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Relacin e Influencia de la Mecnica Cuntica en la
Electrnica y la Sociedad
Abarca, ngel Carballo, Luis
Castellanos, Luis Gonzlez, Claudia
Resumen- Este trabajo documenta la influencia que tiene la
mecnica cuntica
para el desarrollo de la electrnica. Se
describen los descubrimientos y teoras
trascendentes en fsica (as como sus
autores y principales tericos) que ms
adelante se transformaron en aplicaciones
prcticas para la electrnica, ya sea para
el desarrollo y fabricacin de dispositivos
como el diodo o transistor o stos en
conjunto con otras reas en la invencin y
evolucin de aparatos para su uso en la
milicia, medicina, ingeniera, transporte o
simple entretenimiento. El anlisis incluye
antecedentes histricos sobre el
descubrimiento de rayos x y sus
aplicaciones a la medicina gracias al
trabajo de Wilhelm Conrad Rntgen, la
bomba atmica para usos militares
(aunque inicialmente fue en la dcada de
los 30s cuando la investigacin nuclear
es utilizada para la generacin de energa
elctrica por medio de la fisin con
aportaciones desde el siglo XIX de los
Curie), bulbos, rayos catdicos y el
microscopio, entre otros. Se describe con
ms detalle los efectos fsicos que son
utilizados para el transistor y cmo su
desarrollo en la segunda mitad del siglo
XX han revolucionado la tecnologa.
Finalmente el equipo que realiza este
trabajo hace aportaciones individuales
para concluir con el tema y poner a
discusin el presente y futuro de la
electrnica.
NDICE DE TRMINOS- Electrn,
Electrnica, campo electromagntico,
Mecnica Cuntica, onda-partcula,
tecnologa, transistor.
I. INTRODUCCIN
La mecnica cuntica desde su
nacimiento cambio el conocimiento de
los objetos. Con el esfuerzo de en
conjunto de fsicos y matemticos
(posteriormente ingenieros) cre un gran
impacto sobre la vida cotidiana. Las
ideas que sta aport la teora cuntica
sobre la fsica, que se pensaba que
explicaba todos los fenmenos
existentes sobre la naturaleza, son
contrarias e inslitas al sentido comn y
requera la capacidad de abstraccin.
Con la mecnica cuntica se produjo un
salto tecnolgico que se puede ver
sobre la vida cotidiana solucionando
problemas de sta sin la mayora de las
veces tener conciencia sobre ello. Como
lo son los transistores presentes en una
infinidad de dispositivos que se dio bajo
el cumplimiento de leyes de la teora
cuntica, al igual que el desarrollo de
materiales en los que se juega un papel
importante para su diseo y obtencin.
Tan sorprendente es la teora cuntica
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que no se limita a la tecnologa sino que
tambin incide profundamente sobre la
propia ciencia y la sociedad misma, un
ejemplo de ello son los sistemas
electrnicos fundamentos de la
computacin que luego, en combinacin
con las telecomunicaciones, se utilizan
para la comunicacin de personas de
diferentes regiones y continentes en
medios y redes sociales que cambiaron
el estilo de vida, sobretodo de las
generaciones ms jvenes de los ltimos
15 aos.
II. DESARROLLO DE LA
MECNICA CUNTICA
En el siglo XX una revolucin cientfica
en el campo de la fsica en bsqueda de
respuestas en 1895 con el
descubrimiento de los rayos X por
Wilhelm Conrad Rntgen que se dio
aplicacin en el campo de la medicina,
seguido por Henri Becquerel en 1896
sobre la emisin espontanea de
radiacin invisible y penetrante del
uranio, en 1897 Joseph John Thomson
descubre el electrn y en 1900 nace la
teora cuntica con la resolucin del
problema cuerpo negro por Max Planck
al definir el quantum de energa.
