By: Nadia Bragagnolo
Aprenda qué es la mecánica cuántica, la historia de su desarrollo y las formas en que la usamos hoy.
La mecánica cuántica puede parecer intimidante. ¡Pero puede ser muy divertido aprender sobre ello! Realmente te hace ‘estirar’ tu cerebro y expandir tus habilidades de pensamiento crítico. Y la mecánica cuántica no solo ocurre en los laboratorios de física de alta tecnología. Las aplicaciones de la mecánica cuántica están a nuestro alrededor. ¡Incluso dentro del dispositivo que estás usando para leer este artículo!
Entonces, ¿qué es la mecánica cuántica de todos modos?
Esencialmente, la mecánica cuántica es el estudio de cómo existen e interactúan las partículas atómicas entre sí.
Es posible que esté familiarizado con la mecánica clásica , como las tres leyes del movimiento de Newton . La mecánica clásica permite a los científicos hacer predicciones muy precisas para objetos grandes. Pero estas predicciones no funcionan tan bien cuando miras objetos a menor escala.
Aquí es donde entra en juego la mecánica cuántica. Describe las leyes de la energía en la escala de los átomos. La mejor manera de comprender la mecánica cuántica es a través de la historia de sus principales descubrimientos.
Una breve historia de la mecánica cuántica
1900: Planck y Quanta
A principios del siglo XX, muchos físicos pensaban que no quedaba nada por descubrir en su campo. Sin embargo, quedaba un gran problema. Esto tenía que ver con objetos calientes.
Piense en su tostadora o en su estufa. Cuando los elementos se calientan, brillan en rojo. Si pudieras aumentar la temperatura aún más, brillarían de color blanco. Este patrón de cambio de color con la temperatura es el mismo para cualquier objeto, sin importar de qué esté hecho.
Al principio, los científicos utilizaron la física clásica para intentar comprender este patrón. Sus modelos predijeron que los objetos calientes deberían emitir luz que se encuentra principalmente en el rango de frecuencia ultravioleta .
El espectro electromagnético. Los rayos gamma de alta energía están en el extremo izquierdo y las ondas de radio de baja energía están en el extremo derecho (Hablemos de ciencia usando una imagen de Inductiveload
¡Pero sus experimentos demostraron que casi no se emitía luz ultravioleta! Este problema se denominó catástrofe ultravioleta . Fue resuelto por Max Planck , un físico teórico alemán. A menudo se le llama el padre de la mecánica cuántica.
Planck creó una nueva fórmula matemática para las frecuencias de la energía luminosa emitida por un objeto caliente. Mostró que los objetos cálidos emitirían frecuencias rojas. Los objetos más calientes emitirían frecuencias de todos los colores visibles, haciéndolos parecer brillar en blanco. Más importante aún, la fórmula de Planck predijo que no se emitirían frecuencias ultravioleta. ¡Encaja perfectamente con la evidencia experimental!
La fórmula de Planck funcionó debido a una idea clave. Antes de Planck, los científicos creían que la energía estaba en una escala continua. Pensaron que era posible que un objeto tuviera algún valor energético en esa escala. La hipótesis radical de Planck era que a nivel subatómico, los objetos calientes solo podían emitir energía en pequeñas unidades o “paquetes”. Llamó a estos paquetes cuantos (un único cuanto se llama cuanto ). Planck dijo que la cantidad de energía en un cuanto aumenta con su frecuencia. Las frecuencias más bajas, como la luz roja, tienen menos energía que las frecuencias más altas, como las de la luz blanca.
Sin embargo, Planck no tenía una razón para cuantificar la energía de esta manera. Escribió en una carta a un colega que hacer esta suposición matemática en su fórmula había sido un “acto de desesperación”. La respuesta a esto vendría de Niels Bohr, 13 años después.
1905: Einstein y fotones
Pero antes de Bohr, la teoría cuántica ayudó a resolver otro problema en el mundo de la física: el efecto fotoeléctrico . Esta es la observación de que hacer brillar la luz sobre una superficie de metal puede hacer que los electrones se expulsen del metal.
a mecánica clásica describe la luz como una onda . La altura de una ola se llama amplitud . Es de esperar que una onda con una amplitud mayor empuje los electrones fuera de la superficie con más energía. El tiempo entre picos de onda se llama frecuencia . Es de esperar que las ondas con mayor frecuencia golpeen y expulsen más electrones de la superficie.
