practicado en la tapa de la caja,
sobre la escala, una abertura transversal, de aproxima-
damente 1 cm de ancho (Fig. 1D, n´otese que ahora la
caja est´a girada, con la rendija en primer plano). Esta
abertura deja entrar la luz suficiente para poder ver la
escala sin afectar al espectro.
Figura 1. Montaje del espectroscopio.
3. Calibraci´on del espectroscopio
Para calibrar el espectroscopio buscamos una relaci´on
matem´atica entre la posici´on que ocupa una l´ınea es-
pectral sobre la escala y su longitud de onda. En una
red de difracci´on, la radiaci´on que emerge con un ´angulo
de difracci´on θde dos puntos hom´ologos separados por
una distancia δen dos rendijas consecutivas tiene una
El espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construcci´on y uso de modelos de emisi´on y absorci´on de radiaci´on... 4302-3
diferencia de caminos Δ (Fig. 2) que cumple la relaci´on
sin θ=Δ
δΔ=δsin(1)
Figura 2. Diferencia de caminos (Δ) entre la radiaci´on que
atraviesa por dos puntos hom´ologos de dos rendijas conse-
cutivas separadas por una distancia δen la direcci´on θ.
El primer m´aximo de intensidad se observar´a, para
cada frecuencia, en aquella direcci´on en la cual la dife-
rencia de caminos se corresponda con una longitud de
onda, por lo que la ecuaci´on (1) queda como:
λ=δsin θ. (2)
Para nuestro espectroscopio, el ´angulo de difracci´on
θcon el que se observa cada l´ınea espectral est´arelaci-
onado con la posici´on de la l´ınea sobre la pantalla (x) y
con la longitud del espectroscopio (L), como se aprecia
en la Fig. 3.
Figura 3. El ´angulo de difracci´on θest´a relacionado con
la posici´on de la l´ınea sobre la escala (x) y la longitud del
espectroscopio (L).
As´ı, y teniendo en cuenta que L>>x
sin θ=x
x2+L2x
L.(3)
Despejando e igualando sin θen las ecuaciones (2)
y (3) llegamos a
x
L=λ
δλ=δ
Lx. (4)
Podemos, por tanto, establecer una relaci´on lineal
entre la longitud de onda de una l´ınea espectral y su po-
sici´on sobre la escala. Para ello hemos usado un espec-
tro cuyas longitudes de onda fuesen conocidas, concre-
tamente el espectro de una bombilla de bajo consumo
(Fig. 4).
Figura 4. Espectro de una bombilla de bajo consumo ob-
tenido con el espectroscopio. Se observan las l´ıneas espec-
trales sobre la escala de papel milimetrado. De izquierda a
derecha, se observan dos l´ıneas violetas (la primera es muy
tenue), una l´ınea azul, una l´ınea verde, una banda formada
por la superposicon de diversas l´ıneas naranjas y una l´ınea
naranja.
Las longitudes de onda de las l´ıneas espectrales
se pueden obtener de art´ıculos did´acticos [20-21] o de
art´ıculos cient´ıficos [22-23]. En la Tabla 1 relacionamos
la posici´on de las l´ıneas espectrales de la Fig. 4 con sus
respectivas longitudes de onda.
Tabla 1. Posiciones y longitudes de onda de las l´ıneas del es-
pectro de la bombilla de bajo consumo tomado con nuestro
espectroscopio.
Posici´on
(cm)
Longitud de
onda (nm)
Comentarios
5,2 405 L´ınea morada muy tenue
6,0 436 L´ınea violeta
7,2 492 L´ınea azul
8,7 546 L´ınea verde
9,4 577 Inicio banda naranja
10,5 612 L´ınea naranja
Hemos considerado que la posici´on de las l´ıneas es
aquella en la que se observa su mayor intensidad y, en
caso de duda, hemos cogido el menor de los valores.
As´ı, para la banda naranja hemos tomado su posici´on
como 9,4 cm, donde empieza la banda, y el valor de
su longitud de onda como 577 nm, que es la menor de
sus longitudes de onda [21]. Con estas medidas hemos
representado la posici´on de las l´ıneas frente a la longi-
tud de onda y hemos obtenido la recta de regresi´on que
permite relacionar ambas magnitudes (Fig. 5).
Como se puede observar, la gr´afica se ajusta cor-
rectamente a una recta, con una correlaci´on elevada
(r= 0,9987). La ecuaci´on de la recta, que posterior-
mente permitir´a determinar el valor de las longitudes
4302-4 Savall-Alemany
de onda de la radiaci´on emitida por otras fuentes, viene
dada por la ecuaci´on (5), con la posici´on de la l´ınea es-
pectral expresada en cent´ımetros y la longitud de onda
en nan´ometros.
λ= 40x + 201.(5)
Figura 5. Relaci´on entre la posici´on de las l´ıneas en el es-
pectroscopio y su longitud de onda.