El impacto que ha tenido el
descubrimiento de la Mecnica Cuntica
en cuanto a la sociedad es impresionante
gracias al fruto y esfuerzo de los
cientficos que contribuyeron a su
desarrollo, que son las figuras que
influyen actualmente en nuestra vida.
Personajes destacables ce un conjunto
de fsicos y matemticos entre los que
destacan: Planck, Rntgen, Becquerel,
Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrdinger,
Rutherford,Dirac, entre otros han
cambiado el mundo completamente.
Con sus orgenes en el siglo XX la obra
de abstraccin de Piet Mondrian cambia
el conocimiento de objetos ms
pequeos, este es muy similar al de la
ciencia con la mecnica cuntica en el
que se descarta a la experiencia como
una gua ya que los fenmenos de dan a
escalas muy pequeas.
Con la inquietud del hombre sobre la
materia y como se encuentra constituida
y con el descubrimiento de los rayos X
por Wilhelm Rntgen en 1895 que da
inicio su aplicacin sobre la medicina se
tiene evidencias sobre su existencia. Al
igual que el descubrimiento de la
emisin de radiacin del uranio por Henri
Becquerel que a futuro con fines militares
se da los principios para la creacin de la
bomba atmica.
Con el descubrimiento del electrn por
Joseph John Thomson, en el que para
descubrir el electrn y medir su
coeficiente de carga elctrica en su masa
utilizando el principio: Si una partcula se
mueve en presencia de un campo
elctrico y uno magntico por la
presencia de ambos por medio de la
creacin de un campo elctrico con una
batera y el magntico de una bobina con
relacin a las direcciones de las fuerzas
sobre la partcula, se logra seleccionarla
de acuerdo a la velocidad. Demostrando
que los rayos catdicos se encuentran
constituidos por cargas elctricas
negativas.
En 1900 con la definicin del quantum de
energa por medio de la resolucin del
problema cuerpo negro, quien comunico
la hiptesis de que la radiacin
electromagntica es absorbida y emitida
por la metera en forma de cuantos de
luz o fotones de energa. Albert Einstein
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en 1905 da la explicacin del efecto
fotoelctrico, en el que la luz al incidir
sobre el metal arranca electrones,
cuando se tiene una frecuencia mayor a
un valor umbral donde retoma el
concepto de quantum. Posteriormente en
1907 explica la capacidad calorfica de
un cuerpo depende de la temperatura.
Con las especulaciones de carga sobre
el tomo en 1911 Ernest Rutherford con
el experimento del lanzamiento de haz
de partculas descubre el ncleo atmico,
en el que su tamao es mucho menor
que el espacio entre los electrones,
despus basado en la teora de Planck y
datos experimentales de los espectros
del tomo de hidrogeno construye el
modelo atmico de Bohr. Posteriormente
con la idea de que la energa se
intercambia en mltiplos de una cantidad
mnima, el quantum Niels Bohr construyo
el modelo atmico, veinte aos despus
Gustav Hertz y James Franck
demuestran el efecto de absorcin de
energa se da en mltiplos de una
cantidad mnima.
Mecnica terica
Con la consolidacin de la mecnica
cuntica surgen dos descripciones
matemticas independientes pero
equivalentes: la mecnica matricial por
Werner Heisenberg en 1925 y la
mecnica ondulatoria por Erwin
Schrdinger en 1926, constituyendo la
teora. Tiempo despus fueron unificadas
en unificadas en una formulacin
matemtica por el fsico Paul Dirac.
A partir de 1930 la mecnica cuntica se
aplic con mucho xito a problemas
relacionados con ncleos atmicos,
molculas y materia en estado slido. La
mecnica cuntica hizo posible
comprender un extenso conjunto de
datos, de otra manera enigmticos. Sus
predicciones han sido de una exactitud
notable. Ejemplo de esto ltimo es la
increble precisin de 17 cifras
significativas del momento magntico del
electrn calculadas por la EDC
(Electrodinmica Cuntica) comparadas
con el experimento.
