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Cosas de la Mecánica Cuántica

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo asombroso    ~    Comentarios Comments (7)

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¡La Física! Esa maravilla que está presente en todo lo que podemos ver y en aquello donde la vista no llega. La infinitud de las partículas elementales que forman todo cuanto existe en la Naturaleza, no siempre se dejan ver ni hacen posible que podamos observar las maravillas que pueden llevar a cabo,

Las sustancias formadas por una sola clase de átomos se llaman elementos químicos, y, si está conformada por distintos átomos, son compuestos. La palabra “átomo” procede del griego ατομος, que significa “indivisible” y el uso de la palabra “elemento” sugiere que se ha llegado a los ladrillos básicos con los que está formada la materia. De hecho, esta es la imagen que se tenía a mediados del siglo XIX cuando se acuñaron estos términos. Sin embargo, hoy sabemos que todo esto es falso, que los átomos se pueden dividir y que, de esta manera, los elementos han dejado de ser verdaderamente elementales. Los físicos continúan con esta nomenclatura aunque sea formalmente incorrecta, ya que, la costumbre, como dicen los juristas, no pocas veces rigen la jerga de las leyes.

A todo esto y hablando de los átomos, por fuerza, nos tenemos que acordar del electrón que da al átomo su forma esférica. Son partículas cargadas eléctricamente que se mueven alegremente alrededor del núcleo. El electrón es muy ligero: su masa es solamente 1/1.8836 de la del núcleo más ligero (el hidrógeno). La carga eléctrica del electrón es de signo opuesto a la del núcleo, de manera que los electrones están fuertemente atraídos hacia el núcleo y se repelen mutuamente. Si la carga eléctrica total de los electrones en un átomo iguala a la del núcleo, para lo que generalmente se necesitan varios electrones, se dice que el átomo está en equilibrio o que es eléctricamente neutro.

Claro que, no debemos olvidarnos de que, ¡Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas! Una inmensa galaxia se conforma de un conjunto inmenso de átomos infinitesimales que juntos, hace ese gran todo.

http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/electrostatica/fotos/carga_globo_g.gif

La fuerza a la que obedecen los electrones, la denominada fuerza electrostática o de Coulomb, es matemáticamente bastante sencilla y, sin embargo, los electrones son los responsables de las importantes propiedades de los “enlaces químicos”. Esto se debe a que las leyes de movimiento de los electrones están regidas completamente por la “mecánica cuántica”, teoría que se completó a principios del siglo XX. Es una teoría paradójica y difícil de entender y explicar, pero al mismo tiempo es muy interesante, fantástica y revolucionaria. Cuando uno se introduce en las maravillas de la mecánica cuántica es como si hiciera un viaje a un universo que está situado fuera de este mundo nuestro, ya que, las cosas que allí se ven, desdicen todo lo que dicta nuestro sentido común de cómo tiene que ser el mundo que nos rodea.

http://www.mpe.mpg.de/410729/orbits3d_small_gif.gif

La perfecta sincronía Está en la Naturaleza

No solamente los electrones, sino también los núcleos atómicos y los átomos en su conjunto obedecen y se rigen por la mecánica cuántica. La Física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck, escribió un artículo de ocho páginas y allí propuso una posible solución a un problema que había estado intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menos intensidad, por los objetos más fríos.

Estaban bien aceptados entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía. Pero si usamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de la radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano, y, desde luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para las longitudes mayores como para las longitudes menores. Esta longitud característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta del objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273 ºC bajo cero). Cuando a 1.000 ºC un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación sólo podía ser emitida en paquetes de un tamaño dado. La cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la longitud de la onda y, por lo tanto, proporcional a la frecuencia de la radiación emitida. La sencilla fórmula es:

E = h x v

Donde E es la energía del paquete, v la frecuencia y h es una nueva constante fundamental de la naturaleza, la constante de Planck. Cuando Planck calculó la intensidad de la radiación térmica imponiendo esta nueva condición, el resultado coincidió perfectamente con las observaciones.

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Los cuantos de energía están presentes por todas partes y en todos los objetos. Números cuánticos, efecto fotoeléctrico…

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una forma mucho más tajante: el sugirió que los objetos calientes no son los únicos que emiten radiación en paquetes de energía, sino que toda la radiación consiste en múltiplos de los paquetes de energía de Planck. El príncipe francés Louis-Victor de Broglie, dándole otra vuelta a la teoría, propuso que no sólo cualquier cosa que oscila tiene una energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una “onda” que se extiende en una cierta región del espacio, y que la frecuencia, v, de la oscilación verifica la ecuación de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los rayos de luz deberían verse como una clase de partículas elementales: el fotón. Todas las demás clases de partículas llevan asociadas diferentes ondas oscilatorias de campos de fuerza.

El curioso comportamiento de los electrones en el interior del átomo, descubierto y explicado por el famoso físico danés Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de De Broglie. Poco después, en 1926, Erwin Schrödinger descubrió como escribir la teoría ondulatoria de De Broglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños estaban exactamente determinados por la recién descubiertas “ecuaciones de onda cuánticas”.