Ahora ya podemos usar el espectroscopio para ex-
plicar el funcionamiento de aparatos tecnol´ogicos y
fen´omenos cu´anticos cotidianos, dando cuenta de los
procesos que les permiten emitir y absorber radiaci´on.
Empezaremos estableciendo un modelo cu´antico de
emisi´on de radiaci´on para el caso m´as sencillo: la
emisi´on de luz monocrom´atica por un l´aser. Posteri-
ormente modificaremos y ampliaremos el modelo es-
tablecido para dar cuenta de la emisi´on de radiaci´on
cuyo espectro contiene diversas frecuencias e intensida-
des. ´
Esto nos permitir´a trabajar no solo los conceptos
de transici´on at´omica y de fot´on y su relaci´on con la
frecuencia de la radiaci´on sino tambi´en el car´acter pro-
babil´ıstico de la f´ısica cu´antica, imprescindible a la hora
de explicar la intensidad de las l´ıneas espectrales de los
gases.
As´ı mismo, el trabajo experimental nos llevar´aal
establecimiento, como hip´otesis, de diversos modelos
capaces de explicar los resultados experimentales. La
decisi´on sobre cu´al de ellos es correcto se deber´a tomar
atendiendo a su capacidad para predecir la existencia
de frecuencias no visibles en el espectro de la luz emi-
tida, cuya existencia puede ser contrastada a trav´es de
una b´usqueda bibliogr´afica. Como veremos, esta estra-
tegia ser´a fundamental cuando tratemos de determinar
las transiciones que originan los espectros de los gases.
4. Actividades de introducci´on y uso de
un modelo cu´antico de emisi´on y ab-
sorci´on de radiaci´on
4.1. Introducci´on de un modelo cu´antico para
explicar la emisi´on de luz monocrom´atica
El espectro m´as sencillo es el de un l´aser, por su car´acter
monocrom´atico. Usando el espectroscopio, la imagen
que se obtiene al poner el l´aser delante de la rendija y
mirar a trav´es del CD es la que mostramos en la Fig. 6.
Figura 6. Espectro del l´aser.
Un espectro con una ´unica l´ınea pone de manifi-
esto que la radiaci´on emitida se debe a la transici´on
de los ´atomos del l´aser entre dos estados estacionarios.
A partir de la posici´on de la l´ınea espectral, 11,1 cm,
obtenemos la frecuencia de la radiaci´on y, con ello, la
energ´ıa de los fotones emitidos
λfoton =40·11,1 + 201 = 645 nm
νfoton =4,65 ·1014 Hz,(6)
Efoton ==3,08 ·1019 J=1,9eV (7)
Por tanto, en los ´atomos del l´aser se produce una
transici´on electr´onica entre estados estacionarios sepa-
rados por 1,9 eV. Si representamos dicha transici´on en
un diagrama de energ´ıa en el cual dicha magnitud (E)
se sit´ua en el eje vertical, y teniendo en cuenta que des-
conocemos el valor de la energ´ıa del estado fundamental
(Eo), obtenemos la Fig. 7.
Figura 7. Diagrama de transiciones permitidas. Los elec-
trones hacen una transici´on entre dos niveles separados por
1,9 eV para emitir la luz roja caracter´ıstica de este l´aser.
Una explicaci´on completa implica dar cuenta de su
funcionamiento a lo largo de un per´ıodo de tiempo su-
ficientemente largo. Para ello, los electrones deben ad-
quirir energ´ıa de la corriente el´ectrica que alimenta el
aser para hacer la transici´on del estado inferior al su-
perior y mantener la emisi´on de energ´ıa.
El espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construcci´on y uso de modelos de emisi´on y absorci´on de radiaci´on... 4302-5
4.2. Modificaci´on del modelo cu´antico para ex-
plicar la emisi´on de una banda de frecuen-
cias de luz
De manera an´aloga, se puede explicar el funcionami-
ento de un led, caracterizado por emitir una banda de
frecuencias de luz, como se observa en la Fig. 8.
En primera aproximaci´on, podemos considerar la
banda como una l´ınea y proceder de la misma manera
que antes. Sin embargo, un an´alisis detallado permite
determinar que la banda se encuentran entre la posici´on
10,2 cm y 10,9 cm de la figura 8, a lo que corresponde un
rango de longitudes de onda de 609 nm a 637 nm y foto-
nes con energ´ıas entre 3,25·1019J y 3,11·1019 J. Para
emitirfotonesdetodasesasenerg´ıas debe haber un con-
junto de posibles transiciones, lo que solo se consigue si
consideramos la existencia de bandas, como muestra la
Fig. 9.
Figura 8. Espectro de un led rojo.
Figura 9. Diagramas de bandas de energ´ıa que explican la radiaci´on emitida por un led. Las flechas indican diversas
transiciones posibles para explicar el espectro observado.
