LA TEORÍA CUÁNTICA
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¿Qué pretendía explicar, de manera tan poco afortunada, la Ley de Rayleigh-Jeans (1899)? Un fenómeno físico denominado radiación del cuerpo negro, es decir, el proceso que describe la interacción entre la materia y la radiación, el modo en que la materia intercambia energía, emitiéndola o absorbiéndola, con una fuente de radiación. Pero además de la Ley de Rayleigh-Jeans había otra ley, la Ley de Wien (1893), que pretendía también explicar el mismo fenómeno.
La Ley de Wien daba una explicación experimental correcta si la frecuencia de la radiación es alta, pero fallaba para frecuencias bajas. Por su parte, la Ley de Rayleigh-Jeans daba una explicación experimental correcta si la frecuencia de la radiación es baja, pero fallaba para frecuencias altas.
La frecuencia es una de las características que definen la radiación, y en general cualquier fenómeno en el que intervengan ondas. Puede interpretarse la frecuencia como el número de oscilaciones por unidad de tiempo. Toda la gama de posibles frecuencias para una radiación en la Naturaleza se hallan contenidas en el espectro electromagnético, el cual, según el valor de la frecuencia elegida determina un tipo u otro de radiación.
En 1900, Max Planck puso la primera piedra del edificio de la Teoría Cuántica. Postuló una ley (la Ley de Planck que explicaba de manera unificada la radiación del cuerpo negro, a través de todo el espectro de frecuencias.
Si tú tiras una pelota de fútbol rodando por esa escalera, veras algo muy parecido a lo que se vería si cayera por un plano inclinado ya que la pelota es muy grande como para interactuar con los escalones… los sobrepasa. Verías entonces como si los escalones no existieran y la escalera fuera continua. Esto es lo que creían los físicos del siglo IXX.
Con el avance de los métodos de medición se pudo hacer correr por la escalera, esferas cada vez más pequeñas de manera de llegar a una bolita (canica). El tamaño de la bolita es comparable al de los escalones; es así que puede interaccionar con ellos y lo que tu ves en realidad es que la bolita baja de a saltos, escalón en escalón y no puede detenerse en un punto intermedio. En cada salto la bolita pierde energía potencial (mecánica clásica) y esa energía depende del alto del escalón (en nuestro caso un centímetro) y de la masa de la bolita y nunca puede ser intermedia entre dos escalones ya que si no le damos suficiente energía para llegar al nivel siguiente caerá al próximo permitido.
La mecánica cuántica postula que los niveles energéticos están cuantizados esto es que están escalonados, por lo tanto la energía no es continua y se libera y/o absorbe en paquetes discretos llamados cuantos que corresponden al salto energético entre un escalón y otro.
En física, el término cuanto o cuantió denotaba en la física cuántica primitiva tanto el valor mínimo que puede tomar una determinada magnitud en un sistema físico, como la mínima variación posible de este parámetro al pasar de un estado discreto a otro.1 Se hablaba de que una determinada magnitud estaba cuan tizada según el valor de cuanto. Es decir, cuanto es una proporción hecha por la magnitud dada.
Un ejemplo del modo en que algunas cantidades relevantes de un sistema físico están cuantiadas lo encontramos en el caso de la carga eléctrica de un cuerpo, que sólo puede tomar un valor que sea un múltiplo entero de la carga del electrón. En la moderna teoría cuántica aunque se sigue hablando de cuantización el término cuanto ha caído en desuso. El hecho de que las magnitudes estén cuantizadas se considera ahora un hecho secundario y menos definitorio de las características esenciales de la teoría.
En informática, un cuanto de tiempo es un pequeño intervalo de tiempo que se asigna a un proceso para que ejecute sus instrucciones. El cuanto es determinado por el planificador de procesosutilizando algún algoritmo de planificación.
El ejemplo clásico de un cuanto procede de la descripción de la naturaleza de la luz, como la energía de la luz está cuantizada, la mínima cantidad posible de energía que puede transportar la luz sería la que proporciona una partícula subatómica.
números cuánticos son valores numéricos que nos indican las características de los electrones de los átomos. Están basados, desde luego, en la teoría atómica de Neils Bohr que es el modelo atómico más aceptado y utilizado en los últimos tiempos.
Pero además, la propuesta de Schorodinger, considerado como el 5° modelo atómico, radica en describir las características de todos los electrones de un átomo, y esto es lo que conocemos como número cuánticos.
Los números cuánticos más importantes son 4:
Número Cuántico Principal
El número cuántico principal nos indica en que nivel se encuentra el electrón y por lo tanto también el nivel de energía. Este número cuántico toma valores enteros 1, 2, 3, 4, 5, 6, ó 7.
Número Cuántico Secundario
Este número cuántico nos indica en que subnivel se encuentra el electrón. Este número cuántico toma valores desde 0 hasta (n - 1).
Número Cuántico Magnético
El número cuántico magnético nos indica las orientaciones de los orbitales magnéticos en el espacio. Los orbitales magnéticos son las regiones de la nube electrónica donde se encuentran los electrones.
Número Cuántico de Spin
El número cuántico de spin nos indica el sentido de rotación en el propio eje de los electrones en un orbital. Ya sea si se mueve al igual que las manecillas del reloj, o en sentido contrario, este número cuántico toma los valores de -1/2 y de +1/2.
A mediados del siglo XIX la ciencia descubrio que la luz proporcionada a cada elemento quimico una especie de “ huellas digitales “. Ceamos como puede utilizarse para distinguir un elemento de otro.
Si se calienta un elemento hasta la incandescencia , la luz que emite estara constituida por ondas de diversas longitudes. El grupo d elongitudes de ondas que produce el elemento difiere del de cuaquierotro elemento .
