BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA

Facultad de Ciencias Físico Matemáticas

El nacimiento de la teoría cuántica

Oscar Vázquez Hernández

Temario

I.1 Estudios de la radiación y el descubrimiento

del electrón, el bolo de pasas de J.J. Thompson.

I.2 Max Planck, la radiación en el cuerpo

negro, y el cuanto de acción.

I.3 Calores específicos

I.4 Rutherford y su modelo atómico.

I.5 Niels Bohr, la teoría cuántica a nivel atómico

y su principio de correspondencia

Introducción

• Pocos descubrimientos dentro del campo de la física teórica han hacho temblar las bases de lo que la formo o al menos han generado una revolución demasiado drástica tal como sucedió con los estudios de Newton sobre gravitación y el invento del calculo; de ahí hasta el siglo XIX transcurrió una etapa de “prosperidad en la ciencia”, hasta que el descubrimiento de Max Planck causo un revuelo y un cambio de percepción del mundo físico, fue cuando comenzó, la discontinuidad en la física y el nacimiento de la física cuántica

I.1 Estudios de la radiación y el descubrimiento del electrón, el

bolo de pasas de J.J. Thompson.

• En 1897 J. J. Thompson tratando de estudiar la naturaleza de los rayos catódicos descubrió que estaban compuestos en parte por partículas cargadas eléctricamente, había pues descubierto al electrón.

El bolo de pasas

• Con estos descubrimientos J.J Thompson propuso un modelo atómico al cual denomino bolo de pasas pues creía que los átomos eran una esfera con un centro con carga negativa y en su rededor compuesta de cargas negativas uniformemente distribuidas, modelo que el llamó bolo de pasas

Estudio de la radiación• En 1895, Wilhelm K. Röntgen descubrió la existencia de una nueva clase de rayos hasta entonces desconocida, que denominó rayos X por su extraña naturaleza

• En 1896 Henri Becquerel descubrió la radiactividad natural

I.2 Max Planck, la radiación en el cuerpo

negro, y el cuanto de acción.

• A finales de 1894 Max Planck inició un programa de investigación cuyo objetivo perseguía explicar la igualdad existente entre la radiación emitida por un cuerpo negro y la radiación de equilibrio (esto es, la igualdad entre energía emitida y absorbida en un intervalo de tiempo) de una cavidad cualquiera

• El estudio de la radiación de esta cavidad era analizado suponiendo unaumento de energia mediante calor.

• “Conforme aumenta la temperatura, las longitudes de onda se van haciendo máscortas, hasta alcanzar el extremo ultravioleta del espectro. El espectro del cuerponegro mostraba cómo estaba distribuida la energía entre las diferentes longitudesde onda, el problema consistía en explicar la distribución específica de energíasobre la base de la teoría clásica de la radiación. Los problemas surgían cuandoatribuían valores a la energía de las partículas responsables de la radiación. Si laenergía era continua, como postulaba la teoría, significaba que en el extremo deondas cortas (alta frecuencia) del espectro la energía de la radiación se tornaríainfinita, al propiciar un aumento continuo de la energía hacia el infinito aldisminuir la longitud de onda” (Otero, Carvajal, L. E, La teoría cuántica y ladiscontinuidad de la física, pág. 13)

• A este fenómeno se le llamo catástrofe del ultravioleta

La siguiente grafica hace una comparación entre los resultados experimentales y lo obtenido respecto a la

teoría clásica

• La solución propuesta por Planck es imaginar quela cavidad está compuesta por resonadores queoscilan a una cierta frecuencia (dentro del solidopodría considerarse como moléculas o átomos)Planck planteo esta idea para generar unapercepción más abstracta además de que losmodelos atómicos presentes en esas fechas erantodavía incipientes, entonces podría “analizarse”o calcularse la energía que recibe cada resonador

• Podemos ver quizá que esta fórmula es un poco extraña pues parece una formula nacida de la continuidad o de carácter continuo cuando en realidad marca el inicio de la discontinuidad en la física, esta es la fórmula que desencadeno el efecto domino en la modificación de la física.

• Por otro lado Einstein había llegado en concreto a un resultado semejante y a la misma restricción que la energía era múltiplo de hv y también llego a la conclusión de que la energía que tenían los fotones (partículas descubiertas por él) es la misma que la de los elementos de acción de Planck.