4.3. Uso del modelo cu´antico para explicar los
cambios en la frecuencia o la intensidad de
la luz emitida
Profundizamos en el modelo de emisi´on de radiaci´on
us´andolo para explicar la emisi´ondeluzdediferente
color e intensidad. Para ello usamos leds de colores
verde y azul, cuyos espectros son similares al de la luz
emitida por el led rojo, como se observa en la Fig. 10.
Figura 10. Espectro del led verde (arriba) y del led azul
(abajo).
Conseguir un aumento en la frecuencia de la
luz emitida requiere que los fotones emitidos tengan
as energ´ıa, lo que requiere una mayor separaci´on
energ´etica entre estados estacionarios. Dar cuenta de
un aumento de intensidad implica hacer cambios en el
modelo que justifiquen un aumento de la energ´ıa total
emitida. Si no hay cambio de frecuencia, los fotones
emitidos tendr´an la misma energ´ıa, por lo que un cam-
bio en la energ´ıa total exige un aumento en la canti-
dad total de fotones emitidos: deben producirse m´as
transiciones entre estados estacionarios por unidad de
tiempo.
4.4. Ampliaci´on del modelo cu´antico para ex-
plicar la emisi´on de luz policrom´atica
El modelo nos permite abordar tambi´en la emisi´on de
espectros con m´as de una l´ınea o banda, como el caso
del helio (Fig. 11), siendo esta una buena ocasi´on para
profundizar en el car´acter aleatorio de las transiciones
at´omicas.
Observando en el espectro las posiciones de las
ıneas obtenemos su frecuencia y la energ´ıa de los fo-
tones que las constituyen (Tabla 2).
Para que se puedan emitir estos fotones deben te-
ner lugar 4 transiciones en el ´atomo de helio. Existen
diversas posibilidades de que esto ocurra y necesitamos
as informaci´on para establecer el diagrama correcto.
4302-6 Savall-Alemany
A pesar de ello, la Fig. 12 es un ejemplo de diagrama
capaz de explicar el espectro del helio.
Figura 11. ampara de helio del laboratorio escolar y su
correspondiente espectro.
Tabla 2. Posiciones, colores, frecuencias y energ´ıas de los
fotones del espectro del helio.
Posici´on
(cm)
Color λ(nm) Energ´ıa de los foto-
nes (eV)
6,2 Azul 449 2,8
7,3 Verde d´ebil 493 2,6
7,5 Verde intensa 501 2,5
9,8 Amarilla 593 2,1
Otro diagrama posible ser´ıaaquelenelcualtienen
lugar transiciones desde un ´unico estado a cuatro esta-
dos diferentes y de menor energ´ıa, o que tengan lugar
cuatro transiciones entre estados estacionarios consecu-
tivos y separados por 2,1 eV, 2,5 eV, 2,6 eV y 2,8 eV.
Para decidir entre un diagrama u otro discutimos si
el helio puede emitir radiaciones que no est´en recogidas
en el espectro. Teniendo en cuenta que las transiciones
a estados de menor energ´ıa son aleatorias, cabe esperar
transiciones desde el tercer estado al segundo, desde el
cuarto estado al tercero y al segundo, etc. Podemos,
por tanto, calcular las frecuencias de dichas transicio-
nes y contrastar a trav´es de b´usqueda bibliogr´afica si
est´an presentes en el espectro no visible del helio.
Por ´ultimo, para tener una explicaci´on completa
del espectro debemos dar cuenta de la intensidad de
las l´ıneas espectrales, lo que nos permite trabajar
el car´acter probabil´ıstico de la f´ısica cu´antica, como
hab´ıamos comentado anteriormente. La l´ınea m´as in-
tensa, la amarilla, evidencia una mayor cantidad de fo-
tones de dicha frecuencia. Podemos afirmar, por tanto,
que la transici´on del segundo estado estacionario al pri-
mero se da m´as veces por unidad de tiempo que las
dem´as, que es la m´as probable. Un an´alisis equivalente
permite explicar la intensidad de las otras l´ıneas.
Figura 12. Diagrama de transiciones permitidas del ´atomo
de helio. Las flechas coloreadas indican el color de la luz
emitida en cada transici´on. Una flecha m´as gruesa hace re-
ferencia a una transici´on m´as probable y, por tanto, a una
ınea m´as intensa en el espectro para la radiaci´on de dicha
frecuencia.
4.5. Ampliaci´on del modelo cu´antico para ex-
plicar la absorci´on de radiaci´on
El uso del espectroscopio no se limita ´unicamente a
la emisi´on, pudiendo abordar tambi´en la absorci´on
y la existencia de una frecuencia umbral en diversos
fen´omenos, como la fluorescencia, la fosforescencia o el
efecto fotoel´ectrico.