Pero como ocurre con la mayoría de los experimentos cuánticos, se observó lo inesperado. Cuando el metal se expuso a la luz, una amplitud mayor provocó la expulsión de más electrones. Y la luz con una frecuencia más alta provocó que los electrones se expulsaran con más energía. ¡La física clásica no podría explicar esto!
Pero, ¿qué podría explicarlo? Albert Einstein , el famoso físico alemán, tenía una teoría. Aplicó la explicación cuántica de Planck a la luz. Teorizó que la luz a veces se comporta como paquetes discretos de energía electromagnética. Llamó fotones a estos paquetes.
Si un haz de luz tiene una amplitud mayor, esto significa que contiene más fotones. Si más fotones golpean la superficie del metal, hay más colisiones, por lo que se expulsan más electrones.
La energía contenida en un fotón depende solo de su frecuencia. Esto es como el quanta de energía de Planck. Entonces, la luz con una frecuencia más alta transferirá más energía a los electrones, que es lo que se observó experimentalmente.
1913: Bohr y orbitales de electrones
La teoría cuántica estaba ganando terreno. Pero todavía era solo una explicación matemática para algunas observaciones extrañas. Nadie pudo explicar por qué la energía venía en paquetes discretos. Hasta Neils Bohr , eso es. En 1913, el físico danés propuso un nuevo modelo para la estructura del átomo.
Antes de Bohr, los científicos sabían que un átomo está formado por un núcleo cargado positivamente con electrones cargados negativamente orbitando a su alrededor. Bohr revolucionó este modelo. Dijo que esos electrones tenían que estar en uno de un conjunto de caminos específicos. Estos caminos eran como las órbitas de los planetas alrededor del Sol. Los llamó orbitales de electrones . Cada orbital tiene un nivel de energía asociado.
Cuando un electrón absorbe suficiente energía, “salta” de un orbital al siguiente orbital más grande. Cuando un electrón “cae” de un orbital al siguiente más pequeño, emite energía. La cantidad de energía emitida es exactamente la diferencia de energía entre los dos orbitales. Esta es la razón por la que la energía existe en valores discretos, como “cuantos”, en lugar de en una escala continua.
La energía cuantificada que vio Planck fue radiación electromagnética emitida por electrones en los objetos calientes. Los fotones de Einstein, por otro lado, transfirieron su energía a los electrones en el metal. Si la energía del fotón fuera lo suficientemente alta, el electrón dejaría su orbital y dejaría el metal por completo. Entonces, los orbitales de electrones de Bohr proporcionaron una explicación teórica de la mecánica cuántica.
La mecánica cuántica hoy
Planck, Einstein, Bohr (y muchos otros) ganaron el Premio Nobel de Física por su trabajo en mecánica cuántica. Pero si estuvieran vivos hoy, el mundo sería irreconocible para ellos, ¡debido a sus propios descubrimientos!
os transistores son pequeñas piezas electrónicas dentro de las computadoras que almacenan bits de información. Cuando se enciende un transistor, conduce electricidad y la computadora lee esto como un “1”. Cuando se apaga un transistor, ya no conduce electricidad y la computadora lo lee como un “0”. Las computadoras hablan en un idioma de 1 y 0. Encienden o apagan los transistores para codificar información.
¿Qué tiene esto que ver con la mecánica cuántica? Bueno, los transistores están hechos de un material que es un semiconductor .
La mecánica cuántica nos dice que un electrón solo puede ocupar ciertos niveles de energía. Al observar un grupo grande de electrones, como los que se encuentran en los semiconductores, estos niveles son “bandas” o rangos de valores de energía permitidos.
Cuando el semiconductor está conectado a un voltaje que está dentro de la banda de energía, conduce electricidad. Cuando está conectado a un voltaje fuera de la banda de energía permitida, no conduce electricidad. Actúa como aislante. Así es como se encienden o apagan los transistores, que la computadora lee como 1 o 0.
Algo que usa un código binario de 1 y 0 se llama digital. Casi cualquier dispositivo digital que pueda imaginar utiliza transistores semiconductores. Tu computadora, tu celular, ¡hasta tu televisor! Imagínese el mundo sin estas cosas o sin Internet. Este sería el mundo sin mecánica cuántica.
