DE LA MECÁNICA CLÁSICA A LA MECÁNICA CUÁNTICA

Saludos estimada comunidad de Steemit y admirada comunidad de Steem-espanol. Mi más sinceros respetos a los científicos de aquí. En esta ocasión me anime a hablarles de un tema súper complejo y a la vez de suma importancia para entender las bases de casi todas las ciencias en especial la física y la química. Y es la mecánica cuántica, realmente es un tema algo extenso de explicar por lo que he decidido resumirlo en esta oportunidad a los fundamentos claves y en un siguiente post profundizar un poco más en todas las ecuaciones.

A medida que el mundo atómico tuvo sus avances en la ciencia, la Mecánica Cuántica fue naciendo en las mentes de los investigadores para intentar resolver o explicar las incongruencias que había entre algunos resultados experimentales y los pronósticos que se creía en la Física Clásica Desde tiempos muy remotos la física clásica anuncia que la totalidad de los sistemas en cualquier temperatura diferente de 0K emite un importe de energía infinita. De igual forma, establece erróneamente que la energía cinética electrónica que se produce en una placa metálica al ser alumbrada en el vacío es directamente proporcional a la intensidad de la luz, tampoco puede revelar como un electrón puede tener difracción en un sólido cristalino. Experimentalmente era sabido que los átomos estaban constituidos por un pequeño núcleo de carga positiva que estaba envuelto de electrones difundido por todo el núcleo. No obstante, esta rama dice que el átomo es muy inestable y que dichos electrones bajarán en forma de espiral hasta el núcleo generando energía en el ambiente. Por todas estas incoherencias entre la física clásica y las experimentaciones fue que se abrió paso el impulso de la mecánica cuántica.

Figura 1. Física clásica

A principios del siglo pasado se demostró que la física clásica no podría explicar la inestabilidad de un núcleo positivo rodeado de cargas negativas. Y menos demostrar como la estructura del grafito podía ser conductor eléctrico y el diamante que es su derivado no es un conductor.

Mecánica Cuántica

Sé que muchos no entienden a qué se refiere el término de mecánica cuántica, y ¿Para qué estudiarla?
Ahora imagina que no se pueda saber, ni deducir la trayectoria recorrida por un proyectil, tampoco saber porque una hélice de un avión gira y aun así permanece recta, mucho menos poder hacer un carro que por menos combustible recorra un trecho más largo. De forma análoga, seria imposible enviar un satélite al espacio exterior porque no se entendería como las fuerzas gravitatorias afectan las órbitas de este.

La ciencia química pretende explicar el proceder de los sistemas macromolecularmente, estudiándolos desde el punto micro de cada uno de los sistemas. Por las incongruencias que no pudo explicar la física clásica surge la idea de crear un nuevo modelo físico que pudiese detallar el comportamiento de los átomos y moléculas. Los ejemplos mencionados anteriormente fueron explicados con la mecánica cuántica. El enfoque principal que diferencia los dos modelos es la dualidad onda-corpúsculo. Es decir, atómicamente, la luz, los electrones y protones pueden actuar como onda o como partículas, para determinar el tipo de comportamiento solo se debe estudiar el tipo de experimentación.

La cuántica para poder desarrollarse se basa en el hecho de que el átomo es estable. Y a diario estamos en presencia de este modelo físico, aun cuando no lo sabemos. Algunos ejemplos están en el láser de un lector de CDs, En el circuito de una computadora, muchas de las técnicas analíticas estándares necesitan de la mecánica cuántica para explicar todos sus fenómenos, como los espectroscópicos. Ya que la física clásica estableció que las moléculas tenían cualquier cantidad de energía la espectroscopia no podría existir. Porque sabemos que para que los fenómenos espectroscópicos ocurran solo deben tener una cantidad discreta de energía.

Modelo átomo estable

Principios de la mecánica cuántica (Experimentos)

Existen dos propiedades fundamentales que fueron establecidas para marcar la diferencia entre la física clásica de la cuántica y son la cuantización (La energía se distribuye en paquetes discretos conocidos como cuantos) y la dualidad onda-partícula (las ondas de luz se comportan como ondas o como partículas)

Estos conceptos fueron establecidos luego de una serie de experimentos que pudieron resolver las incógnitas que no pudo la física clásica. Entre estos experimentos se destacaron

• La Ley de radiación espectral del cuerpo negro
• El efecto fotoeléctrico.
• Las capacidades caloríficas de los sólidos.
• El espectro atómico del átomo de hidrógeno.
• El efecto Compton