Usando los leds que emiten luz roja, verde y azul
cuyos espectros se encuentran en las Figs. 8 y 10 y una
pegatina fluorescente se puede comprobar experimen-
talmente que al iluminar la pegatina con luz roja (Fig.
13, fotograma 1) ´esta no emite luz (2). Al hacerlo con
luz verde tampoco se produce ning´un efecto (3 y 4).
Pero cuando se ilumina con luz azul se puede observar
que, posteriormente, luce durante un breve per´ıodo de
tiempo (5 y 6).
Figura 13. Las pegatinas fluorescentes solo brillan cuando se iluminan con luz azul. En el primer fotograma (1) se observa
una estrella iluminada con luz roja, en el segundo fotograma se puede ver que al apagar la luz la estrella no luce. Lo mismo
pasa al iluminar con luz verde (fotogramas 3 y 4). Pero al iluminarla con luz azul la estrella s´ıqueluce.
El espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construcci´on y uso de modelos de emisi´on y absorci´on de radiaci´on... 4302-7
Para cada led trabajaremos con la m´axima frecuen-
cia de la luz que emite, puesto que es ´esta la que produce
la transici´on m´as energ´etica en la pegatina fluorescente
y, por tanto, la que puede producir posteriormente la
emisi´on de luz por parte de la pegatina. En la Tabla 3
indicamos la longitud de onda m´ınima de la luz emitida
por cada led y la energ´ıa m´axima de los fotones que la
constituyen.
Tabla 3. Colores, frecuencias y energ´ıa de los fotones de la luz usada para iluminar la pegatina fluorescente.
Color λınima (nm) Energ´ıa m´axima de los fotones (eV) Comentarios
Rojo 4,97 2,0 La pegatina no brilla
Verde 6,16 2,5 La pegatina no brilla
Azul 6,87 2,8 La pegatina brilla
Empezamos analizando la emisi´on de luz por la es-
trella. Se observa que la luz emitida es azulada, por
tanto responde a un mecanismo como el que se repre-
senta en la Fig. 14.
Figura 14. Mecanismo que permite explicar la emisi´on de
luz por parte de la estrella.
Para que el mecanismo “se active” es necesario que
se produzcan transiciones de los electrones desde el es-
tado de menor energ´ıa al de mayor energ´ıa. Observando
con el espectroscopio la luz roja, la luz verde y la luz
azul procedente de la fuente de iluminaci´on podremos
apreciar que la frecuencia de la ´ultima es la mayor de
todas y, como demuestra la secuencia fotogr´afica, la
´unica que est´a formada por fotones que pueden llevar a
los electrones al estado de mayor energ´ıa (Fig. 15).
Aprovechamos la situaci´on para confirmar que cada
electr´on interacciona ´unicamente con un fot´on, ya que
la absorci´on de diversos fotones de la frecuencia cor-
respondiente a la luz roja podr´ıa llevar a los electrones
al estado de mayor energ´ıa. Comodichoefectonose
observa, la absorci´on m´ultiple debe ser descartada.
5. Conclusi´on
El uso cuantitativo del espectroscopio nos ha permi-
tido profundizar en los modelos cu´anticos de emisi´on
y absorci´on de radiaci´on m´as all´a de la interpretaci´on
asicamente cualitativa de los espectros at´omicos que
caracteriza a los libros de texto. Es as´ı como profun-
dizamos en la dimensi´on aplicada de la f´ısica cu´antica,
poniendo de manifiesto su importancia en el desarrollo
econ´omico y tecnol´ogico. Contribuimos con ello a la
construcci´on de una imagen m´as correcta de la ciencia
y del trabajo cient´ıfico por parte de los alumnos, as´ı
como a que sean capaces de reconocer la presencia de
la f´ısica cu´antica en su entorno m´as inmediato. Consi-
deramos que este ´ultimo objetivo es irrenunciable en la
alfabetizaci´on cient´ıfica de los estudiantes, con el cual se
contribuye tambi´enalaformaci´on de un esp´ıritu cr´ıtico
que les permitir´a enfrentarse a visiones deformadas de
la f´ısica cu´antica y aplicaciones fraudulentas, tales como
la psicolog´ıa cu´antica o la bioresonancia cu´antica, por
citar algunos ejemplos, actividades que se caracterizan
por haberse apropiado del adjetivo cu´antico de manera
incorrecta.
Figura 15. Los fotones de la luz roja no tienen la energ´ıa
suficiente para producir una transici´on hasta el siguiente
estado estacionario, por lo que no son absorbidos y no ha-
cen brillar la estrella. Los fotones de la luz azul tienen
energ´ıa suficiente para producir transiciones que posterior-
mente permitir´an que la estrella brille.
4302-8 Savall-Alemany
Referencias
[1] BOE. Bolet´ın Oficial del Estado. Orden
ESD/1729/2008, de 11 de junio, por la que se
regula la ordenaci´on y se establece el curr´ıculo de
bachillerato, 147 (2008).
