Los quanta
En 1900 Max Planck había mostrado que, cuando se hace vibrar mucho a los átomos, su energía sólo puede ser medida en unidades discretas, que se llamaron “quanta”. Es decir, la energía de un átomo y, por ende la de cualquier objeto, sólo puede ser un quanta, dos quanta,… pero nunca siete quanta y medio. Esto es extraño, siempre se había pensado que la energía debía ser una magnitud siempre divisible. No es el caso. ¿Qué se le va a hacer?
Pero es que siguen las cosas extrañas. Recordemos las entradas anteriores con la aportación de Einstein con la explicación del fenómeno fotoeléctrico y la de Rutherford con su modelo de átomo. Pues bien, había algo que no funcionaba. Si el electrón estaba dando vueltas alrededor del núcleo debería perder energía hasta acabar cayendo sobre él, emitiendo un arco iris de colores (fotones) en su camino. Esto se derivaba de las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo y del fenómeno fotoeléctrico. Pero esto no ocurría.
Para poner orden en todo esto, Bohr propuso su modelo de átomo.
- Regla 1: Los electrones pueden orbitar sólo a ciertas distancias del núcleo.
- Regla 2: Los átomos radian energía cuando saltan de una órbita de alta energía a una de baja energía y la absorben cuando hacen lo contrario.
Entre otras cosas, esto quiere decir que cuando un electrón pasa de una órbita a otra, lo hace sin pasar por ningún estadio intermedio.
Bohr y varios físicos más fueron refinando este modelo hasta conseguir que se acomodara a las observaciones. Para ello propuso que las órbitas podían distinguirse por (i) la distancia al núcleo, (ii) su forma (iii) su inclinación (véase la imagen de arriba). Además, (iv) el electrón podía girar en un sentido o en otro (lo que se llama espín). Así, a una distancia al núcleo pueden caber órbitas de varias formas e inclinaciones y con electrones girando en distintos sentidos. Lo que no puede ocurrir es que dos electrones estén en la misma órbita, con la misma forma, la misma inclinación y el mismo espín, todo igual a la vez, en el mismo átomo. Las distintas distancias están definidas por unos números, igual que las formas, las inclinaciones y los dos espines. Son los llamados números cuánticos.
Mis revueltas:
1. Ya llevamos acumuladas varias variables que se pensaban continuas (que podían tomar cualquier valor) y resultaron ser discretas (que solo pueden tomar determinados valores): la cantidad de energía que puede tener un objeto, la interacción entre electrones y fotones y las órbitas de los electrones. No sé si, llegados a este punto, los físicos empezaron a sospechar que esta cuantificación de la naturaleza llegaría a todos los aspectos de la naturaleza, incluidas todas las partículas elementales y las propias magnitudes de espacio y tiempo.
2. Llevamos también acumulas varias situaciones extrañas en el mundo de las partículas elementales. El vacío que es, en realidad, la materia, la dualidad onda-partícula de la luz y los números cuánticos. Por extraño que fuera todo esto, lo extraño que todavía llegaría a ser el mundo de lo pequeño sí que no había quien lo pudiera prever. Atentos a las siguientes entradas de esta historia más extraña jamás contada.
Pues estaremos atentos!!
ResponderEliminarsaludos
Atentos, atentos, porque me he metido en un berenjenal con esto de querer explicar un poco la mecánica cuántica, pero creo poder dar una idea razonable e inteligible de lo que hay (eso sí, después de consultar muchas referencias).
ResponderEliminarEn realidad la energía de un sistema sí que puede tomar valores contínuos, a condición de que los componentes de dicho sistema no estén ligados mdiante cierta clase de potenciales. Uno de esos potenciales es el culombiano, y por eso los niveles de energía que ocupar los electrones son discretos y los fotones producto de su desexitación están cuantizados.
ResponderEliminarHola, Urbek,
ResponderEliminarBienvenido.
Me gustaría saber más acerca de eso. Según entiendo, en en nivel cuántico, necesariamente hay esta ligazón entre los componentes. Fuera del mundo cuántico no tiene sentido afinar tanto en los niveles de energía y se puede tomar como un continuo.
Cuando digo que en el nivel cuántico hay esta ligazón, me refiero a que las partículas (algunas) absorben o emiten energía y, entonces están ligadas. Fuera de estas interacciones, imagino que podemos medir energías potenciales, por ejemplo, y obtener valores continuos ¿es así? Pero cuando esta energía potencial se usa para una interacción, volvemos a lo cuántico.
Recordemos que la energía no es más que una magnitud asignada a un sistema físico, y que no es nada tangible, por así decirlo. Aunque sí percibimos las interacciones entre sistemas que implican cambio en la asignación de este número (en forma de calor, de luz,...). Y, en estas interacciones, creo que volvemos a la cosa cuántica.
¿Lo he dicho bien? Se apreciaría cualquier aclaración. ¿Algún físico en la sala?
Saludos
Este comentario ha sido eliminado por el autor.
ResponderEliminarEn realidad la escala no importa para la presencia de un espectro energético contínuo o discontínuo, sino las condiciones de contorno que imponga el potencial. Que los objetos que están sometidos a dicho potencial sean más o menos "grandes" en lo único que repercute es en la separación de los niveles, de manera que si hablamos de objetos macroscópicos la separación será tan estrecha que en la práctica -a nuestra escala- aparecerán formando un espectro contínuo aún siendo discontínuo. Pero repito, hay sistemas de tamaño microscópico donde el espectro de energías es contínuo. ¡En la física cuántica el tamaño tampoco importa! :)
ResponderEliminarCon respecto a la ligazón y la absorción de partículas, te explico. La física cuántica empezó con el estudio de un fenómeno concreto, como es la emisión y absorción de luz por parte de un cuerpo negro. No explicaré los detalles, pero sí que detrás lo que hay son electrones atómicos subiendo y bajando niveles orbitales. Como tales niveles se encuentran separados de manera discreta, los fotones emitidos y absorbidos son cuantos de energía electromagnética. En concreto, E= nhv. A los estados ligados se les asigna energía negativa (una convención), de manera que si a electrón ligado por -x eV absorbe un fotón de x+y eV entonces deja de estar ligado y escapa del átomo. Ese electrón ya ha dejado de estar en un estado de energía cuantizado.
Gracias por las aclaraciones. Lo siguiente sería preguntar por la energía de esos electrones que han dejado de estar ligados al átomo. ¿En qué sentido se les atribuye energía? Por ejemplo, los electrones no ligados, ¿qué energía pueden tener? y, si aumentan o disminuyen la energía, ¿a qué cosas se puede deber? ¿lo pueden hacer de manera continua?
ResponderEliminarPues en el sentido clásico del concepto de energía, es decir, como suma de su energía cinética (función de su velocidad y masa) y su energía potencial (en relación a los campos que interactúen con él). El espectro energético del electrón serán los valores propios de su hamiltoniano (H = T + V), los cuales se obtienen resolviendo la ec. de Schrödinger correspondiente.
ResponderEliminarLos electrones libres pueden varíar su energía de diversas formas, siendo las principales la interacción con un campo eléctrico, el efecto Compton ("choque" con un fotón al estilo del billar), la emisión de radiación de frenado (al acercarse a otra carga y curvar su trayectoria), desintegrándose con un positrón o por alguna otra interacción entre partículas. El efecto fotoeléctrico (la abosorción completa de un fotón) sólo sucede -que yo sepa- para electrones ligados.
Urbek:
ResponderEliminarPara acabar (espero),y ya que eres tan amable, en esas interacciones del electrón con campos magnéticos,... su energía puede cambiar de manera continua?