Mecánica Cuántica: Antecedentes

 

  La última vez que tuvimos tiempo de dejar algo escrito hablábamos de la naturaleza de la materia, acabamos  el artículo prometiendo hablar un poco de la mecánica cuántica, esta vez y sin querer sentar un precedente vamos a cumplir con lo dicho.

  

   La descripción cuántica de la materia no surge de la noche a la mañana, de hecho antes de llegar a una descripción más o menos parecida a la actual debieron pasar muchas cosas que pusieron  a los científicos de la época en la necesidad de buscar una descripción más correcta que la que era capaz de dar la mecánica clásica y que desde luego no tiene nada que ver con métodos de sanación, controles mentales ni chorradas de ese estilo.

 

Radiación del cuerpo negro en función de la longitud de onda incidente

  Una de las primeras experiencias que la mecánica clásica no logró explicar de forma correcta fue el estudio de la Radiación emitida por un Cuerpo Negro, Max Planck , físico alemán galardonado con el premio Nobel en 1918  introduce el concepto de “cuanto de energía” y con ello da el pistoletazo de salida al posterior desarrollo de la Teoría Cuántica. En 1889 descubre la constante que lleva su nombre y que cuantifica la energía de una radiación en función de su frecuencia. A partir de aquí queda claro que la materia no puede intercambiar valores continuos de energía, sino solamente se intercambian aquellos valores que se correspondan con el valor de esos cuantos (característicos de cada material y responsables por ejemplo de los distintos colores de las farolas del mobiliario urbano según sean lámparas de sodio, mercurio, etc…).

Max Planck

   

  Otro de los antecedentes que llevó al desarrollo de esta nueva Teoría fue el establecimiento por parte de De Broglie de la Dualidad Onda Corpúsculo. Hacía tiempo que se conocía que la luz presentaba comportamientos más propios de un corpúsculo  (reflexión, refracción) que podían explicarse de forma más fácil si la luz se consideraba un tren de partículas (descripción Newtoniana) que si se la consideraba una onda(descripción de Huygens), durante mucho tiempo predominó la Teoría de Newton, pero el descubrimiento de los fenómenos de difracción en el siglo 19 llevaron a la recuperación de la Teoría ondulatoria de Huygens y la “guerra” continuó hasta finales de siglo.

  

Efecto fotoeléctrico

  En esa misma época (1905) Albert Einstein realiza la aportación que le valdrá el premio Nobel de física en 1921, explica el fenómeno del Efecto fotoeléctrico basándose en la hipótesis de Planck e interpreta el fenómeno como la interacción entre las partículas que forman la luz (fotones) y el metal, los fotones sólo pueden portar una cantidad de energía denominada cuanto y determinada por la frecuencia de la luz incidente sobre el metal, o lo que es lo mismo “la materia no absorbe ni transmite energía de forma continua, sino en forma de pequeños paquetes o cuantos de un valor determinado, es decir el intercambio de energía está cuantizado”. Las implicaciones de esta afirmación son que los estados energéticos que puede adoptar una partícula no son infinitos, sino que sólo hay unos pocos estados permitidos que un átomo o molécula puede adquirir.

   

De  Broglie

   De Broglie extendió la explicación de Einstein a toda la materia, extendiendo la naturaleza  ondulatoria a la materia, de la misma forma que Einstein extendió la Teoría corpuscular a la luz. Se planteó que podía haber una onda asociada a cualquier partícula material que estuviese en movimiento, aunque esta onda era demasiado pequeña (longitud de onda) para tener interés en el caso de un partícula macroscópica, pero en el caso de una partícula subatómica la onda resulta tener una longitud de onda apreciable. Todo esto constituyó la Dualidad onda-corpúsculo y sentó otra de las bases para la posterior descripción que la Mecánica Cuántica hará del universo microscópico. En 1927 una experiencia de laboratorio demuestra la posibilidad que poseen los electrones de difractarse (comportamiento claramente ondulatorio) y apoya por tanto la Hipótesis de De Broglie.

   

   Por tanto hemos llegado a un punto en el que podemos cuestionarnos ¿cuál es la naturaleza real de la materia?, ¿ondulatoria?, ¿corpuscular? La respuesta más correcta sería: ni la una ni la otra y las dos aunque no a la vez, es decir, determinados fenómenos que pueden ser analizados y explicados utilizando la naturaleza corpuscular no pueden serlo usando la naturaleza ondulatoria de la materia y viceversa.

   

Schröndinger

   En la década de los años 20 un físico de origen austriaco Erwin Schröndinger se propone la tarea de diseñar una ecuación para la Onda de De Broglie que se corresponda con la ecuación de la mecánica clásica de la partícula cuando el objeto fuera de tamaño macroscópico, así nace la Ecuación de Schröndinger que poco más tarde será interpretada por Max Born que asigna a la función de onda (ecuación que describe la onda) una función de densidad de probabilidad (el cuadrado de la función de onda de una partícula está relacionado con la probabilidad de que esa partícula se encuentre en una zona del espacio determinada) y la función de onda describe los posibles estados de la partícula.

   

Heisemberg

   Por esta misma época Werner Heisemberg enuncia el Principio de Incertidumbre según el cual no es posible determinar con exactitud la posición y velocidad de una partícula lo que reafirma el papel de densidad de probabilidad asignado a la función de onda.

   

   A partir de aquí el desarrollo de estas ideas , la resolución de la ecuación de onda para el átomo de hidrógeno implica la aparición de los primeros números cuánticos (n,l,m), el descubrimiento de las funciones de onda de los distintos orbitales atómicos etc. contribuyen al desarrollo de la mecánica cuántica actual, de la cual hablaremos en próximos artículos.

Orbitales atómicos que surgen de las distintas combinaciones de números cuánticos