[2] J.M. S´anchez Ron, Historia de la f´ısica cu´antica I. El
per´ıodo fundacional (1860-1926) (Cr´ıtica, Barcelona,
2001).
[3] A.B. Arons, Teaching Introductory Physics (Wiley,
New York, 1997).
[4] R.Justi,Ense˜nanza de las Ciencias 24, 173 (2006).
[5] A.G. Harrison and D.F. Treagust, International Jour-
nal ofScience Education 22, 1011 (2000).
[6] C. Stefani and G. Tsaparlis, Journal of Research in
Science Teaching 46, 520 (2009).
[7] R. Justi and J. Gilbert, International Journal of Sci-
ence Education 22, 993 (2000).
[8] S.B. McKagan, K.K. Perkins, M. Dubson, C. Malley,
D. Reid, R. LeMaster and C. E. Wieman, American
Journal of Physics 76, 406 (2008).
[9] J. Gilbert, Models and Modelling in Science Education
(Association for Science Education, Herts, 2003)
[10] J.A. Chamizo, Revista Eureka sobre Ense˜nanza y Di-
vulgaci´on de las Ciencias 7, 26 (2010).
[11] A. Raviolo, P. Ram´ırez and E.A. L´opez, Revista Eu-
reka sobre Ense˜nanza y Divulgaci´on de las Ciencias 7,
581 (2010).
[12] D. Hodson, International Journal of Science Education
25, 645 (2003).
[13] L.T. Escalada, N.S. Rebello and D.A. Zollman, The
Physics Teacher 42, 173 (2004).
[14] D. Gil, Como Promover el Inter´es por la Cultura Ci-
ent´ıfica (Andros Impresores, Santiago de Chile, 2005).
[15] F.A.G. Parente, A.C.F. dos Santos and A.C. Tort, Re-
vista Brasileira de Ensino de F´ısica 36, 1502 (2014).
[16] D. de Oliveira Leite and R. Junqueira Prado, Revista
Brasileira de Ensino de F´ısica 34, 2504 (2012).
[17] J.R. Beltr´an, D.A. Yamaguchi, T.A. Liboni, A.A. Bar-
bosa, M. Belusi, P.R. Salinas and G.V. Bossa, Revista
Brasileira de Ensino de F´ısica 35, 3312 (2013).
[18] S. Heredia, Revista Eureka sobre Ense˜nanza y Divul-
gaci´on de las Ciencias 6, 491 (2009).
[19] M. de Lu´ıs and E. Mart´ınez, Alambique 65, 106 (2010).
[20] Y. Kraftmakher, The Physics Teacher 48, 461 (2010).
[21] Y. Kraftmakher, Physics Education 47, 184 (2012).
[22] C.J. Sansonetti, M.L. Salit and J. Reader, Applied Op-
tics 35, 74 (1996).
[23] C.D. Elvidge, D.M. Keith, B.J. Tuttle and K.E. Buahg,
Sensors 10, 3961 (2010).
... We have designed the template from other spectroscope models (see, for example, Savall et al. 2013). In this case, we have reduced the spectroscope length and we have calibrated the scale to be able to read the values of the wavelengths of the spectral lines directly, a useful improvement that allows us to read the wavelength directly avoiding the use of mathematical functions. ...
Chapter
Full-text available
Latest observations by Riess and coworkers in 2017 have reconfirmed their earlier observation that the universe is accelerating some 8% faster than the currently accepted cosmological model described. In this chapter, we state again, in light of a recent paper, that this discrepancy can be eliminated by considering a universe consisting only of matter and dark energy.
... A spectroscope is introduced to analyze the characteristics of the radiation emitted by the different phenomena and/or devices in detail. It can be constructed and calibrated by the students [51]. ...
Article
Full-text available
Research has highlighted difficulties experienced by students when studying quantum physics in introductory courses. In this paper, we present a teaching and learning sequence (TLS) aiming at introducing a quantum model of emission and absorption of radiation and we assess its impact on the students’ learning about atomic spectra. The TLS has been designed based on the contributions from physics education research and it was implemented among high school seniors. A detailed description of the TLS is also presented accompanied by a description of how it is implemented. Based on a pre- and post-assessment questionnaire and student interviews, we conclude that students are able to successfully use the models to reason about relevant phenomena.
... Las primeras actividades de la unidad están orientadas a que los estudiantes se familiaricen con el problema de cómo se emite y absorbe luz y se apropien de él. Para analizar en profundad las características de la luz emitida por diferentes fuentes luminosas construimos un espectroscopio escolar (Savall, Domènech y Martínez Torregrosa, 2014) que permite obtener medidas cuantitativas de las longitudes de onda visibles presentes en una radiación. Observamos que los gases a baja presión sometidos a descargas eléctricas (tubos espectrales) emiten un espectro discreto, como se observa en la figura 1, caracterizado por unas frecuencias fijas, únicas e invariables para cada gas, independientemente de la intensidad de la descarga eléctrica, que solo influye sobre la intensidad de la luz emitida. ...