Intentare ser breve para describirlos todos y que podamos entender tan complejo tema. Como la mecánica cuántica

Radiación del cuerpo negro

Este experimento se basó en irradiar un objeto capaz de absorber toda la radiación incidente para luego emitir la energía que es característica del sistema, es decir, no depende del tipo de radiación que incide. Un ejemplo muy claro es el observado en la figura siguiente. Donde se muestra un bloque de cualquier metal al rojo vivo con un espacio circular dentro que tiene acceso por un agujero pero tan insignificante que no cambia las condiciones internas. Es decir, un sólido cúbico a muy altas temperaturas desde su interior es capaz de emitir fotones los cuales se reflejan en repetidas veces justo antes de salir por el canal. Estas reflexiones hacen que la radiación tenga la misma temperatura que el sistema.

Figura. Radiación de un cuerpo negro-Elaboración propia

Con estas condiciones de equilibrio la física clásica podía predecir la frecuencia de la radiación y sus magnitudes. Con la ecuación 1.

Ec 1

Esta ecuación establece que la densidad espectral es la energía a la frecuencia v por volumen y frecuencia almacenada por el cuerpo negro radiante. Con esta serie de experimento el científico Max Planck comprendió de donde venía la radiación del cuerpo negro. Y era la vibración de todos los dipolos eléctricos componentes que son capaces de emitir radiación a las frecuencias que ellos oscilan. Y que la física clásica solo tenía discrepancia a altas frecuencias y no a bajas.

El efecto fotoeléctrico.

Para este experimento se empleó una placa metálica de cobre que se colocó en el vacío, luego se hizo incidir un haz de luz sobre ella que es absorbida provocando la excitación electrónica desde estados de menor energía a estados de mayor energía. Esta radiación hace que algunos electrones dejen el metal para saltar al vacío. Luego un colector de electrones los recoge. A esto se denominó efecto fotoeléctrico y se ilustra en la figura de abajo.

Figura. Efecto fotoeléctrico- Elaboración propia

Este experimento concluyó que la energía de la radiación absorbida se equilibra con la energía de la radiación emitida con los electrones esto respetando la ley de conservación de la energía. La física clásica hizo algunas predicciones con respecto a esto:

1. La luz que incide en la placa metálica es una onda plana y por ende la energía puede ser absorbida por todos los electrones de la placa. Pero solo pueden absorben una baja cantidad de luz.

2. los electrones que saltan de la placa a los colectores se emiten a todas las frecuencias disponibles.

3. La energía cinética de los electrones se ve aumentada con respecto a la intensidad de la radiación.

Sin embargo una vez las la física clásica discrepo entre las suposiciones y los resultados experimentales. Los cuales fueron

1. La cantidad de electrones se son emitidos es correspondiente a la intensidad de la radiación, pero la energía cinética no depende de esta.

2. Los electrones no son emitidos si la frecuencia no está por encima de la del umbral.

3. la energía cinética electrónica es dependiente de la frecuencia.

4. En la emisión de electrones puede ocurrir que la energía es tan baja que solo es capaz de soltar un solo electrón respetando la ley de conservación de la energía

Las partículas se comportan como ondas

En los años 1927 científicos efectuaron algunos experimentos para luego comprobar que los fotones pueden tener un comportamiento dual (como onda o partícula) y esto dependía del observador de los experimentos, es decir, si el analista pretendía observar un comportamiento ondulatorio este no ocurría sino que se presentaba uno corpuscular y viceversa.

El experimento fue de difracción y debemos tener en cuenta que para que ocurra una difracción debe existir un orden de longitud de onda. Para darle números a la ecuación de Broglie. (Ec 2) Donde h es la conocida constante de Planck y p es el momento de la partícula.

λ=h/p Ec 2

Los valores de λ casi nunca están por encima de 1 nm. Esto demostró para la mecánica cuántica que las partículas pueden comportarse como ondas. Entonces el científico Erwin Schrödinger formulo la famosa ecuación que relaciona las dependencias espaciales y temporales de la amplitud de una onda para cada partícula

Comportamiento onda-particula- Elaboración propia

Este tema para ser entendido completamente debe tener un recorrido mucho más largo, por lo que decidí hacerlo continuando en otro post. Pero en esencia los principios de la mecánica cuántica ocurren debido a todas las incongruencias e incógnitas que se presentaban en los postulados de la física clásica. Y fue motivo para que investigadores en su mayoría físicos desarrollaran esta nueva rama de la ciencia. Que no está mal decir que es la base de las ciencias.

Referencias

• Thomas Engel, Philip Reid, Quimica fisica, editorial pearson paginas 275.