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Cuestiones de la física. Breve desarrollo histórico de la mecánica cuántica.

Notas históricas

En el siglo diecinueve los campos de la física que se estudiaban eran la mecánica clásica que estudia la dinámica de cuerpos materiales, el electromagnetismo que estudia la radiación representada por ondas y partículas y la termodinámica que estudia el calor. Luego a principios del siglo veinte aparece la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Sin embrago, todas estas teorías con sus leyes y principios no podían explicar ciertos comportamientos que ocurren a escala microscópica: moléculas y átomos. En 1900 el físico alemán Max Planck se esfuerza por explicar un fenómeno llamado radiación de cuerpo negro y llega a la siguiente conclusión: > Los cambios de energía entre una onda electromagnética de frecuencia ![](https://latex.codecogs.com/gif.latex?%5Clarge%20%5Cnu) y la materia solo ocurren en múltiples enteros de ![](https://latex.codecogs.com/gif.latex?%5Clarge%20h%5Cnu), la cual es llamada cuantum de energía, donde h es la constante fundamental de Planck. En 1905 Einstein publica su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico la cual consolida la teoría del cuantum de Planck, y de esta manera se introduce el concepto de fotón. La luz está compuesta de pequeñas partículas llamadas fotones con una energía hnu, donde un es la frecuencia de la luz. Este efecto fotoeléctrico fue observado realmente por primera vez por Hertz en 1887, sin embargo él no pudo explicarlo consistentemente. En 1911 se descubre el núcleo del átomo con el experimento desarrollado por Rutherford, este propondría un modelo para el átomo. En 1913 tomando el modelo atómico de Rutherford, el concepto de cuantum de energía de Planck y el concepto del fotón de Einstein, el físico danés Niels Bohr desarrolla un nuevo modelo para el átomo. ![ " \"AtomoBohr.gif\""](https://images.hive.blog/DQmb9hk5ZgkcNrcF6baifRXrzn4AD1rZ7iWGvmyNq8AQtio/AtomoBohr.gif) Este modelo de Bohr establece que los átomos pueden encontrarse solo en estados discretos de energía y que la interacción de los átomos con la radiación, es decir, la emisión o absorción de radiación por átomos, toma solo lugares en cantidades discretas de energía![](https://latex.codecogs.com/gif.latex?%5Clarge%20h%5Cnu) . En 1923 Arthur Compton realiza el descubrimiento que confirma el aspecto corpuscular de la luz. Por medio de la dispersión de rayos X (scattering) con electrones. Los rayos X son fotones con un momentum ![](https://latex.codecogs.com/gif.latex?%5Clarge%20%5Cfrac%7Bh%5Cnu%7D%7Bc%7D), donde ![](https://latex.codecogs.com/gif.latex?%5Clarge%20%5Cnu) es la frecuencia de los rayos X y ![](https://latex.codecogs.com/gif.latex?%5Clarge%20c) es la velocidad de la luz. Ese mismo año de los trabajos de Compton, el físico francés Louis de Broglie propone una teoría en la que relaciona directamente a la radiación con las partículas y a las partículas con la radiación, es decir, la dualidad onda partícula, trabajo que es confirmado en 1927 por medio de un experimento por los físicos experimentales Clinton Davisson y Lester Germer. De tal manera que entre los años 1900 y 1925 podríamos decir que se desarrolló lo que llamada la teoría cuántica antigua. ![CompBrogDG.gif](https://images.hive.blog/DQmeBKu7eCuQFwnFmeBxqyENL9WK6D4WF9kQD7WzqC6DU9N/CompBrogDG.gif) ![CuánticaAntigua.gif](https://images.hive.blog/DQmcawEzUEPi2SaSqueeQ5BoJy5X8a7MYzRGyi4amMbsRnT/Cu%C3%A1nticaAntigua.gif) En 1925 Wener Heisenberg describe la estructura atómica comenzando con las líneas espectrales observadas en el átomo de hidrógeno, este físico alemán logra expresar las cantidades físicas de energía, posición momentum lineal y momentum angular en términos matriciales. Heisenbreg obtiene el problema de los eigenvalores los cuales describen la dinámica del sistema microscópico; la diagonalización de la matriz hamiltoniana produce el espectro de energía y es estado vectorial del sistema. El postulado de Broglie dice: > Toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico. Entonces en 1926 Erwin Schrödinger hace una generalización de dicho postulado, este método era más intuitivo que la mecánica matricial de Heisenberg. La teoría describe la dinámica de la materia microscópica por medio de una ecuación deferencial de onda, llamada ecuación de Schrödinger. La solución de esta ecuación proporciona la energía del espectro de la función de onda del sistema bajo consideración. En 1927, el físico Max Born propone por primera vez una interpretación probabilística de la onda mecánica, Born considera que la magnitud o módulo del cuadrado de las funciones de onda, que son soluciones de la ecuación de Schrödinger, representan la densidad de probabilidad del estado cuántico. Las teorías de Schrödinger y de Heisemberg son equivalentes. En 1928 el ingeniero eléctrico y físico Paul Dirac sugiere una teoría más general para la mecánica cuántica, en esta él incorpora la utilización de objetos abstractos llamados kets (estado del vector), bras y operadores. La representación del formalismo de Dirac en unas bases continuas, las representaciones del momentum y la posición dadas por Schrödinger en la mecánica ondulatoria. Dirac combina la teoría especial de la relatividad con la mecánica cuántica y deduce una ecuación que describe el comportamiento del electrón, esta ecuación es conocida como la ecuación de Dirac y la misma predice la existencia de una antipartícula, el positrón, el cual es descubierto experimentalmente en 1932 por el físico estadounidense Carl David Anderson quien observa esta antipartícula en las trazas dejadas por los rayos cósmicos en un cámara de niebla. ![QM.gif](https://images.hive.blog/DQmVVvX7GCpEv8DrSvZGYRrmxy4Q93JaE2J45kmJRS7XbHW/QM.gif) En el próximo post trataremos en detalle el problema de la radiación de cuerpo negro que resolvió Max Planck, y que dio nacimiento a la mecánica cuántica.

