En 1926, Edwin Schrödinger (1887-1961), físico alemán, premio nobel por sus aportaciones a la mecánica cuántica, usando un modelo matemático tridimensional basado en las propiedades ondulatorias del electrón y en la cuantificación de la energía cinética y potencial, desarrollo un conjunto de ecuaciones por medio de las cuales intento explicar el movimiento del electrón en términos de probabilidades. Imagino al átomo con un núcleo positivo rodeado de nubes electrónicas, las cuales permiten ubicar al electrón en algún lugar del espacio atómico.
Radiación.
La intensa fuerza nuclear mantiene unidos a protones y neutrones en el núcleo atómico superando la fuerza de repulsión de coulomb, llamada así por Charles Augustin Coulomb (1736-1806), un físico francés cuya mayor aportación fue en el campo del magnetismo y electricidad. Sin embargo, cuando la fuerza nuclear no es suficiente, los núcleos de los átomos se vuelven inestables y emiten partículas o fotones convirtiéndose en radiactivos. La radiación se define como la propiedad de algunos materiales de emitir rayos muy penetrantes. Esta integrada por partículas alfa, beta y rayos gamma
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Desintegración radiactiva.
Los núcleos están compuestos por protones y neutrones, que se mantienen unidos por la denominada fuerza fuerte. Algunos núcleos tienen una combinación de protones y neutrones que no conducen a una configuración estable. Estos núcleos son inestables o radiactivos. Los núcleos inestables tienden a aproximarse a la configuración estable emitiendo ciertas partículas. Los tipos de desintegración radiactiva se clasifican de acuerdo a la clase de partículas emitidas.
Un ejemplo concreto
Analicemos para el caso del átomo de hidrógeno, según el modelo de Bohr, cómo se conjugan estos tres supuestos cuánticos anteriores, a), b) y c). El átomo de hidrógeno se entiende como un sistema estable formado por un electrón y un protón. El electrón puede hallarse en un conjunto infinito, pero discontinuo de niveles de energía [supuesto c)].
Para pasar de un nivel a otro, el electrón debe absorber o emitir un quantum discreto de radiación [supuesto a)] cuya energía sea igual a la diferencia de energía entre esos niveles. Los niveles posibles de energía de los electrones se representan matemáticamente por funciones ondulatorias [supuesto b)], denominadas “funciones de estado”, que caracterizan el estado físico del electrón en el nivel de energía correspondiente.
Para conocer el valor experimental de cualquier propiedad referente a la partícula debe “preguntarse” a su función de estado asociada. Es decir, dicha función constituye un tipo de representación del estado físico, tal que el estado del electrón en el n-ésimo nivel de energía es descrito por la n-ésima función de estado.
La función de onda
La descripción más general del estado del electrón del átomo de hidrógeno viene dada por la “superposición” de diferentes funciones de estado. Tal superposición es conocida como “función de onda”. La superposición de estados posibles es típica de la Teoría Cuántica, y no se presenta en las descripciones basadas en la Física Clásica.
En esta última, los estados posibles nunca se superponen, sino que se muestran directamente como propiedades reales atribuibles al estado del sistema. Al contrario, especificar el estado del sistema en la Teoría Cuántica implica tomar en consideración la superposición de todos sus estados posibles. Las funciones de onda no son ondas asociadas a la propagación de ningún campo físico (eléctrico, magnético, etc.), sino representaciones que permiten caracterizar matemáticamente los estados de las partículas a que se asocian.
El físico alemán Max Born ofreció la primera interpretación física de las funciones de onda, según la cual el cuadrado de su amplitud es una medida de la probabilidad de hallar la partícula asociada en un determinado punto del espacio en un cierto instante. Aquí se manifiesta un hecho que se repetirá a lo largo del desarrollo de la Teoría Cuántica, y es la aparición de la probabilidad como componente esencial de la gran mayoría de los análisis.
La probabilidad en la Teoría Cuántica
La Teoría Cuántica es una teoría netamente probabilista. Nos habla de la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento determinado, no de cuándo ocurrirá ciertamente el suceso en cuestión. La importancia de la probabilidad dentro de su formalismo supuso el punto principal de conflicto entre Einstein y Bohr en el V Congreso Solvay de Física de 1927.
Einstein argumentaba que la fuerte presencia de la probabilidad en la Teoría Cuántica hacía de ella una teoría incompleta reemplazable por una hipotética teoría mejor, carente de predicciones probabilistas, y por lo tantodeterminista. Acuñó esta opinión en su ya famosa frase, “Dios no juega a los dados con el Universo”.