Article
Full-text available
La investigación didáctica no ha llegado a un consenso sobre cómo se deben abordar los cursos introductorios de física cuántica, tanto en lo referente a los contenidos que se deben enseñar como a la interpretación física de modelos fundamentales como la dualidad onda-partícula. Ante la falta de consenso, hemos llevado a cabo un estudio histórico y didáctico que nos ha permitido establecer las ideas clave de un modelo cuántico de emisión y absorción de radiación con la capacidad explicativa suficiente para que valga la pena ser enseñado. Así mismo, hemos identificado las ideas clave de un modelo de quántum que explica el comportamiento de los electrones y los fotones, lo que nos permite superar la crisis que ocasionó en la física la introducción del modelo cuántico de emisión y absorción de radiación. Aprovechando los problemas que históricamente llevaron al establecimiento de estos modelos, hemos diseñado la unidad problematizada para la enseñanza de la física cuántica en el bachillerato que presentamos en este artículo, haciendo especial hincapié en los grandes pasos que llevan a los estudiantes construir los modelos propuestos. https://revistas.unc.edu.ar/index.php/revistaEF/article/view/15813
Article
Full-text available
El análisis de los enfoques epistemológicos recurrentes identificados en proposiciones sobre los modelos científicos ha sido el propósito central del presente artículo. En esta dirección, se ha hecho énfasis en el contenido semántico de las unidades de análisis (proposiciones con alta carga teórica), a partir de la lectura de publicaciones de orden nacional e internacional en revistas especializadas de la didáctica de las ciencias y de la física, en una ventana temporal de 10 años. Todo ello enmarcado en una metodología de corte cualitativo. Desde este enfoque, se agruparon y clasificaron las proposiciones en categorías y subcategorías que se suscriben en posturas tradicionales y contemporáneas sobre modelos científicos. Según los resultados, sobre esta última postura se ubican la mayoría de ellas, adheridas a perspectivas semanticistas de las ciencias. Este aspecto tiene gran potencial para promover una enseñanza modelo teórica en la física a partir de los planteamientos de Ronald Giere.
Chapter
In this work we present a spectroscope that we have constructed for science dissemination in museums. The materials used are economical and easy to handle, allowing all attendees in the spectroscopy workshop to build, use and take home a small but useful spectroscope. We also present the steps followed to construct it and the STEM activities that are carried out in the museum to learn how to use it.
Article
Full-text available
La investigación en enseñanza de la teoría cuántica en los niveles medio, de formación docente y en carreras universitarias es un tema de actualidad. Aquí presentaremos algunos de nuestros estudios sobre este tema, los cuales fueron realizados junto a otros colegas en España, Argentina y Colombia, en ese orden temporal. La metodología utilizada fue el análisis de los currículos vigentes de nivel medio y de formación docente, de libros de textos y entrevistas semi estructuradas a docentes. A ello, se suma una reflexión sobre algunas propuestas de transformación didáctica de las que hemos participado. Es muy interesante el hecho de que, más allá de las diferencias en tiempos y sistemas formativos, parece haber mucha similitud en las dificultades encontradas en la realidad educativa de esta temática. Las mismas radican tanto en la presencia de fuertes preconcepciones como en la carencia de abordajes complejos que puedan facilitar su evolución.
Article
Full-text available
El artículo presenta un estado del arte de la enseñanza de la física cuántica desde el cual ha sido posible identificar siete tendencias que pueden resultar útiles para futuras investigaciones relacionadas con el mejoramiento en los procesos de enseñanza yaprendizaje de este campo de conocimiento científico. Se siguió una metodología cualitativa-interpretativa-hermenéutica, lo que implicó la búsqueda documental para posteriormente elaborar categorías de análisis y, desde allí, favorecer la organización, la interpretación, la comparación y la identificación de características comunes y diferenciadoras. De este estudio se concluye que la ausencia de reflexión conceptual sobre la física cuántica genera dificultades en el proceso de formación de los estudiantes, ya que los fundamentos de este conocimiento por lo general son contrarios a la intuición de los educandos, y por esta razón, la consideran un conocimiento abstracto y difícil. Por otra parte, se aprecia un énfasis fuerte en enfoques de enseñanza basados en asuntos algorítmicos con poco análisis, lo que ahonda las dificultades de aprendizaje, pues en muchas ocasiones los estudiantes no poseen el conocimiento matemático requerido. Las soluciones a las dificultades de la enseñanza de la física cuántica no son definitivas; sin embargo, se encuentra un cierto reconocimiento a los alcances de la naturaleza de las ciencias, como alternativa para repensar su enseñanza y la formación inicial y continuada de profesores de ciencias.