Referencias bibliográficas

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Fuente de las imágenes

Imagen de Planck [Fuente](https://www.biografiasyvidas.com/biografia/p/planck.htm) Imagen del cuantum[Fuente](https://www.istockphoto.com/es/fotos/quantum) Imagen de Rutherford [Fuente](https://www.biografiasyvidas.com/biografia/r/rutherford.htm) Imagen de modelo atómico [Fuente](https://es.123rf.com/photo_54974963_representaci%C3%B3n-art%C3%ADstica-del-%C3%A1tomo-de-litio-con-orbitales-n%C3%BAcleo-y-electrones-en-movimiento-enmascarado.html) Imagen de Einstein [Fuente](https://www.wallpaperbetter.com/es/hd-wallpaper-plhhw) Imagen del fotón [Fuente](https://historiadelavida.editorialaces.com/la-materia-el-foton-2/) Imagen de de Broglie [Fuente](https://es.wikipedia.org/wiki/Louis-Victor_de_Broglie) Imagen de Compton [Fuente](https://rinconeducativo.org/es/recursos-educativos/arthur-compton-descubridor-del-efecto-que-lleva-su-nombre-que-confirma-que-la) Imagen de davisson y Germer [Fuente](https://www.rinconeducativo.org/es/recursos-educativos/22-de-octubre-de-1881-nace-clinton-davisson-descubridor-de-la-difraccion-de-los) Imagen de W. Heisenber [Fuente](https://es.wikipedia.org/wiki/Werner_Heisenberg) Imagen de E. Schrödinger [Fuente](https://www.biografiasyvidas.com/biografia/s/schrodinger.htm) Imagen P. Dirac [Fuente](https://www.madrimasd.org/blogs/matematicas/2021/06/23/149199)

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