I.3 Calores específicos

• Dados los resultados obtenidos por la cuantización de Planck se vio que esto también repercutía directamente en los calores específicos de la materia, debido al cambio de energía discreto, esto desencadeno a la vez la reconsideración en el planteamiento de las teorías que tenían que ver con la composición de la materia (la teoría atómica

• Einstein dijo “Si las estructuras elementales que hay que suponer en la teoría del intercambio de energía entre materia y radiación no se pueden concebir en términos de la actual teoría cinético molecular, entonces ¿no estamos obligados a modificar también la teoría para otras estructuras que oscilan periódicamente, consideradas en la teoría molecular del calor? En mi opinión no hay duda en la respuesta. Si la teoría de la radiación de Planck va al corazón del asunto, entonces se deben esperar contradicciones entre la teoría cinética molecular actual y la experiencia también en otras áreas de la teoría del calor.

Rutherford y su modelo

atómico

• Rutherford presentó en 1911 en su artículo “Difusión de partículas α y β por la materia y la estructura del átomo” su modelo de átomo, la carga positiva del átomo se tenía que encontrar concentrada en una región muy pequeña del átomo, prácticamente un punto, que identificó como el núcleo atómico” (Otero, Carvajal, L. E, La teoría cuántica y la discontinuidad de la física, pág.53)

I.5 Niels Bohr, la teoría cuántica a nivel atómico y su principio de correspondencia

• En el modelo de Rutherford podemos encontrar quelos electrones están en estados estacionariosenergéticos bien determinados.

• En 1913 Bohr afirma que cualquier cambio en laenergía intrínseca del átomo consiste en una transicióncompleta entre dos estados estacionarios, estosignificaba que las transiciones entre los diferentesestados energéticos del átomo se producían mediantesaltos discontinuos regidos por el cuanto de acción dePlanck, algo que resultaba absolutamente incompatiblecon la teoría clásica que postulaba transicionescontinuas de un estado de energía a otro.

• En resumen Bohr planteaba que los estados energéticode los átomos son fijos y solo pueden ser alterado siestos liberan radiación o la absorben de formacuantizada (múltiplos de hv donde v es la frecuencia dela luz incidente), cuando los electrones liberanradiación (fotones), pasan a estados energéticos másbajos (a orbitas más lejanas del núcleo) y cuando loselectrones reciben radiación pasan a estadosenergéticos más altos (con orbitas más cercanas alnúcleo) esto va generando por así decirlo un equilibrioentre la radiación que se emite o absorbe y los nivelesenergéticos adquiridos por los electrones dentro delátomo.

I.6 Niels Bohr y el principio de correspondencia.

• Bohr propuso su famoso principio de correspondencia, en un panorama general podríamos decir que si surge una nueva teoría esta debe explicar los fenómenos estudiados en la teoría anterior y obtener resultados sino iguales al menos de carácter similar, este hecho o más bien esta hipótesis, logro una “cohesión” o más bien una reconciliación entre las dos físicas ya que como dije en panoramas generales podemos hacer mas visible esta reconciliación cuando analizamos sistemas macroscópicos con mecánica cuántica son resultados muy parecidos a los generados por la mecánica Newtoniana, es necesario recalcar que es solo para sistemas macroscópicos esta mediación (tema que no abordaremos en el presente ensayo) (estamos hablan de la diferencia entre ordenes de magnitud demasiado pequeños).

• Así la obligación que tendría cada nueva teoría es la de explicar como un caso particular, a las teorías que le preceden.

Conclusión

• El desarrollo en la física en los inicios del siglo anterior significó entre polémica y una incesante búsqueda en la solución de los problemas como la catástrofe ultravioleta y la electromagnética, el trabajo en conjunto de muchas mentes brillantes, resulta muy motivador conocer todo lo que tuvo que pasar, el lento proceso que resulto la aceptación del rompimiento de la física, a una nueva aún más desconocida física, cabe decir que esto debe de servir como motivación para las mentes jóvenes interesadas en la física o en la química para poder participar en la incesante y constante evolución de la ciencia.

Referencias

• Otero Carvajal, Luis Enrique. La teoría cuántica y la discontinuidad de la física. Web. 6 noviembre, 2011. http://www.ucm.es/info/hcontemp/leoc/la%20teoria%20cuantica.pdf>

• Michael Fowler. Modern Physics. University of Virginia. Web. http://translate.google.com.mx/translate?hl=es&sl=en&tl=es&u=http%3A%2F%2Fwww.phys.virginia.edu%2Fclasses%2F252%2F&anno=2.