El extraño mundo de la mecánica cuántica

La mecánica cuántica trata del estudio del mundo microscópico. Los resultados que se obtienen con ella, van en contra del sentido común.

Veamos primero su aparición histórica y luego las connotaciones científicas que surgen de ella.

 

Mecánica clásica

A finales del s.XVII, Isaac Newton creó las bases de la mecánica clásica, la cual se ocupa del movimiento de los objetos macroscópicos. La formulación de sus tres leyes confirió la perfecta herramienta para la descripción de la realidad del movimiento. Así lo plasmó en su obra maestra; Philosophiae naturalis principia mathemathica en 1687.

Posteriormente, con la base de los estudios de Galileo y Kepler y el uso de sus leyes, Newton pudo asemejar el movimiento de un cuerpo en la Tierra con los movimientos de los astros (cuarta ley). Así, la materia ejercía fuerzas a distancia de forma directa e instántanea (gravedad).

Aunque Newton sabía que existían otras fuerzas que no eran coherentes con sus leyes; como las fuerzas eléctricas, magnéticas o las químicas.

 

Primer paso hacia la cuántica

En 1860, Maxwell formuló las cuatro ecuaciones que unificaban y explicaban la electricidad y el magnetismo. A partir de ellas se concluye que cualquier radiación electromagnética viaja a la velocidad de la luz (c); siendo esa su relación entre frecuencia (ν=1/t) y longuitud de onda (λ):

λ·ν=c

Así con esto, a principios del s.XX los Físicos encontraron que la mecánica clásica no describía correctamente el comportamiento de partículas pequeñas como electrones, núcleos o moléculas.

 

Otro paso: El cuerpo negro

Es aquel que absorbe toda la luz incidente sobre él que posteriormente la emite. Aplicándole el modelo ondulatorio de la luz de la mecánica clásica para predecir las curvas de intensidad frente a la frecuencia (ν) de radiación emitida, se obtuvieron unos resultados que no concordaban con las observaciones experimentales. La mecánica clásica mantiene que la energía de un cuerpo varía de forma continua, por lo que los átomos también deberían hacerlo al estar la materia compuesta de ellos.

Planck dio la solución a esto en 1900. Supuso que el cuerpo negro emitía energía solo en cantidades dadas por h·ν. Así obtuvo curvas teóricas de intensidad vs frecuencia que reproducían fielmente los valores experimentales. Esto supuso el nacimiento de la mecánica cuántica.

Introduciendo la cuantización energética se podía explicar la radiación del cuerpo negro. Así, la energía solo podía emitirse en ciertas cantidades (cuantizada) de energía electromagnética. Esto en oposición a las ideas preestablecidas y a la mecánica clásica.

 

El átomo de Rutherford y Bohr lo encaja todo

El modelo atómico planetario de Rutherford de 1911 se sabe incorrecto, pero dio una primera visión del electrón en su órbita alrededor del núcleo. En consonancia con la teoría electromagnética de Maxwell, el electrón debía emitir energía al orbitar. Por ello el electrón debería ir perdiendo energía hasta que terminara precipitándose contra el núcleo; algo que no sucede. La física clásica no puede explicar la estructura atómica.

Bohr, dos años después, planteó un concepto que pudiera superar este poblema. Los electrones en el átomo poseían una energía cuantizada y fija dependiente del orbital en el que estuviera. Estos electrones no emitirían energía en esas órbitas, pero podrían emitirla  al cambiar esta.

Cuando el electrón efectúa un cambio de órbita, este absorbe o emite energía según la relación:

Esuperior-Einferior=h·ν

 

Emisión del átomo de hidrógeno

A razón de esta última relación aplicada sobre el átomo de hidrógeno y las transiciones de su único electrón, aparecen unas series de líneas espectrales. Con nombres como Paschen, Lyman, Balmer, Pfund; dependiendo desde que orbital cae el electrón y a cual llega, se obtienen valores teóricos que coinciden perfectamente con las medidas experimentales.

 

Ecuación de Schrödinger: La función de onda del electrón

Fija la función de onda del electrón (ψ) en el átomo en función de su posición y del tiempo. Pero debido a la propia naturaleza del electrón (cuántica) no se puede calcular su posición exacta en un tiempo dado, sino solo la densidad de probabilidad de encontrarla en una determinada zona.

Ec. Schrödinger. No desesperes, es solo para mirar

Así se obtienen las verdaderas formas de los orbitales atómicos y no las tan acostumbradas órbitas planetarias.

Los “raros” orbitales reales

 

Mecánica cuántica

Pero todo lo visto anteriormente no tendría sentido ni sería real si los resultados obtenidos no concuerdan con los datos experimentales. La mecánica cuántica proporciona las leyes del movimiento de las partículas microscópicas. La mecánica clásica la de las partículas macroscópicas. La cuántica se reafirma en su veracidad cuando al ir pasando del mundo microscópico al macroscópico, se transforma en la clásica.

La longuitud de onda (λ) es la que define la entrada en el mundo cuántico y va asociado a: λ=h/m·v

El valor de h es muy pequeño y el valor de λ para objetos macrocópicos es prácticamente cero; debido a ello la ecuación de Schrödinger pasa a la más conocida segunda ley de Newton.

 

Sucesos extraños

Ya con la mecánica cuántica afianzada y confirmada se podían estudiar las partículas elementales y su comportamiento. Siendo este un tanto extraño a lo acostumbrado a ver en el mundo macroscópico.

El electrón en su órbita podía “estar” en una posición u otra sin pasar por un punto intermedio. También podía atravesar una barrera de energía sin interferir en ella.

Un claro ejemplo de esta extrañeza es el ejemplo del gato de Schrödinger. Este encerrado en una caja con un veneno que se liberaría si se produce la desintegración de un átomo. Este átomo al estar estudiado por la mecánica cuántica se resuelve que podría desintegrarse o no, estándo en último término el gato en un estado de vivo y muerto.

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