Pocas dudas nos pueden caber a estas alturas de que la mecánica cuántica (de Planck) y, la Relatividad –tanto especial como general- (de Einstein), además de ser las dos teorías más importantes de la Física de nuestro tiempo, funcionan de tal forma que uno, cuando profundiza en sus predicciones y las compara con lo que ocurre en el Universo, no puede por menos que, asombrarse, al comprobar como unas mentes humanas han sido capaces de llegar a estos profundos pensamientos que nos acerca a la realidad de la Naturaleza.

Resultado de imagen de Entrelazamiento cuántico

No olvidemos el fenómeno de el entrelazamiento cuántico (Quantenverschränkung, originariamente en alemán) es una propiedad predicha en 1935 por Einstein, Podolsky y Rosen (en lo sucesivo EPR) en su formulación de la llamada paradoja EPR.

Resultado de imagen de Efecto túnel

“En mecánica cuántica, el efecto túnel es un fenómeno cuántico por el que una partícula viola los principios de la mecánica clásica penetrando una barrera de potencial o impedancia mayor que la energía cinética de la propia partícula. “

Otras muchas maravillas nos muestra la Mecánica cuántica, ese “mundo” de lo muy pequeño que lo conforma todo y que, sin él, no existiría lo grande. Las galaxias y todos los objetos del Universo están hechos de estas partículas infinitesimales.

emilio silvera

 

  1. 1
    emilio silvera
    el 14 de mayo del 2019 a las 10:50

    Con aquellos descubrimientos del cuanto de acción, h, de Planck, la Relatividad de Einstein, los trabajos de Dirac, de Heisenberg y Schrödinger, Feynmann y otros muchos, se creyó y alguien comentó que se había llegado al sumun de la física y, sin embargo, el camino andado era muy pequeño en relación al que nos quedaba por recorrer.
    Es cierto que el Modelo Estándar de la Física de partículas e interacciones ha sido (y sigue siendo) una buiena herramienta. Sin embargo, hay que mejorarla, en lla están incluídos unos 19 parámetros como con calzador, y, para más inri, no admite la cuarta fuerza, es decir, la Gravedad.
    Es mucho el camino que nos queda por recorrer, son muchas más las preguntas que las respuestas, Saber lo que se dice saber… ¡Sabemos poco!

    Responder
  2. 2
    nelson
    el 15 de mayo del 2019 a las 1:45

    Hola muchachada.

    Encontré un logrado esquema interactivo donde se puede buscar la estructura atómica con sus niveles de electrones de cada elemento de la Tabla Periódica. Es muy interesante para ver cómo se organizan los electrones y para desasnarse definitivamente sobre el ubicuo e incomprensible “paradero” de los electrones sólo explicable mediante la mecánica cuántica y muy lejos de la interpretación “planetaria” con que aún muchos intentan simplificar la explicación.
    Véanlo ustedes:
    http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/celectron.htm

    Saludos cordiales.

    Responder
  3. 3
    nelson
    el 15 de mayo del 2019 a las 1:48

    Una representación más aproximada de lo que es el átomo:
    https://www.youtube.com/watch?time_continue=83&v=xqNSQ3OQMGI

    Más saludos.

    Responder
    • 3.1
      nelson
      el 15 de mayo del 2019 a las 1:55

      Hola muchachada.

      Bueno… antes de éste anterior, me quedó un comentario, del cual éste es continuación, “pendiente de moderación”… aún así el video es didáctico.

      Saludos cordiales.

      Responder
      • 3.1.1
        emilio silvera
        el 15 de mayo del 2019 a las 4:32

        ¿Qué duda nos puede caber? El átomo es una de las más grandes maravillas que el Universo pudo crear, todo lo que existe hecho de materia, sin excepción, está conformado por los pequeños objetos que llamamos átomos y que, a pesar de su ínfima medida… ¡Contiene una compleja y perfecta estructura que, sincronizada en todos y cada uno de sus parámetros, funciona a la perfección que es necesaria para que nuestro Universo sea tal como lo podemos observar!

        A quién por primera vez se le explica el átomo y como funcionan todos los elementos que contiene… ¡Queda preso del asombro! Tripletes de Quarks que forman los nucleones (protones y neutrones), la fuerza nuclear fuerte intermediada por 8 gluones que impiden que los Quarks se separen y los mantiene allí confinados en el núcleo, los electrones de carga negativa que compensan la carga positiva de los protones del núcleo… ¡Una maravilla!

        Nuestro Universo, sin átomos… ¡No sería!

        Responder
    • 3.2
      Shalafi
      el 15 de mayo del 2019 a las 10:09

      Ya está aceptado.
      Saludos

      Responder
      • 3.2.1
        nelson
        el 15 de mayo del 2019 a las 13:06

        ¡¡¡Gracias, Shalafi!!!
        Saludos.

        Responder

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