El estudio “moderno” de la materia: modelos atómicos de John Dalton, Ernest Rutherford y Niels Bohr, origen de la Física o Mecánica Cuántica, Efecto Compton, dualidad onda-corpúsculo (II), Principio de Incertidumbre de Werner Heisenberg

Hace algunos días tratamos por encima que desde la antigua Grecia una de las grandes preguntas era saber si la materia era continua e infinitamente divisible o si estaba cuantizada y se acababa llegando a una unidad indivisible, que serían los átomos. Asimismo, también comentamos que la teoría más aceptada fue la primera por ser más perfecta y maravillosa.

Así pasaron más de 2000 años, hasta entrado el siglo XIX, para que el modelo de materia infinita fuese destituido por el atómico. Y este acontecimiento vino de mano del conocido químino John Dalton. Podríamos hablar mucho acerca de este hombre, pero por ahora me limitaré a enunciar las tres leyes con las que resumió su teoría:

-La materia está compuesta por partículas indivisibles llamadas átomos (no-partes).

-Cada átomo de cada diferente elemento es completamente distinto.

-Cuando varios átomos se combinan formando moléculas dan lugar a un compuesto químico.

A partir de estos tres simples enunciados, de los cuales uno de ellos es completamente falso, se puede considerar que comienza una nueva fase de la ciencia que nos ha aportado, por ejemplo y ahora que está tan de moda, el LHC.

A lo largo del siglo XIX también se hicieron los mayores avances de la historia en el estudio del Electromagnetismo de mano de Michael Faraday, y ya hacia finales del mismo se consideraba que la Física ya no tenía mucho más que explicar: la existencia del éter gláctico, las emisiones de radiaciones nucleares y el porqué la corriente eléctrica era continua si la materia estaba cuantizada.

En esta época también se descubrió que todas las cargas eran múltiplos de una cantidad determinada (1,6 x 10^-19 C), y como esa diminuta unidad de carga indivisible era la responsable del electromagnetismo, se la denominó electrón.

El mismo problema radicaba en la luz, que si bien había sido demostrada su capacidad ondulatoria con los experimentos de la Doble Rendija de Young, todavía nadie había sido capaz de explicar la reflexión o la refracción de la misma.

Tras haber estudiado muy a fondo este tema, Albert Einstein explicó en 1905 que la luz también estaba cuantificada y que era emitida en pequeños paquetes luminosos llamados fotones. Esta conferencia, en la que también enunció sus postulados de la Teoría de la Relatividad, le valió el Premio Nobel de la Física.

Más tarde, en 1909, Ernest Rutherford se dedicó a estudiar a fondo las propiedades de los átomos, llegando a conclusiones ya completamente ciertas. Su experimento consistió en bombardear núcleos atómicos con partículas α, de las que ya hablaremos. Apartir de sus bombardeos concluyó que la corteza de los átomos estaba ocupada por capas de electrones de carga negativa, mientras que en el núcleo residían las cargas positivas.

Y sabiendo ya la estructura de la corteza del átomo, en 1922 el conocido físico Arthur Compton, en un experimento bombardeando electrones con haces de fotones, descubrió que éstos rebotaban con menos energía de la que llevaban en el impacto, fenómeno conocido como Efecto Compton, y cuya importancia procedo a explicar.

Según explicó pocos años antes Max Planck, la energía de las ondas era directamente proporcional a la frecuencia de las mismas, o lo que es lo mismo, la velocidad con la que oscilaban. Su ecuación tenía el siguiente aspecto:

, donde “h” sería la constante de Planck (6,62 x 10^-34 kg m^2 / s), y “ν” la frecuencia. Cuanta mayor fuese la energía los colores con los que se percibirían la misma seguirían la siguiente estructura: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil, violeta, ultravieleta, etc.

Ahora bien, en el Efecto Compton tenemos una onda “E = h ν”, que tras chocar con los electrones pierde una energía “E0 = h ν”, conocida como trabajo de extracción. Y después de esto lo más importante es que los electrones que salen disparados llevan una energía cinética:

¿Dónde está la importancia? Pues en que la energía cinética es una propiedad de los corpúsculos materiales, como su propia fórmula indica:

, y que la energía de onda es una propiedad de las ondas. Sin embargo, las alteraciones en una de ellas afectan a la otra. Existe una correlación onda-corpúsculo.

Y es aquí, finalmente, donde la respuesta a la gran incógnita de la luz cobra sentido: ni es una onda ni es un conjunto de partículas, es todo ello a la vez. La materia tiene frecuencia y longitud de onda, y las ondas tienen algo de masa. Esta relación, ya perfectamente aceptada en la física moderna, ya habría sido perfectamente predicha por la Teoría General de la Relatividad de Einstein:

La demostración es simple. Tenemos la ecuación de energía de las ondas, en este caso lumínicas:

Conocemos también que la frecuencia “ν” se define por:

(velocidad de la luz dividida entre la longitud de onda).

Sustituyendo en la primera fórmula:

Aplicando ahora la ecuación de Einstein:

Y el resultado es el siguiente:

Es decir, la masa de, por ejemplo un haz lumínico, es igual a la constante de Planck dividida entre el producto de la velocidad de la luz por la longitud de la onda del haz. Si hacéis los cálculos comprobaréis que es una cantidad de masa súmamente pequeña.