La mecnica cuntica levant la dualidad
onda-partcula, mostrando que las
partculas microscpicas (electrones,
tomos, etc.). La dualidad onda-partcula
en el campo electromagntico
desaparece al hacer una teora cuntica
del mismo. Es de hacer notar que el
comportamiento ondulatorio de los
electrones contenido en la mecnica
cuntica dio origen al microscopio
electrnico construido por primera vez
por Ernst Ruska en Berln en la primera
mitad de la dcada del 30. Otro hecho
tpicamente cuntico tambin merece
mencin por sus aplicaciones cientfico-
tecnolgicas: el efecto tnel. El nombre
proviene de lo siguiente. Si se suelta una
bolilla junto a la pared interna de un
recipiente semiesfrico, la misma sube
del lado opuesto hasta aproximadamente
la misma altura desde la que se la solt;
por razones de conservacin de energa,
la bolilla no puede escapar del recipiente.
Pero cuando se trata de una partcula
gobernada por las leyes de la mecnica
cuntica, la misma tiene una probabilidad
no nula de estar fuera del recipiente.
Hablando clsicamente es como si
hubiera cavado un tnel a travs de la
pared del recipiente. La primera
aplicacin prctica de esto fue el diodo
de efecto tnel, uno de los dispositivos
que revolucion la electrnica. Ms
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recientemente, en la primera mitad de la
dcada del 80, los cientficos Gerd
Birnning y Heinrich Roher, del
Laboratorio de Investigacin de la IBM en
Zurich, inventaron el microscopio de
efecto tnel, un ultramicroscopio que casi
permite "ver" los tomos. Recibieron el
Premio Nobel por ello en 1986,
compartindolo con Ruska por su invento
del microscopio electrnico medio siglo
antes (Robinson, 1986).
III. EVOLUCIN A LA
ELECTRNICA Y
APLICACIONES.
Las aplicaciones del conocimiento
prctico o cientfico se conocen como
tecnologas. La transicin tecnolgica, o
ms bien revolucin, que se est
desarrollando hoy en da, es sin duda la
asociada con la computadora y la
tecnologa informtica a que ha dado
lugar. La enorme capacidad de
almacenar, acceder, manipular y
comunicar informacin digitalizada est
ya transformando nuestro entorno,
nuestro modo de vida es aspectos de
trabajo y entretenimiento, as como
nuestra estructura social, econmica y
poltica.
El inicio de la electrnica en el siglo
pasado, se bas en la utilizacin de las
compuertas electrnicas conocidas como
bulbos, posible interpretacin fontica
del vocablo ingls valve (vlvula).
Bulbos, resistencias y condensadores
integraban los circuitos electrnicos con
que se poda amplificar la emisin y la
recepcin de ondas radiofnicas,
iniciando la era de la radio y
posteriormente de la televisin.
Los bulbos, con su accin de dejar pasar
o no la corriente elctrica, permite el
diseo de circuitos que llevan a cabo
operaciones matemticas expresadas en
el sistema binario de numeracin.
A mediados del siglo XIX se da un
desarrollo tecnolgico que, cumpliendo
las mismas funciones, evita la disipacin
de energa caracterstica de los bulbos y
su tamao, impedimentos maysculos
para el desarrollo de las computadoras y
otras aplicaciones de la electrnica. Este
desarrollo es el transistor. Se inicia
entonces la llamada electrnica de
estado slido. Cabe sealar aqu que el
transistor piedra angular de la
revolucin tecnolgica actual- se origina
como aplicacin del conocimiento de la
estructura de la materia, que proporciona
la mecnica cuntica de Planck, Bohr,
Einstein, Schrdinger, De Broglie,
Heisenberg y Dirac, entre otros.
