LOS GRANDES PRINCIPIOS DE LA MECÁNICA CUÁNTICA

LA FÍSICA CUÁNTICA ES LA FÍSICA ATÓMICA. A LA ESCALA DE LOS ÁTOMOS NO SE PUEDE APLICAR LA FÍSICA CLÁSICA. AUNQUE LOS INICIOS DE LA FÍSICA CUÁNTICA SE REMONTAN A 1900 CON PLANCK Y 1905 CON EINSTEIN, NO FUE HASTA LA DÉCADA DE LOS AÑOS 20 DEL PASADO SIGLO CUANDO SE ESTABLECIERON LAS BASES DE LA FÍSICA CUÁNTICA.

En 1913 BOHR había demostrado que la aplicación de la Mecánica Cuántica al átomo podía explicar el espectro discontinuo de la luz del hidrógeno. Pero era simplemente el comienzo.

Bohr

Algunos grandes descubrimientos (teóricos y experimentales) hechos en la década de los 20 del pasado siglo revolucionaron la Física. Entre ellos cabe citar la dualidad onda-corpúsculo de Louis De Broglie, el Principio de Incertidumbre de Werner Heisenberg y la comprobación experimental de la difracción de electrones realizada por Davisson y Germer

INDICE

- Evolución histórica de los modelos atómicos

- Núcleo y corteza (RUTHERFORD)

- Propiedades de la luz

- El origen de la Espectrocopía

- Modelos atómicos basados en la Física Clásica

- ¿Qué es un elemento (versión Thomson)?

- Modelo de Bohr. Primer modelo cuántico

- Origen de la Física Cuántica

- Los grandes principios de la Física Cuántica

- Modelo de Schrodinger. Modelo mecanocuántico

PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE (HEISENBERG, 1927)

El Principio de Incertidumbre fue enunciado por Werner Heisenberg en 1927 trabajando en Copenhague con Bohr. Este principio confirma el carácter puramente caótico del mundo cuántico y se puede formular de la siguiente manera: "Cuanto más preciso sea el conocimiento de la posición de una partícula, menos se conocerá de su cantidad de movimiento (velocidad)". Entre las incertidumbres asociadas a la posición y la cantidad de movimiento existe la siguiente relación:

Otra manera de expresar el principio de incertidumbre se puede conseguir mediante el tiempo y la energía. En este caso, al igual que antes, las incertidumbres asociadas al conocimiento de energía y tiempo están relacionadas:

De acuerdo con la mecánica cuántica, las partículas no siguen trayectorias definidas. Eso no es consecuencia de que nosotros tengamos errores en la medida de su posición, sino de que el comportamiento de las partículas es puramente caótico. No es posible asignar una trayectoria a una partícula, sólo podemos hablar de la probabilidad de que la partículas se encuentre en un determinado lugar en un determinado momento. Pasamos de un planteamiento determinista (clásico) a otro probabilista (cuántico).

Relacionados con este principio se encuentran fenómenos como los siguientes:

- EFECTO TÚNEL

Un partícula puede superar una barrera de potencial mayor que su propia energía cinética. En 1928, George Gamow explicó la desintegración alfa en base al efecto túnel.

El microscopio de efecto túnel permite "ver" los átomos

- EXISTENCIA DE PARTÍCULAS VIRTUALES

Las partículas virtuales existen durante un tiempo tan corto que no contradicen el principio de incertidumbre. El producto de la energía necesaria para crearlas multiplicado por el tiempo que existen es inferior al límite fijado por Heisenberg. Como consecuencia, en el vacío más absoluto se están creando continuamente partículas, que aunque desaparecen inmediatamente, pueden tener consecuencias. Pueden transmitir fuerzas (bosones gauge), apantallar partículas cargadas o disolver agujeros negros entre otros fenómenos.

Por si no te has quedado con la boca abierta, te lo repetiré de nuevo. LAS PARTÍCULAS VIRTUALES SON PARTÍCULAS REALES QUE SURGEN DEL ESPACIO VACIO (DE LA NADA) Y EXISTEN DURANTE UN TIEMPO TAN PEQUEÑO QUE NO VIOLAN EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE.

Por increible que te pueda resultar, hay un fenómeno denominado EFECTO CASIMIR que se explica perfectamente acudiendo a las partículas virtuales. El efecto Casimir consiste en la atracción que se establece entre dos superficies metálicas conductoras que están muy próximas.