La postura de Einstein se basa en que el papel asignado a la probabilidad en la Teoría Cuántica es muy distinto del que desempeña en la Física Clásica. En ésta, la probabilidad se considera como una medida de la ignorancia del sujeto, por falta de información, sobre algunas propiedades del sistema sometido a estudio. Podríamos hablar, entonces, de un valor subjetivo de la probabilidad. Pero en la Teoría Cuántica la probabilidad posee un valor objetivo esencial, y no se halla supeditada al estado de conocimiento del sujeto, sino que, en cierto modo, lo determina.
En opinión de Einstein, habría que completar la Teoría Cuántica introduciendo en su formalismo un conjunto adicional de elementos de realidad (a los que se denominó “variables ocultas”), supuestamente obviados por la teoría, que al ser tenidos en cuenta aportarían la información faltante que convertiría sus predicciones probabilistas en predicciones deterministas.
Un ejemplo concreto
Analicemos para el caso del átomo de hidrógeno, según el modelo de Bohr, cómo se conjugan estos tres supuestos cuánticos anteriores, a), b) y c). El átomo de hidrógeno se entiende como un sistema estable formado por un electrón y un protón. El electrón puede hallarse en un conjunto infinito, pero discontinuo de niveles de energía [supuesto c)].
Para pasar de un nivel a otro, el electrón debe absorber o emitir un quantum discreto de radiación [supuesto a)] cuya energía sea igual a la diferencia de energía entre esos niveles. Los niveles posibles de energía de los electrones se representan matemáticamente por funciones ondulatorias [supuesto b)], denominadas “funciones de estado”, que caracterizan el estado físico del electrón en el nivel de energía correspondiente.
Para conocer el valor experimental de cualquier propiedad referente a la partícula debe “preguntarse” a su función de estado asociada. Es decir, dicha función constituye un tipo de representación del estado físico, tal que el estado del electrón en el n-ésimo nivel de energía es descrito por la n-ésima función de estado.
La función de onda
La descripción más general del estado del electrón del átomo de hidrógeno viene dada por la “superposición” de diferentes funciones de estado. Tal superposición es conocida como “función de onda”. La superposición de estados posibles es típica de la Teoría Cuántica, y no se presenta en las descripciones basadas en la Física Clásica.
En esta última, los estados posibles nunca se superponen, sino que se muestran directamente como propiedades reales atribuibles al estado del sistema. Al contrario, especificar el estado del sistema en la Teoría Cuántica implica tomar en consideración la superposición de todos sus estados posibles. Las funciones de onda no son ondas asociadas a la propagación de ningún campo físico (eléctrico, magnético, etc.), sino representaciones que permiten caracterizar matemáticamente los estados de las partículas a que se asocian.
El físico alemán Max Born ofreció la primera interpretación física de las funciones de onda, según la cual el cuadrado de su amplitud es una medida de la probabilidad de hallar la partícula asociada en un determinado punto del espacio en un cierto instante. Aquí se manifiesta un hecho que se repetirá a lo largo del desarrollo de la Teoría Cuántica, y es la aparición de la probabilidad como componente esencial de la gran mayoría de los análisis.
La probabilidad en la Teoría Cuántica
La Teoría Cuántica es una teoría netamente probabilista. Nos habla de la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento determinado, no de cuándo ocurrirá ciertamente el suceso en cuestión. La importancia de la probabilidad dentro de su formalismo supuso el punto principal de conflicto entre Einstein y Bohr en el V Congreso Solvay de Física de 1927.
Einstein argumentaba que la fuerte presencia de la probabilidad en la Teoría Cuántica hacía de ella una teoría incompleta reemplazable por una hipotética teoría mejor, carente de predicciones probabilistas, y por lo tantodeterminista. Acuñó esta opinión en su ya famosa frase, “Dios no juega a los dados con el Universo”.
La postura de Einstein se basa en que el papel asignado a la probabilidad en la Teoría Cuántica es muy distinto del que desempeña en la Física Clásica. En ésta, la probabilidad se considera como una medida de la ignorancia del sujeto, por falta de información, sobre algunas propiedades del sistema sometido a estudio. Podríamos hablar, entonces, de un valor subjetivo de la probabilidad. Pero en la Teoría Cuántica la probabilidad posee un valor objetivo esencial, y no se halla supeditada al estado de conocimiento del sujeto, sino que, en cierto modo, lo determina.
En opinión de Einstein, habría que completar la Teoría Cuántica introduciendo en su formalismo un conjunto adicional de elementos de realidad (a los que se denominó “variables ocultas”), supuestamente obviados por la teoría, que al ser tenidos en cuenta aportarían la información faltante que convertiría sus predicciones probabilistas en predicciones deterministas.
Veáse tambien:
http://www.youtube.com/watch?v=cP9Ko7pZSiI Linea del tiempo de los modelos atómicos http://www.youtube.com/watch?v=48yDFbwZRv4 Evolución de los modelos atómicos http://www.youtube.com/watch?v=QCZCqtp7S_8 Los 10 peores accidentes nucleares de la historia
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