El xito inicial de la mecnica cuntica
fue explicar la estabilidad de los tomos
por la restriccin a valores discretos de la
energa que pueden asumir los
electrones que circundan el ncleo
atmico; y en particular, la existencia de
un valor mnimo que impide la cada del
electrn al ncleo y el colapso del tomo,
como lo hara si su movimiento estuviera
regido por la dinmica de Newton y la
electrodinmica de Maxwell.
Los niveles discretos que ocupan los
electrones se agrupan en bandas de
energas permitidas, separadas por
brechas prohibidas ms o menos anchas
dependiendo de la distancia entre
ncleos de la red, es decir del material
del que se trate. Los electrones de la red
ocupan la banda de valencia. Si se les
comunica energa aplicando un voltaje,
estos pueden o no pasar a la banda
siguiente, llamada de conduccin,
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dependiendo del tamao de la brecha.
Surge as la explicacin del porqu
algunos materiales son buenos
conductores de electricidad; las bandas
de valencia y de conduccin se traslapan
y por lo tanto es muy fcil poner a los
electrones en movimiento; y otros son
aislantes ya que la brecha es muy
grande y por lo tanto; muy difcil de
superar. Pero hay adems materiales en
que la brecha no es tan grande y puede
superarse con un voltaje moderado, por
lo que pueden entonces empezar a
conducir electricidad; se les llama
semiconductores.
Surge entonces la idea de que,
introduciendo impurezas en la red
cristalina de un semiconductor, es
factible aadir electrones que ocupen un
nivel de energa cercano a la banda de
conduccin y por consiguiente, generar y
controlar corrientes con pequeas
aplicaciones de voltajes. O bien, con
otro tipo de impurezas, colocar un nivel
de energa vaco cerca de la banda de
valencia, con lo cual se pueden excitar
electrones a ese nivel dejando huecos
equivalentes a partculas con carga
positiva y generar as una corriente
elctrica en sentido contrario.
El transistor, creado por la primera
compaa de telfonos, Bell Telephone.
Basado en el trabajo de tres fsicos de
slidos, Bardeen, Brattain y Shockley,
(Reciben el premio Nobel de fsica en
1956). Reemplaz los tubos, aportando
la posibilidad de la miniaturizacin de la
electrnica. Es un dispositivo slido que
permite controlar el paso de corriente al
igual que un bulbo, sin los
inconvenientes de tamao,
calentamiento, fragilidad y consumo
energtico.
Siguen en rpida sucesin los circuitos
impresos que almacenan nmeros
crecientes de transistores y circuitos
procesadores en chips cada vez ms
pequeas y baratas.
Los minsculos lseres de estado slido
contenidos en lectoras de discos,
lectores de barras, apuntadores, etc.
basados en mecnica cuntica.
Los materiales de desarrollo de las
ltimas dcadas, en el que la teora
cuntica indica los posibles caminos para
el diseo y obtencin.
La base de la tecnologa moderna es la
Mecnica Cuntica aplicada a la Fsica.
IV. DISCUSIN Y CONCLUSIONES
PERSONALES.
Abarca, ngel- Por lo tanto aunque la
teora cuntica se enfoca principalmente
a los niveles atmicos, subatmicos y
nucleares. Tambin se encuentra sobre
la electrnica en el estudio del
comportamiento del electrn en la
materia abarcando procesos bsicos de
operacin del lser entre otros, utilizando
principios postulados por una gran
cantidad de cientficos para el diseo de
transistores, microprocesadores y una
infinidad de componentes electrnicos
siendo el transistor uno de sus ms
grandes aportes ya que este abri las
posibilidades de la miniaturizacin.
Siendo sin duda la base de la tecnologa
moderna es la Mecnica Cuntica.
