Mecanica cuantica.
La Mecánica cuántica es la parte de la física que estudia el movimiento de las partículas muy pequeñas. El concepto de partícula "muy pequeña" atiende al tamaño en el cual comienzan a notarse efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud infinita y a la vez la posición y la velocidad de una partícula (véase Principio de indeterminación de Heisenberg), entre otros. A tales efectos suele denominárseles "efectos cuánticos". Así, la Mecánica cuántica es la que rige el movimiento de sistemas en los cuales los efectos cuánticos sean relevantes. Se ha documentado que tales efectos son importantes en materiales .
¿EN QUÉ CONSISTE LA MECÁNICA CUÁNTICA?
Los sistemas atómicos y las partículas elementales no se pueden describir con las teorías que usamos para estudiar los cuerpos macroscópicos (como las rocas, los carros, las casas, etc). Esto de debe a un hecho fundamental respecto al comportamiento de las partículas y los átomos que consiste en la imposibilidad de medir todas sus propiedades simultáneamente de una manera exacta. Es decir en el mundo de los átomos siempre existe una INCERTIDUMBRE que no puede ser superada. La mecánica cuántica explica este comportamiento.
¿ENTONCES QUÉ DICE LA MECÁNICA CUÁNTICA?
El tamaño de un núcleo atómico es del orden de 10-13 centímetros. ¿Podemos imaginar ésto? Muy difícilmente. Mucho más difícil aún sería imaginar como interactúan dos núcleos atómicos, o cómo interactúa el núcleo con los electrones en el átomo. Por eso lo que dice la mecánica cuántica muchas veces nos parece que no es 'lógico'. Veamos que propone la mecánica cuántica:
- El intercambio de energía entre átomos y partículas solo puede ocurrir en paquetes de energía de cantidad discreta (Fuerzas e Interacciones)
- Las ondas de luz, en algunas circunstancias se pueden comportar como si fueran partículas ( fotones).
- Las partículas elementales, en algunas circunstancias se pueden comportar como si fueran ondas.
- Es imposible conocer la posición exacta y la velocidad exacta de una partícula al mismo tiempo. Este es el famoso Principio de Incertidumbre de Heisemberg.
Modelo de bohr.
Niels Bohr, en 1913, introdujo un nuevo modelo atómico, el cual combinaba tanto ideas clásicas como cuánticas; su trabajo se basó, generalmente, en introducir la constante de Planck al modelo matemático que representaba al átomo. Asumiendo el átomo como un sistema solar en miniatura, las ideas de Bohr fueron:
.Las órbitas de los electrones en el interior del átomo no son todas estables; de aquí se sigue que el electrón sólo puede estar en órbitas definidas (a determinadas distancias del átomo). Esto debido a que cada órbita representa un nivel de energía para el electrón, pero el electrón no puede tomar cualquier valor de energía, sólo hf ; siendo el nivel uno correspondiente al valor de energía uno, el nivel dos al dos....Los niveles aumentan de adentro hacia afuera; al nivel uno se le llama estado fundamental, y el electrón no puede bajar de este estado, pues no hay órbitas mas bajas que uno (los valores son enteros positivos).
.Cuando el electrón se encuentra en una órbita estable, éste no emite energía, sólo emite o absorbe energía cuando salta de una órbita a otra. Como el electrón no puede emitir valores arbitrarios y continuos de energía en una órbita estable, no se cumple la predicción electromagnética, el electrón sólo emite valores enteros de energía; esta emisión cuantificada sólo se da cuando el electrón salta de una órbita o nivel de energía mayor a uno menor, la emisión es un fotón, exactamente con la energía que el electrón necesito para pasar de un estado menor a uno mayor; también se da el caso contrario: para hacer subir a un electrón de órbita o nivel, se necesita exactamente la energía de diferencia entre las dos órbitas o niveles, y el electrón permanece allí durante un tiempo (se dice: exitado) hasta que cae otra vez a la órbita o nivel original, y devuelve la misma energía que le fue suministrada en un comienzo (es devuelta en forma de un fotón).
.Las órbitas de los electrones en el interior del átomo no son todas estables; de aquí se sigue que el electrón sólo puede estar en órbitas definidas (a determinadas distancias del átomo). Esto debido a que cada órbita representa un nivel de energía para el electrón, pero el electrón no puede tomar cualquier valor de energía, sólo hf ; siendo el nivel uno correspondiente al valor de energía uno, el nivel dos al dos....Los niveles aumentan de adentro hacia afuera; al nivel uno se le llama estado fundamental, y el electrón no puede bajar de este estado, pues no hay órbitas mas bajas que uno (los valores son enteros positivos).
.Cuando el electrón se encuentra en una órbita estable, éste no emite energía, sólo emite o absorbe energía cuando salta de una órbita a otra. Como el electrón no puede emitir valores arbitrarios y continuos de energía en una órbita estable, no se cumple la predicción electromagnética, el electrón sólo emite valores enteros de energía; esta emisión cuantificada sólo se da cuando el electrón salta de una órbita o nivel de energía mayor a uno menor, la emisión es un fotón, exactamente con la energía que el electrón necesito para pasar de un estado menor a uno mayor; también se da el caso contrario: para hacer subir a un electrón de órbita o nivel, se necesita exactamente la energía de diferencia entre las dos órbitas o niveles, y el electrón permanece allí durante un tiempo (se dice: exitado) hasta que cae otra vez a la órbita o nivel original, y devuelve la misma energía que le fue suministrada en un comienzo (es devuelta en forma de un fotón).
El átomo de Bohr.
Hacia 1911, por medio de un experimento de dispersión de partículas en metales, Rutherford descubrió que el átomo contenía una estructura interna, y que no era como la "sandía" que Thomson había propuesto. Según Rutherford, el átomo estaba compuesto por un núcleo cargado positivamente, y un exterior compuesto por electrones (negativos); la suma de las cargas de los electrones era igual a la carga del núcleo (y se conseguía la neutralidad del átomo).
Para que los electrones no cayeran al núcleo debido a la fuerza eléctrica, era necesario que éstos giraran, y así su fuerza centrífuga fuera igual a la fuerza de atracción eléctrica, para evitar el colapso del átomo; pero este movimiento por ser curvado generaba una aceleración, y según la teoría de Maxwell éstos deberían emitir radiación, lo que generaba que perdieran energía, y por ende se precipitaran en espiral hacia el núcleo. Así pues, con las teorías y las leyes de que se disponía no era posible explicar la estabilidad del átomo, como también el fenómeno de las líneas espectrales "perfectas" de una sustancia pura.