Cada longitud de onda produce un efecto diferente en el ojo y es percibida , por tanto m como un colordistinto de los demas. Supongamos que la luz de un elemento dado esdescompuesta en sus diversas ondas. Este grupo de longitudes de onda, que es característico del elemento , se manifiesta entonces en la forma de un patron de colores tambien singular. Pero como se puede desglosar la luz de un elemento incadescentes en ondas elementales ?
Una manera consiste en hacer pasar la luz por una rendija y luego por un trozo triangular de vidrio que se denomina prisma. El prisma refracta cada onda en medida diferente , según su longitud , y su forma asi imágenes de la rendija en los colores que se hallan asociados con las longitudes de onda del elemento . el resultado es un esprectro de rayas de color cuya combinación difiere de la de cualquier otro elemento.
Este procedimiento lo elaboro con detalle el fisico aleman Gustav Robert Kirchoff en 1859 . Kirchhoff y el quimico aleman Robert Wilhelm von Bunsen inventaron el espectroscopio el instrumento descrito anteriormente , y lo emplearon para estudiar espectros de diversos elementos. Y de paso descubrieron dos elementos nuevos al hallar combinaciones de rayas que no coincidian con las de ningun elemento conocido .
A principios del siglo XX, los físicos aún no reconocían claramente que éstas y otras dificultades de la física estaban relacionadas entre sí. El primer avance que llevó a la solución de aquellas dificultades fue la introducción por parte de Planck del concepto de cuanto, como resultado de los estudios de la radiación del cuerpo negro realizados por los físicos en los últimos años del siglo XIX (el término "cuerpo negro" se refiere a un cuerpo o superficie ideal que absorbe toda la energía radiante sin reflejar ninguna). Un cuerpo a temperatura alta —al rojo vivo— emite la mayor parte de su radiación en las zonas de baja frecuencia (rojo e infrarrojo); un cuerpo a temperatura más alta —al rojo blanco— emite proporcionalmente más radiación en frecuencias más altas (amarillo, verde o azul). Durante la década de 1890, los físicos llevaron a cabo estudios cuantitativos detallados de esos fenómenos y expresaron sus resultados en una serie de curvas o gráficas. La teoría clásica, o precuántica, predecía un conjunto de curvas radicalmente diferentes de las observadas. Lo que hizo Planck fue diseñar una fórmula matemática que describiera las curvas reales con exactitud; después dedujo una hipótesis física que pudiera explicar la fórmula. Su hipótesis fue que la energía sólo es radiada en cuantos cuya energía es h·n , donde n es la frecuencia de la radiación y h es el ‘cuanto de acción’, ahora conocido como constante de Planck.
Posteriormente, Schrödinger demostró que la mecánica ondulatoria y la mecánica de matrices son versiones matemáticas diferentes de una misma teoría, hoy denominada mecánica cuántica. Incluso en el caso del átomo de hidrógeno, formado por sólo dos partículas, ambas interpretaciones matemáticas son muy complejas. El siguiente átomo más sencillo, el de helio, tiene tres partículas, e incluso en el sistema matemático relativamente sencillo de la dinámica clásica, el problema de los tres cuerpos (la descripción de las interacciones mutuas de tres cuerpos distintos) no se puede resolver por completo. Sin embargo, sí es posible calcular los niveles de energía. Al aplicar la matemática mecanocuántica a situaciones complejas, los físicos pueden emplear alguna de las muchas formulaciones matemáticas. La elección depende de la conveniencia de la formulación para obtener soluciones aproximadas apropiadas.
Aunque la mecánica cuántica describe el átomo exclusivamente a través de interpretaciones matemáticas de los fenómenos observados, puede decirse a grandes rasgos que en la actualidad se considera que el átomo está formado por un núcleo rodeado por una serie de ondas estacionarias; estas ondas tienen máximos en puntos determinados, y cada onda estacionaria representa una órbita. El cuadrado de la amplitud de la onda en cada punto en un momento dado es una medida de la probabilidad de que un electrón se encuentre allí. Ya no puede decirse que un electrón esté en un punto determinado en un momento dado, sino que hay una zona de probabilidad, llamada orbital, donde es más probable que se encuentre.
Resultados de la mecánica cuántica
La mecánica cuántica resolvió todas las grandes dificultades que preocupaban a los físicos en los primeros años del siglo XX. Amplió gradualmente el conocimiento de la estructura de la materia y proporcionó una base teórica para la comprensión de la estructura atómica (véase Átomo) y del fenómeno de las líneas espectrales: cada línea espectral corresponde a la emisión o absorción de un cuanto de energía o fotón, cuando un electrón experimenta una transición entre dos niveles de energía. La comprensión de los enlaces químicos se vio radicalmente alterada por la mecánica cuántica y pasó a basarse en las ecuaciones de onda de Schrödinger. Los nuevos campos de la física —como la física del estado sólido, la física de la materia condensada, la superconductividad, la física nuclear o la física de partículas elementales— se han apoyado firmemente en la mecánica cuántica.
La Teoría Cuántica es uno de los pilares fundamentales de la Física actual. Recoge un conjunto de nuevas ideas introducidas a lo largo del primer tercio del siglo XX para dar explicación a procesos cuya comprensión se hallaba en conflicto con las concepciones físicas vigentes. Su marco de aplicación se limita, casi exclusivamente, a los niveles atómico, subatómico y nuclear, donde resulta totalmente imprescindible. Pero también lo es en otros ámbitos, como la electrónica, en la física de nuevos materiales, en la física de altas energías, en el diseño de instrumentación médica, en la criptografía y la computación cuánticas, y en la Cosmología teórica del Universo temprano.