- ENERGÍA DEL VACÍO

¿Puede tener energía el espacio vacio en ausencia de materia y en el cero absoluto de temperatura?. La respuesta es afirmativa. LA ENERGÍA DEL PUNTO CERO también puede explicar el efecto Casimir.

DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO (Louis de Broglie, 1924)

Las partículas pueden exibir comportamiento de ondas en unos experimentos y de corpúsculos en otros. La diferencia entre ondas y corpúsculos existe en la Física Clásica pero no en la Física Cuántica. No hay diferencias fundamentales entre ondas y corpúsculos, las partículas pueden comportante como ondas y viceversa.

De acuerdo con De Broglie, el comportamiento dual de la luz descubierto por Einstein no es una excepción, sino la regla general. Todas las partículas llevan asociada una onda material cuya longitud de onda se puede calcular a partir de su masa y velocidad.

DIFRACCIÓN DE ELECTRONES

La hipótesis de Louis de Broglie fue confirmada experimentalmente 3 años después de ser formulada. En 1927, George Paget Thomson (de la universidad de Aberdeen) realizó el famoso experimento de la doble rendija con electrones, observando el patrón de interferencia propio de las ondas.

También en 1927, Davisson y Germer consiguieron la difracción de electrones a través de cristales de níquel.

Difracción de electrones

Davisson y Germer

LA INTERPRETACIÓN DE COPENHAGUE

Se denomina Interpretación de Copenhague a la intrerpretación ortodoxa y más aceptada de la Física Cuántica. Se debe a un grupo de físicos (Heisenberg, Born, ...) liderados por Bohr, de cuya ciudad de residencia toma este principio el nombre.

Heisenberg y Bohr

La interpretación de Copenhague de la Física Cuántica se hizo pública en el Congreso de Como (Italia) entre el 11 y el 19 de Septiembre de 1927. Se basa en la asunción de dos principios:

- PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE.

Según el cuál el futuro es básicamente desconocido debido al carácter caótico de los acontecimientos cuánticos.

- PRINCIPIO DE COMPLEMENTARIEDAD.

Según el cuál las descripciones corpuscular y ondulatoria son necesarias para comprender los fenómenos cuánticos. Según este principio, el observador no es independiente del fenómeno observado.

A estos dos principios habría que añadir la asunción de que toda la información que se puede obtener de los sistemas cuánticos es la que revelan los experimentos. Nada puede saberse de los sistemas cuánticos cuando no son observados.

Aquí no podíamos olvidarnos del GATO DE SCHRÖDINGER. Para que se pudieran entender los principios de la Física Cuántica, Schrödinger propuso un ejemplo en el que un gato estaba muerto y vivo al mismo tiempo. El caso es el siguiente: Suponga que en una caja introduce un gato y un recipiente con gas venenoso que estallará (matando el gato) cuando una sustancia radiactiva sufra la desintegración de uno de sus átomos. La desintegración radiactiva es un fenómeno cuántico que se produce al azar, por tanto, si no abrimos la caja no sabemos si se habrá producido, es decir, no sabremos si el gato está vivo o muerto. Solo al abrir la caja y mirar dentro de ella sabremos el desenlace. Es entonces cuando la naturaleza opta por un estado (vivo o muerto) del gato, antes, en la caja, el gato estaba en un estado de superposición entre la vida y la muerte (por lo menos desde nuestra perspectiva desde fuera de la caja, otra cosa ocurre desde la perspectiva del gato). Vea el siguiente video en el que se explica una versión de este fenómeno.

Poco después del Congreso de Como en Italia, tuvo lugar el Congreso Solvay de Bruselas, en Octubre de 1927. De él es la fotografía más famosa de la Física del siglo XX.

Einstein nunca aceptó la visión que Bohr tenía de la Física Cuántica. Para él era inaceptable el carácter caótico de los fenómenos a nivel atómico. Las discusiones acerca de estas cuestiones se hicieron famosas durante buena parte del siglo XX. Prueba de ello es la aseveración de Einstein: Dios no juega los dados. En cualquier caso, las pruebas experimentales siempre han dado la razón a la interpretación de Bohr. Por lo menos hasta hoy.

Bohr y Einstein