Historia de la mecánica cuántica

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El modelo cuántico del átomo de Niels Bohr desarrollado en 1913, el cual incorporó una explicación a la fórmula de Johannes Rydberg de 1888; la hipótesis cuántica de Max Planck de 1900, esto es, que los radiadores de energía atómica tienen valores de energía discreta (\epsilon=hf); el modelo de J. J. Thomson en 1904, el postulado de luz cuántica de Albert Einstein en 1905 y el descubrimiento en 1907 del núcleo atómico positivo hecho por Ernest Rutherford.

La historia de la mecánica cuántica –vinculada a la historia de la química cuántica– comienza esencialmente con el descubrimiento de los rayos catódicos en 1838 –realizado por Michael Faraday, la introducción de la expresión cuerpo negro por Gustav Kirchhoff en el invierno de 1859-1860, la sugerencia hecha por Ludwig Boltzmann en 1877 sobre que los estados de energía de un sistema físico deberían ser discretos, y la hipótesis cuántica de Max Planck en el 1900, quien decía que cualquier sistema de radiación de energía atómica podía teóricamente ser dividido en un número de elementos de energía discretos E\,, tal que cada uno de estos elementos de energía sea proporcional a la frecuencia \nu\,, con las que cada uno podía de manera individual irradiar energía, como lo muestra la siguiente fórmula:E = h\nu\,

donde h\, es un valor numérico llamado constante de Planck.

En 1905, para explicar el efecto fotoeléctrico (1839), esto es, que la luz brillante de ciertos materiales se debe a la expulsión de electrones del material, Albert Einstein postuló –basándose en la hipótesis cuántica de Planck– que la luz está compuesta de partículas cuánticas individuales, las que más tarde fueron llamadas fotones (1926).

El término «mecánica cuántica» fue usado por primera vez en el escrito de Max Born llamado Zur Quantenmechanik (La Mecánica Cuántica). En los años que siguen, esta base teórica comenzó lentamente a ser aplicada a estructuras, reacciones y enlaces químicos.

Descripción[editar]

En 1900 el físico alemán Max Planck introdujo la idea de que la energía estaba «cuantizada», con el fin de derivar una fórmula para la dependencia de la frecuencia observada con la energía emitida por un cuerpo negro. En 1905, Einstein explicó el efecto fotoeléctrico con un postulado sobre que luz –o más específicamente toda la radiación electromagnética– puede ser dividida en un número finito de «cuantos de energía», que son localizados como puntos en el espacio. De la introducción del escrito de cuántica On a heuristic viewpoint concerning the emission and transformation of light (Un punto de vista heurístico relacionado con la emisión y transformación de la luz) de marzo de 1905:

"De acuerdo a las suposiciones a ser contempladas aquí, cuando un rayo de luz se está propagando desde un punto, la energía no está distribuida continuamente sobre espacios cada vez más grandes, pero [sino que] está constituida de un número finito de cuantos de energía que son localizados en puntos en el espacio, moviéndose sin dividirse y pudiendo ser absorbidos o generados sólo en su conjunto."

Albert Einstein

Esta sentencia ha sido llamada la sentencia más revolucionaria escrita por un físico en el siglo veinte.[1] Estos «cuantos de energía» serían llamados más tarde fotones, un término introducido por Gilbert N. Lewis en 1926. La idea que cada fotón tenía que consistir de energía en términos de cuantos fue un notable logro, ya que eliminó la posibilidad de que la radiación de un cuerpo negro alcanzara energía infinita, lo que se explicó en términos de formas de onda solamente. En 1913, Bohr explicó las líneas espectrales del átomo de hidrógeno, nuevamente utilizando «cuantización», en su escrito On the Constitution of Atoms and Molecules (Sobre la Constitución de Átomos y Moléculas), publicado en julio de 1913.

Estas teorías, aunque exitosas, fueron estrictamente fenomenológicas: no hay justificación rigurosa para la cuantización (de lado, quizás, para la discusión de Henri Poincaré sobre la teoría de Planck en su paper de 1912, Sur la théorie des quanta (Sobre la teoría cuántica)). Son conocidas mundialmente como la antigua teoría cuántica.