Carballo, Luis- El desarrollo ms que
nada tecnolgico y cientfico de nuestros
tiempos se ha dado por el amplio estudio
que ha tenido la fsica cuntica hasta
nuestros das. Gracias a ella se han
hecho grandes avances que en un
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tiempos posteriores tal vez parecan
inalcanzables. Ejemplos de ello es el
gran manejo y control que se ha podido
obtener sobre la electrnica, llegando
hasta la construccin de
semiconductores que ha revolucionado
en el desarrollo de ella, de igual manera
la manipulacin de las ondas
electromagnticas para transmitir
cantidades enormes de informacin sin la
necesidad de una unin fsica.
Sin los estudios de la fsica cuntica el
desarrollo tecnolgico a gran escala no
hubiese sido posible, con ella la
humanidad a logrado cosas increbles,
como el gran e inolvidable evento del
hombre en la Luna.
Castellanos, Luis- Sin duda el avance en
las ciencias desemboca a un sinfn de
inventos y aplicaciones que transforman
nuestra forma y estilo de vida- Es un
hecho la importancia de la ciencia para
mejorar el estilo de vida de las
sociedades aunque siempre el ser
humano haga mal uso del conocimiento
para explotar recursos sin conciencia o
empobrecer pases enteros.
An hay muchas teoras que hoy en da
siguen siendo ocasin de desvelo para
llevarlos a mecanismos concretos que
solucionen nuevos retos, incluso hay
tecnologas que sabemos slo son de
transicin pues esta la promesa latente
de lo nuevo, eficiente, seguro y constante
por ejemplo la bsqueda de tecnologas
de confinamiento para reactores de
fusin nuclear que generen energa
limpia, sin repercusiones para el planeta.
La electrnica seguir utilizando las
actualizaciones de la mecnica cuntica
e incluso las teoras de la relatividad
donde conceptos como tiempo-espacio
no son absolutos. Ya se ha dado el caso
del uso de tecnologa relativista para
medir el viaje en el tiempo de un
cosmonauta ruso que viajo .02 [s] al
futuro mientras haca una caminata
espacial.
Gonzlez, Claudia- La fsica cuntica
comenz a desarrollarse con el concepto
formulado por Planck, el quantum.
Posteriormente Einstein explic,
retomando las frmulas e hiptesis de
Planck, que la luz est formada por
pequeos paquetes de energa llamados
cuantos y que al incidir sobre un material
ste libera electrones dependiendo de la
intensidad de la luz. Con este desarrollo
y otras aportaciones, hubo ms formas
de producir energa y a su vez de
conocer la estructura y comportamiento
de los tomos en un material o elemento.
La interaccin de los electrones con los
tomos de otros elementos produce
diferentes tipos de energa y a su vez es
aprovechada para diferentes
aplicaciones.
Despus de la invencin del bulbo, se
inici la investigacin de los materiales
semiconductores, ya que en estos
materiales se poda controlar el paso de
corriente. La invencin de los transistores
fue un gran paso en la tecnologa porque
se pudo miniaturizar la utilidad del bulbo
e inventar microprocesadores que a la
fecha se utilizan para la creacin de
equipos computarizados. Hasta la fecha
estos componentes se han miniaturizado
cada vez ms que se inicia la tecnologa
de los nanoprocesadores.
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V. APNDICE
Visita al museo de ciencia UNIVERSUM
Figura 1.- Bulbo y transistor
Figura 2.-Espectrodifractmetro
Figura 3.- Cartel de aplicaciones de la
mecnica cuntica.
VI. REFERENCIAS
Leopoldo Garca-Coln Scherer, Mariano
Bauer. Mecnica cuntica: orgenes y
algunas aplicaciones El colegio
nacional Mxico 2006
Jos Mara rias, El desarrollo de la
fsica cuntica Departamento de Fsica
Atmica, Molecular y Nuclear,
Universidad de Sevilla
http://www.santiagoapostol.net/revista05/
fisica.html
Lpez Vieyra Juan C. Introduccin a la
Mecnica Cuntica, Instituto de Ciencias
Nucleares de la UNAM
http://www.nucleares.unam.mx/~vieyra/