Article
Full-text available
The paper presents the state of the art of teaching of quantum physics, based on which we were able to identify seven (7) trends, which may be useful for future research related to the improvement of teaching and learning processes in this field of scientific knowledge. We followed a hermeneutic-interpretative-qualitative methodology, which involved documentary search to later elaborate categories of analysis and, based on that, encouraging the organization, interpretation, comparison and identification of common and differentiating characteristics. From this study, it is concluded that the absence of conceptual reflection on quantum physics generates difficulties in the education process of the students, since the foundations of this knowledge are generally contrary to the students' intuition and, for this reason, they see quantum physics as an abstract and difficult type of knowledge. On the other hand, there is a strong emphasis on teaching approaches based on algorithmic issues with little analysis, which deepens the learning difficulties, since in many cases students do not possess the required mathematical knowledge. The solutions to the difficulties of teaching quantum physics are not definitive; however, there is a certain recognition of the scope of the nature of sciences as an alternative to rethink their teaching and the initial and continued training of science teachers.
Article
Full-text available
http://polipapers.upv.es/index.php/MSEL/article/view/6675/7248 The effectiveness of the problem based teaching on the science learning has been highlighted by the didactic research. This teaching model is characterized by organizing the units around problems and by proposing a research plan to find a solution which requires concepts and models to be introduced in a functional way, as possible solutions to the problem. In this article we present a problem based unit for teaching quantum physics in introductory physics courses and we analyze in detail the teaching strategy that we follow to build a model to explain the emission and absorption of radiation.
Presentation
Full-text available
¿Por qué se concede tanta importancia últimamente a la cuestión de cómo promover el interés por la cultura científica? ¿Cuáles pueden ser las razones para que ello preocupe y ocupe a la investigación educativa? Intentaremos analizar las posibles razones.
Article
Full-text available
We developed activity-based instructional units to introduce basic quantum principles to students with limited physics and mathematics backgrounds. To emphasize the practical applications of contemporary physics, we introduced concepts using the contexts of light-emitting devices such as light-emitting diodes (LEDs), fluorescent lamps, and glow-in-the-dark toys. As our standard of living becomes more dependent on the latest developments in science and technology, our students' literacy must be at a level that enables them to make educated decisions on science- and technology-related issues and their everyday applications. Students need to have at least a basic understanding of 20th-century physics and its applications in order to make informed decisions about them. Unfortunately, many physics teachers either exclude or spend very little time on modern topics such as quantum mechanics in high school physics courses.1,2 The high degree of mathematical formalism and abstract nature of quantum mechanics is frequently given as a reason for not introducing quantum physics in high school physics courses.3,4
Article
Full-text available
Modelling is the essence of thinking and working scientifically. But how do secondary students view science models? Usually as toys or miniatures of real-life objects with few students actually understanding why scientists use multiple models to explain concepts. A conceptual typology of models is presented and explained to help teachers select models that are appropriate to the conceptual ability of their students. The article concludes by recommending that teachers model scientific modelling to their students, encourage the use of multiple models in science lessons, progressively introduce sophisticated models, systematically present in-class models using the Focus, Action and Reflection (FAR) guide and socially negotiate all model meanings.
Article
Full-text available
We investigated the optimal spectral bands for the identification of lighting types and the estimation of four major indices used to measure the efficiency or character of lighting. To accomplish these objectives we collected high-resolution emission spectra (350 to 2,500 nm) for forty-three different lamps, encompassing nine of the major types of lamps used worldwide. The narrow band emission spectra were used to simulate radiances in eight spectral bands including the human eye photoreceptor bands (photopic, scotopic, and "meltopic") plus five spectral bands in the visible and near-infrared modeled on bands flown on the Landsat Thematic Mapper (TM). The high-resolution continuous spectra are superior to the broad band combinations for the identification of lighting type and are the standard for calculation of Luminous Efficacy of Radiation (LER), Correlated Color Temperature (CCT) and Color Rendering Index (CRI). Given the high cost that would be associated with building and flying a hyperspectral sensor with detection limits low enough to observe nighttime lights we conclude that it would be more feasible to fly an instrument with a limited number of broad spectral bands in the visible to near infrared. The best set of broad spectral bands among those tested is blue, green, red and NIR bands modeled on the band set flown on the Landsat Thematic Mapper. This set provides low errors on the identification of lighting types and reasonable estimates of LER and CCT when compared to the other broad band set tested. None of the broad band sets tested could make reasonable estimates of Luminous Efficacy (LE) or CRI. The photopic band proved useful for the estimation of LER. However, the three photoreceptor bands performed poorly in the identification of lighting types when compared to the bands modeled on the Landsat Thematic Mapper. Our conclusion is that it is feasible to identify lighting type and make reasonable estimates of LER and CCT using four or more spectral bands with minimal spectral overlap spanning the 0.4 to 1.0 um region.
