Física CUántica

La física cuántica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la materia a niveles subatómicos.

La física cuántica, es junto a la física relativista, la teorías más importante de la física moderna, y su nacimiento representó un enorme cambio de visión de los científicos, puesto que rompió los paradigmas de la lógica de la física clásica, y aniquiló para siempre las ideas deterministas.

La física cuántica nació a finales del siglo XX, la semilla de esta teoría la pondría el físico alemán Max Planck, quien intentando resolver uno de los misterios físicos de la época denominado "El problema de la radiación de un cuerpo negro", el cuál suponía un error teórico en el cálculo de la cantidad de radiación que emitía un cuerpo al calentarse. Éste error traía dolores de cabeza numerosos teóricos (entre ellos Einstein), que no lograban crear una fórmula que funcionara. Es ahí, donde Planck creó una fórmula que se acercaba mucho a la realidad, pero que suponía algo que iba contra la lógica y la intuición.

Al emitir radiación, los átomos vibran a gran velocidad, en la Física clásica de esa época, se suponía que lo átomos vibraban con la energía que quisiera, sin embargo Planck, propuso que los átomos vibraban con ciertos niveles de energía, y no podían vibrar en niveles intermedios a éstos, y que estos niveles de energía sería múltiplos enteros de una "energía fundamental". En pocas palabras, Planck propuso que la energía estaba dividida a través de escalones, es decir que la energía estaba "cuantizada" y no puede haber energía intermedia entre estos escalones.

La fórmula de Planck predecía con gran exactitud los efectos de los cuerpos que radian, sin embargo, aceptar su teoría implicaba cambiar la visión que se tenía, y con esto comenzarían a cambiar muchas cosas en la Física. A pesar del escepticismo que se generó ante esta teoría, terminó siendo aceptada y Planck recibió el Premio Nobel de 1918.

Después, Albert Einstein terminaría por comprobar la teoría a través de su efecto fotoeléctrico. En el cuál, a través de someter un metal, a luz de distintos colores, se podían arrancar electrones del metal y producir electricidad. Los científicos creían que la intensidad de la luz, definía si era posible arrancar electrones del metal. Sin embargo no fue así, lo que lo definía era el color de ésta, puesto que los colores rojos desprendían pocos o nulos electrones, mientras que el número de electrones desprendidos era mayor en luces que se acercaba al amarillo. Einstein utilizaría la teoría de Planck para "cuantizar" la luz, al igual que la energía, la luz debía estar cuantizada, es decir la luz debía viajar en "capsulas" de luz, a las que les llamó "cuantos de luz", después su nombre cambiaría a fotón.

Así, Einstein resolvería el misterio del efecto fotoeléctrico, puesto que cada fotón que impacta el metal contiene en sí una energía que sería proporcional a la constante de Planck (6.62×10 -34 Jules) y a la frecuencia de la radiación (el color de la luz), y si la luz es muy intensa, aumenta la cantidad de fotones que viajan hacia el metal, por lo que, sí el fotón tiene la energía suficiente, le transmitirá a ese electrón su energía y éste será arrancado del metal. Por lo que, el efecto fotoeléctrico siempre dependerá de la frecuencia de la luz, puesto que entre mayor frecuencia mayor cantidad de energía tiene el fotón. Así se creería el concepto de cuantos de luz, y se aceptaría (no sin controversia), que la luz también está cuantizada. Einstein ganaría el Premio Nobel de 1921 gracias a su efecto fotoeléctrico.

Esto trajo a la comunidad científicas más problemas que respuestas, puesto que, para entonces la luz era considerada una onda, puesto que ésta sufría de efectos como la difracción o la interferencia y Einstein estipularía que son "partículas de luz", por lo que se formó una gran disputa por intentar conocer la verdadera cualidad de la luz.

La teoría de Planck de los cuantos de energía, también sería aplicable al átomo mismo, puesto que el físico Niels Bohr, intentaría resolver una de las enormes paradojas que existían en ese tiempo, puesto que el modelo atómico propuesto por Rutherford era inestable, porque, siguiendo las leyes electromagnéticas de Maxwell, una carga acelerada, cuando cambie su velocidad o dirección, emitirá una onda electromagnética y perderá energía, por lo que entendiendo el modelo atómico de Rutherford (con los electrones girando alrededor de un núcleo de protones [Aún no se descubrían los neutrones]), era imposible que el átomo fuera estable, (y por lo tanto, que la materia existiera) puesto que el electrón perdería energía e iría más lento hasta chocar con el núcleo y se aniquilaría.

Bohr, pues, utilizó la teoría cuántica de Plank, y estableció que los electrones también seguían las reglas de los cuantos de energía, viajaban a través de "escalones de energía", y no pueden estar en una posición intermedia entre éstos escalones. Por lo que, sí un electrón pierde la suficiente energía, bajará uno de estos niveles de energía, y al hacerlo emitirá un fotón el cual transportaría la energía perdida. Bohr recibiría el Premio Nobel en 1922. Bohr fue el primero en proponer olvidar la Física Clásica para el estudio de la mecánica atómica, y sugirió la creación de la Mecánica Cuántica.

Después de Bohr, el siguiente en levantar la mano fue De Broglie, quien al tomar la conclusión de Einstein en la cual estipula que la luz que se comporta como onda, es una partícula; las partículas son ondas también.

Esto cambiaría por completo la visión que se tenía sobre el universo entero, puesto que los científicos dejarían de ver, a los electrones por ejemplo, como partículas, sino que también los verían como ondas, así también con las demás partículas subatómicas, esto significaría que la materia dejaría de ser un cuerpo de partículas solidas, sino también un conjunto de ondas entrelazadas en constante vibración. Esta estipulación comparte razón con la teoría de la Relatividad de Einstein, puesto que éste habría ya estipulado que la materia es tan solo energía concentrada.

Esto significaría que la teoría cuántica de Planck no solo sería aplicable a la energía y a luz, sino también a las partículas (las cuales como se mencionó antes son energía también).

A base de experimentación se comprobó la teoría de De Broglie, aunque también fue obvio que la materia era sólida y consistente, y no sólo ondas.

Su teoría se probaría a través de experimentos de difracción de ondas. Esto sería la base del experimento de "Difracción de electrones",

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