Visto esto, continuamos con Niels Bohr, el siguiente científico importante en el estudio de la corteza del átomo. Sus estudios se centraron, sobre todo, en explicar cómo se estructuraban los electrones alredor del núcleo atómico, cosa que hizo a través de experimentos con el átomo de hidrógeno y su expectro.

Según habían experimentado, cada nube electrónica iluminada, según el átomo al que perteneciera, reflejaba una imagen diferente a la que denominaron expectro, lo que llevaba a pensar que la distribución de los electrones era diferente para cada uno de ellos. Los experimentos de Bohr son casi todos fotogramas, por lo que no voy a explicarlos, aunque está bien saber que los siguientes enunciados surgieron a partir de ellos: los electrones se mueven en distintos niveles cuánticos de energía alrededor del átomo, cuando la energía del electrón aumenta se alejas más del núcleo, cuando la anergía del electrón disminuye se aproxima más a él emitiendo luz, cada nivel de energía puede estar compuesto de uno o más orbitales cuánticos, el número de orbitales de cada tipo que tiene cada nivel de energía está cuantizado también, cada orbital asume un número máximo de dos electrones, los electrones procurarán ocupar siempre los orbitales de los niveles de energía más próximos al núcleo, tendrán preferencia los niveles de energía más bajos, dentro de un nivel de energía, tendrán preferencia los orbitales vacíos, y dentro de cada orbital cada electrón se mueve con un momento angular diametralmente opuesto a su complementario. Así de golpe puede parecer un poco complicado, pero leído con calma es fácil de entender, y además es probable que ya supiéseis todo esto.

Conocida ya la corteza del átomo, a los físicos solo les faltaba estudiar el núcleo del mismo, pero pronto se toparon con un problema que ninguno de ellos habría sido capaz de vaticinar con antelación. En cuanto un súpermicroscopio intentaba enfocar el núcleo del átomo, éste era iluminado con fotones que alteraban sus partículas interiores, dejando como imagen una nube borrosa. Si intentaban iluminar el átomo con haces de luz más pequeños, su facultad ondulatoria se hacía más notoria y llegaban varias imágenes superpuestas en el mismo punto. Y aparece aquí la constante cuántica, es decir, la cifra que indica en qué momento la característica material de los cuerpos es tan pequeña que pasan a dejar lugar a sus facultades ondulatorias. Ante semejante problema, lo único que pudieron hacer (hasta hoy) fue enfocar esto como un nuevo tipo de ciencia que se conoce por una gran cantidad de nombres: Física Estadística por aquéllo de que solo se pueden calcular las probabilidades de que una electrón esté en un lugar concreto, Física o Mecánica Cuántica porque estudia los movimientos de las partículas cuantizadas, y Física de Altas Energías por motivos que veremos en capítulos venideros.

La constante cuántica marcaba el límite definitivo de la Mecánica Clásica. El enunciado “esto está aquí” pasaba a ser “la probabilidad de que esto este aqui es del 99%”.

Surgen así las dos ecuaciones más simples de Werner Heisenberg a principios de los 30, que delimitan hasta qué punto es posible experimentar con micropartículas. Por un lado, está la fórmula (demostrada) de que cuanto mejor conozcamos la posición del electrón, peor conoceremos su momento lineal (dirección, sentido y velocidad), y viceversa:

El producto de la incertidumbre en la medida del momento lineal y la incertidumbre en la medida de la posición siempre es mayor que la constante de Planck.

Solo un último apunte antes de dejarlo por hoy, la palabra átomo (no-partes), que hoy en día sabemos que está mal asignada, se le conserva a la unidad de la química por recuerdo a Dalton e incluso por no tener que tomarse la molestia de renombrar todo lo que ya estaba nombrado desde un siglo atrás.

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10 Responses to “El estudio “moderno” de la materia: modelos atómicos de John Dalton, Ernest Rutherford y Niels Bohr, origen de la Física o Mecánica Cuántica, Efecto Compton, dualidad onda-corpúsculo (II), Principio de Incertidumbre de Werner Heisenberg”
  1. laura dice:

    es interesante

  2. Nico dice:

    muy buena información…

  3. Shuli dice:

    espectacular!
    mue complejo interesante y afectuoso
    es una comprobacion mui sastifactoria
    que rebela impotentes descargas sobre
    la matricula que hoy llamamos atomos
    agentes y la verdad esta pagina hace
    mucho incapie en las normas failitadas
    de la inoportunidad de el que esta leyendo este dialogo pueda deducir si mi inscripto(texto) tiene la minima posibilidad de contener una oportunidad
    para provar si tiene sentido.

  4. PUES ESTO ME PARESE SUPER ANTIGUO PERO ESTA ASTA BACANA LA INFORMACION QUE ENCONTRE

  5. sandra dice:

    me parece super bien me refiero al como explican todo aquello de los atomos y cosas hasy en lo particular hacen un buen trabajo personal

  6. Kondoriano2 dice:

    Gracias por compartir conocimientos :D, solo una duda, ¿en que trabajas? =)

    “En el CERN :D”

    • Adrián dice:

      Por ahora sólo soy estudiante, como podrás leer en “sobre el blog”. Tengo pendiente hacer una sección “sobre mí”, que veo que hace falta :)
      Aunque bueno, por trabajar, doy clases de apoyo a chicos de instituto.

  7. noemi dice:

    interesante un poco antiguo pero me ayudo a entender mejor grasias

  8. jossephany dice:

    mucha informacion de john dalton esta muy interesante este trabajo

Preguntas, correcciones y debate son bien recibidos.

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