La expresión «física cuántica» fue usada por primera vez en Planck's Universe in Light of Modern Physics (El Universo en Luz de la Física Moderna de Planck), de Johnston en 1931.

En 1924, el físico francés Louis-Victor de Broglie presenta su teoría de ondas de materia, por la que se indica que las partículas pueden exhibir características de onda y vice versa. Esta teoría fue para una partícula simple y derivada de la teoría especial de la relatividad. Basándose en el planteamiento de de Broglie, nació la mecánica cuántica moderna en 1925, cuando los físicos alemanes Werner Heisenberg y Max Born desarrollaron la mecánica matricial y el físico austríaco Erwin Schrödinger inventó la mecánica de ondas y la ecuación de Schrödinger no relativista como una aproximación al caso generalizado de la teoría de Broglie.[2] Schrödinger posteriormente demostró que ambos enfoques eran equivalentes.

Heisenberg formuló su principio de incertidumbre en 1927, y la interpretación de Copenhague comienza a tomar forma cerca de la misma fecha. A partir de 1927, Paul Dirac comienza el proceso de unificación de la mecánica cuántica con la relatividad especial proponiendo la ecuación de Dirac para el electrón. La ecuación de Dirac alcanza la descripción relativista de la función de onda de un electrón que Schrödinger no pudo obtener. Predice el espín electrónico y ayuda a predecir la existencia del positrón. Fue pionero también en el uso de la teoría del operador, incluyendo la influyente notación Bra-Ket descrito en su famoso libro de 1930. Durante el mismo período, el matemático húngaro John von Neumann formuló la rigurosa base matemática para la mecánica cuántica de la teoría de los operadores lineales en los espacios de Hilbert, descrito en su igualmente famoso libro de 1932. Estos, como muchos otros trabajos del período fundacional aún siguen en pie, y son altamente utilizadas.

En el campo de la química cuántica fueron pioneros los físicos Walter Heitler y Fritz London, quienes publicaron un estudio de los enlaces covalentes de la molécula de hidrógeno en 1927. La química cuántica fue posteriormente desarrollada por un gran número de científicos, incluyendo el teórico químico norteamericano de Cal Tech Linus Pauling, y a John C. Slater en varias teorías tales como la teoría del orbital molecular o teoría de valencias.

A partir de 1927, se intentó aplicar la mecánica cuántica a los campos en vez de partículas simples, resultando en que fueron conocidas las teorías cuánticas de campo. Los primeros que trabajaron en esta área fueron Dirac, Pauli, Weisskopf y Jordan. Esta área de investigación culminó en la formulación de la electrodinámica cuántica por Feynman, Dyson, Schwinger y Tomonaga durante los 40'. La electrodinámica cuántica es una teoría cuántica de electrones, positrones y campo electromagnético, y sirvió como un modelo para posteriores teorías de campo cuántico. La teoría de la cromodinámica cuántica fue formulada a comienzos de los 60'. La teoría como la conocemos hoy en día fue formulada por Politzer, Gross y Wilczek en 1975. Basándose en el trabajo pionero de Schwinger, Higgs, Goldstone, Glashow, Weinberg y Salam, independientemente mostraron cómo la fuerza nuclar débil y la electrodinámica cuántica podían fusionarse en una sola fuerza electrodébil.

Cronología[editar]

La siguiente tabla muestra los pasos y personas claves en el desarrollo de la teoría cuántica:

Fecha Persona Contribución
1771 Luigi Galvani Notó que los músculos de las ranas muertas se movían ligeramente cuando los golpeaba con un descargador eléctrico, a lo que se refirió como "electricidad animal".
1800 Alessandro Volta Inventó la pila voltaica o batería, específicamente para refutar la teoría de la electricidad animal de Galvani.
1838 Michael Faraday Usando la batería de Volta descubrió los rayos catódicos cuando, durante un experimento pasó corriente a través de un tubo de vidrio lleno de un aire enrarecido y notó un extraño arco de luz comenzando en el ánodo (electrodo positivo) y finalizando en el cátodo (electrodo negativo).
1852 Edward Frankland Inició la teoría de valencia, proponiendo que cada elemento fuese una específica "combinación de poder". Por ejemplo, algunos elementos como el nitrógeno tienden a combinarse con otros tres elementos (e.g. NO_3), mientras que otros podrían tender a combinarse con cinco (PO_5), y que cada elemento que se esfuerza por cumplir con su cuota de combinación de poder (valencia) para así satisfacer sus afinidades.
1859 Gustav Kirchhoff Declaró el "problema del cuerpo negro": ¿cómo la intensidad de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro depende de la frecuencia de la radiación y de la temperatura del cuerpo?
1877 Ludwig Boltzmann Sugirió que los estados de energía de un sistema físico deberían ser discretos.
1879 William Crookes Mostró que los rayos catódicos (1838), a diferencia de los rayos de luz, pueden ser doblados en un campo magnético.
1885 Johann Jakob Balmer Descubrió que las cuatro líneas visibles del espectro del hidrógeno podían ser asignadas enteras a una serie.
1888 Johannes Rydberg Modificó la fórmula de Balmer para incluir las otras series de líneas y producir la fórmula de Rydberg.
1891 Alfred Werner Propuso una teoría de afinidad y valencia en la cual la afinidad es una emisión de fuerza atractiva del centro del átomo la cual actúa uniformemente desde allí hacia todas las partes de la superficie esférica del átomo central.
1892 Heinrich Rudolf Hertz Mostró que los rayos catódicos (1838) podían pasar a través de hojas delgadas de láminas de oro y producir una apreciable luminosidad de los cristales detrás de ellos.
1896 Henri Becquerel Descubrió la "radiactividad", un proceso en el cual, debido a la desintegración nuclear, ciertos elementos o isótopos espontáneamente emiten uno de las tres entidades energéticas: partículas alfa (carga positiva), partículas beta (carga negativa) y partículas gama (carga neutral).
1897 Joseph John Thomson Mostró que los rayos catódicos (1838) se curvan bajo la influencia de un campo eléctrico y un campo magnético y para explicar esto el sugirió que los rayos catódicos están negativamente cargados de partículas eléctricas subatómicas o corpúsculos" (electrones), sacados del átomo; y en 1904 propuso el modelo del "budín de ciruela, en el cual los átomos tienen una masa amorfa (budín) positivamente cargada como un cuerpo empotrado con electrones negativamente cargados (ciruelas) dispersos en su totalidad en la forma de anillos rotando de manera no aleatoria.
1900 Max Planck Para explicar la radiación de cuerpo negro, sugirió que la energía electromagnética podría ser emitida sólo en forma cuantizada, esto es, la energía sólo podría ser un múltiplo de una unidad elemental de E=hf, donde h es la constante de Planck y f la frecuencia de la radiación.
1902 Gilbert N. Lewis Para explicar la regla del octeto (1893), desarrolló el modelo del átomo cúbico, en el cual los electrones estaban ubicados en los vértices de un cubo y sugirió que los enlaces simples, dobles y triples se dan cuando dos átomos se mantienen unidos por múltiples pares de electrones (un par por cada enlace) entre ambos átomos (1916).
1904 Richard Abegg Notó la existencia de un patrón en la diferencia numérica entre la máxima valencia positiva de un elemento, como +6 para H_2SO_4, y su máxima valencia negativa, como -2 para H_2S, que tiende a ser de ocho (regla de Abegg).
1905 Albert Einstein Para explicar el efecto fotoeléctrico, es decir, la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética, postuló que la luz está formada por partículas cuánticas individuales (fotones), basándose en la hipótesis cuántica de Planck (1900).
1907 Ernest Rutherford Para testear el modelo del budín de ciruelas (1904), él disparó partículas alfa (positivamente cargadas) en una lámina de oro y notó que algunos se devolvían, lo cual demuestra que los átomos tienen un pequeño núcleo atómico cargado positivamente en su centro.