Article
Full-text available
A partir del cuestionamiento de la función de la enseñanza de las ciencias derivada de una postura filosófica específica se presenta una definición y una tipología de los modelos para su uso en la enseñanza de las ciencias a través del modelaje.
Article
It is suggested that the contribution of history and philosophy of science (HPS) to science education can be enhanced through a consideration of scientific models which are relevant to major sectors of the curriculum. The possibilities for so doing are considered through the discussion of six assertions. A way of characterizing such models, based on the work of Lakatos (1970, 1978), is outlined and applied to a typically important sector, that of the nature of the atom. An analysis of the way that the curriculum for 14-16 year olds and typical textbooks in Brazil and the UK treat historical models of the atom is given. The use of 'hybrid' models was identified in those treatments. Hybrid models, by their very nature as composites drawn from several distinct historical models, do not allow the history and philosophy of science to make a full contribution to science education. They do this by denying the role of distinct models in the history of science and of the role of progression between these models in the philosophy of science. The consequences for the teaching of science of an appropriate treatment of historical models are outlined.
Article
It is suggested that the contribution of history and philosophy of science (HPS) to science education can be enhanced through a consideration of scientific models which are relevant to major sectors of the curriculum. The possibilities for so doing are considered through the discussion of six assertions. A way of characterizing such models, based on the work of Lakatos (1970, 1978), is outlined and applied to a typically important sector, that of the nature of the atom. An analysis of the way that the curriculum for 14-16 year olds and typical textbooks in Brazil and the UK treat historical models of the atom is given. The use of 'hybrid' models was identified in those treatments. Hybrid models, by their very nature as composites drawn from several distinct historical models, do not allow the history and philosophy of science to make a full contribution to science education. They do this by denying the role of distinct models in the history of science and of the role of progression between these models in the philosophy of science. The consequences for the teaching of science of an appropriate treatment of historical models are outlined.
Article
The use of a video camera may markedly improve demonstrations of optical spectra. First, the output electrical signal from the camera, which provides full information about a picture to be transmitted, can be used for observing the radiant power spectrum on the screen of a common oscilloscope. Second, increasing the magnification by the camera enhances the resolution of the spectra displayed by a colour monitor. In particular, it becomes possible to resolve the sodium doublet at 579 nm (Δλ = 0.6 nm).
Article
We investigated students' knowledge constructions of basic quantum chemistry concepts, namely atomic orbitals, the Schrödinger equation, molecular orbitals, hybridization, and chemical bonding. Ausubel's theory of meaningful learning provided the theoretical framework and phenomenography the method of analysis. The semi-structured interview with 19 second-year chemistry students supplied the data. We identified four levels of explanations in the students' answers. In addition, the scientific knowledge claims reflected three main levels of models. By combining levels of explanations with levels of models, we derived four categories. Two of the categories are shades of variation in the rote-learning part of a continuum, while the other two categories are in the meaningful-learning part. All students possessed alternative conceptions some of which occurred within certain categories, while others spanned more categories. The insistence on the deterministic models of the atom, the misinterpretation of models, and the poor understanding of the current quantum concepts are main problems in the learning of the basic quantum chemistry concepts. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. J Res Sci Teach 46: 520–536, 2009
Article
Following a brief historical survey of the popular 'slogans' that have influenced science education during the past quarter century and a review of current international debate on scientific literacy and science pedagogy, the author takes the view that while much of value has been achieved, there is still considerable cause for concern and that it is time for action in two senses. First, it is time to take action on the school science curriculum because it no longer meets the needs, interests and aspirations of young citizens. Second, it is time for a science curriculum oriented toward sociopolitical action. The author argues that if current social and environmental problems are to be solved, we need a generation of scientifically and politically literate citizens who are not content with the role of 'armchair critic'. A particular concern in North America is the link between science education, economic globalization, increasing production and unlimited expansion - a link that threatens the freedom of individuals, the spiritual well-being of particular societies and the very future of the planet. The author's response is to advocate a politicized, issues-based curriculum focused on seven areas of concern (human health; food and agriculture; land, water and mineral resources; energy resources and consumption; industry; information transfer and transportation; ethics and social responsibility) and addressed at four levels of sophistication, culminating in preparation for sociopolitical action. The curriculum proposal outlined in the article is intended to produce activists: people who will fight for what is right, good and just; people who will work to re-fashion society along more socially-just lines; people who will work vigorously in the best interests of the biosphere. At the heart of this curriculum is a commitment to pursue a fundamental realignment of the values underpinning Western industrialized society. Achieving that goal is a formidable task - one that will not be achieved by conventional approaches to curriculum development and teacher education. The author's solution is action research linked to community involvement.