1913 Niels Bohr Para explicar la fórmula de Rydberg (1888), la cual modela correctamente el espectro de la emisión de luz del átomo de hidrógeno, postuló la hipótesis sobre que los electrones cargados negativamente giran en torno a un núcleo postivamente cargado en ciertas distancias "cuánticas" fijas, y que cada uno de estas "órbitas esféricas" tienen una energía específica asociada de tal manera que los movimientos de electrones entre las órbitas requiere emisiones "cuánticas" o absorciones de energía.
1916 Arnold Sommerfeld Para describir el efecto Zeeman, esto es, que la absorción atómica o emisión de líneas espectrales cambien cuando la luz en primer lugar brilla a través de un campo magnético, el sugirió que allí podrían haber "órbitas elípticas" en los átomos además de las esféricas.
1919 Irving Langmuir Basándose en el trabajo de Lewis (1916), el acuño el término "covalencia" y postuló que los enlaces de coordinación ocurren cuando un par de electrones provienen del mismo átomo.
1922 Stern y Gerlach El experimento de Stern y Gerlach detecta valores discretos de momentos angulares para los átomos en el estado base pasando a través de un campo magnético no homogéneo, conduciendo al descubrimiento del espín del electrón.
1923 Louis-Victor de Broglie Postuló que los electrones en movimiento están asociados a longitudes de onda que están dadas por la constante de Planck h dividida por el momentum de mv=p del electrón: \lambda=h/mv=h/p.
1925 Friedrich Hund Resumió la "regla de máxima multiplicidad", la cual establece que cuando los electrones son agregados sucesivamente a un átomo como muchos niveles u órbitas, son ocupados por separado antes de cualquier emparejamiento de electrones a diferencia de lo que ocurre con el espín, y hace la distinción que los electrones internos en las moléculas permanecen en los orbitales atómicos y sólo los electrones de valencia son necesitados para estar en los orbitales moleculares envueltos en ámbos núcleos.
1925 Wolfgang Ernst Pauli Resumió el "principio de exclusión de Pauli", que dice que dos fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico de manera simultánea.
1926 Erwin Schrödinger Usando el postulado de de Broglie sobre las ondas de electrones (1924), desarrolló una "ecuación de onda" que representa matemáticamente la distribución de una carga de un electrón distribuido a través del espacio, siendo esféricamente simétrica o prominente en ciertas direcciones, es decir, dirigida a los enlaces de valencia, la cual dio el correcto valor para las líneas espectrales del átomo de hidrógeno.
1927 Walter Heitler Usó la ecuación de onda de Schrödinger (1926) para mostrar cómo dos átomos hidrógenos se unen en función de ondas, con más, menos y términos de intercambio, para formar un enlace covalente.
1927 Robert S. Mulliken En 1927 Mulliken trabajó en conjunto con Hund para desarrollar una teoría orbital molecular, donde los electrones son asignados a los estados que se extienden sobre toda la molécula, y en 1932 introdujo muchas nuevas terminologías de orbitales moleculares, como el enlace sigma, enlace pi y enlace delta.
1928 Linus Pauling Resumió la naturaleza del enlace químico, usando el modelo de mecánica cuántico del enlace covalente de Heitler (1927) para sentar las bases de la mecánica cuántica para todos los tipos de estructuras y enlaces moleculares, y sugerir que diferentes tipos de enlaces en moléculas pueden ser igualados por el rápido desplazamiento de electrones, un proceso llamado "resonancia" (1931), como las resonancias híbridas conteniendo contribuciones de diferentes configuraciones electrónicas posibles.
1929 John Lennard-Jones Introdujo una aproximación de la combinación lineal de orbitales atómicos para el cálculo de orbitales moleculares.
1932 Werner Heisenberg Aplicó la teoría de perturbaciones para el problema de los dos electrones y mostró como derivados de la resonancia del intercambio de electrones podía explicar la interacción de intercambio.
1938 Charles Coulson Realizó el primer cálculo preciso de una función de onda de orbitales moleculares con la molécula de hidrógeno.
1951 Roothaan y Hall Obtuvieron las ecuaciones de Roothaan-Hall, colocando rigurosos métodos de orbitales moleculares sobre una sólida base.

Primeros experimentos[editar]

Referencias[editar]

  1. Folsing, Albrecht (1997). Albert Einstein: A Biography. trans. Ewald Osers, Viking.
  2. Hanle, P.A. (1977). Erwin Schrodinger's Reaction to Louis de Broglie's Thesis on the Quantum Theory. Isis, Vol. 68, No. 4 (Dec., 1977), pp. 606-609.
  3. El experimento de Davisson-Germer, el cual demuestra la naturaleza de onda del electrón.

Véase también[editar]

Enlaces externos[editar]