TEORIA CUNTICA Y ESTRUCTURA ATMICALa Teora Cuntica es uno de los
pilares fundamentales de la Fsica actual. Recoge un conjunto de
nuevas ideas introducidas a lo largo del primer tercio del siglo XX
para dar explicacin a procesos cuya comprensin se hallaba en
conflicto con las concepciones fsicas vigentes. Su marco de
aplicacin se limita, casi exclusivamente, a los niveles atmico,
subatmico y nuclear, donde resulta totalmente imprescindible. Pero
tambin lo es en otros mbitos, como la electrnica, en la fsica de
nuevos materiales, en la fsica de altas energas, en el diseo de
instrumentacin mdica, en la criptografa y la computacin cunticas, y
en la Cosmologa terica del Universo temprano. La Teora Cuntica es
una teora netamente probabilista: describe la probabilidad de que
un suceso dado acontezca en un momento determinado, sin especificar
cundo ocurrir. A diferencia de lo que ocurre en la Fsica Clsica, en
la Teora Cuntica la probabilidad posee un valor objetivo esencial,
y no se halla supeditada al estado de conocimiento del sujeto, sino
que, en cierto modo, lo determina. Por Mario Toboso.
1.1 Base experimental de la teora cuntica BASE EXPERIMENTAL DE
LA TEORIA CUANTICATeora fsica basada en la utilizacin del concepto
de unidad cuntica para describir las propiedades dinmicas de las
partculas subatmicas y las interacciones entre la materia y la
radiacin.Las bases de la teora fueron sentadas por el fsico alemn
Max Planck, que en 1900 postul que la materia slo puede emitir o
absorber energa en pequeas unidades discretas llamadas cuantos.
Otra contribucin fundamental al desarrollo de la teora fue el
principio de incertidumbre, formulado por el fsico alemn Werner
Heisenberg en 1927 y afirmaba que no es posible especificar con
exactitud simultneamente la posicin y el momento lineal de una
partcula subatmica.Los qumicos del siglo pasado saban bien que el
hidrgeno era el elemento ms ligero y que su tomo sera el ms simple:
en el modelo planetario un electrn con carga e dara vueltas atrado
elctricamente por el primero de los ncleos, el protn.La ecuacin de
la mecnica cuntica, llamada ecuacin de Schrdinger, puede resolverse
en este caso y a su solucin se le llama la funcin de onda y,
relacionada con la probabilidad de encontrar al electrn en
distintos puntos del espacio que rodea al protn.
1.1.1 Radiacin del cuerpo negro y Teora de Planck El trmino
radiacin se refiere a la emisin continua de energa desde la
superficie de cualquier cuerpo, esta energa se denomina radiante y
es transportada por las ondas electromagnticas que viajan en el
vaco a la velocidad de 3108m/s. Las ondas de radio, las radiaciones
infrarrojas, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los
rayos gamma, constituyen las distintas regiones del espectro
electromagntico.Propiedades de la superficie de un cuerpoSobre la
superficie de un cuerpo incide constantemente energa radiante,
tanto desde el interior como desde el exterior, la que incide desde
el exterior procede de los objetos que rodean al cuerpo. Cuando la
energa radiante incide sobre la superficie una parte se refleja y
la otra parte se transmite.Consideremos la energa radiante que
incide desde el exterior sobre la superficie del cuerpo. Si la
superficie es lisa y pulimentada, como la de un espejo, la mayor
parte de la energa incidente se refleja, el resto atraviesa la
superficie del cuerpo y es absorbido por sus tomos o molculas.Sires
la proporcin de energa radiante que se refleja, yala proporcin que
se absorbe, se debe de cumplir quer+a=1.
La misma proporcinrde la energa radiante que incide desde el
interior se refleja hacia dentro, y se transmite la
proporcina=1-rque se propaga hacia afuera y se denomina por tanto,
energa radiante emitida por la superficie.En la figura, se muestra
el comportamiento de la superficie de un cuerpo que refleja una
pequea parte de la energa incidente. Las anchuras de las distintas
bandas corresponden a cantidades relativas de energa radiante
incidente, reflejada y transmitida a travs de la superficie.
Comparando ambas figuras, vemos que un buen absorbedor de
radiacin es un buen emisor, y un mal absorbedor es un mal emisor.
Tambin podemos decir, que un buen reflector es un mal emisor, y un
mal reflector es un buen emisor.Una aplicacin prctica esta en los
termos utilizados para mantener la temperatura de los lquidos como
el caf. Un termo tiene dobles paredes de vidrio, habindose vaciado
de aire el espacio entre dichas paredes para evitar las perdidas
por conduccin y convencin. Para reducir las prdidas por radiacin,
se cubren las paredes con una lmina de plata que es altamente
reflectante y por tanto, mal emisor y mal absorbedor de radiacin.El
Cuerpo Negro
La superficie de un cuerpo negro es un caso limite, en el que
toda energa incidente desde el exterior es absorbida, y toda la
energa incidente desde el interior es emitida. No existe en la
naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1%
de la energa incidente. Sin embargo, un cuerpo negro se puede
sustituir con gran aproximacin por una cavidad con una pequea
abertura. La energa radiante incidente a travs de la abertura, es
absorbida por las paredes en mltiples reflexiones y solamente una
mnima proporcin escapa (se refleja) a travs de la abertura. Podemos
por tanto decir, que toda la energa incidente es absorbida.La
Radiacin del Cuerpo Negro Consideremos una cavidad cuyas paredes
estn a una cierta temperatura. Los tomos que componen las paredes
estn emitiendo radiacin electromagntica y al mismo tiempo absorben
la radiacin emitida por otros tomos de las paredes. Cuando la
radiacin encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con
los tomos de las paredes, la cantidad de energa que emiten los
tomos en la unidad de tiempo es igual a la que absorben. En
consecuencia, la densidad de energa del campo electromagntico
existen en la cavidad es constante.A cada frecuencia corresponde
una densidad de energa que depende solamente de las temperaturas de
las paredes y es independiente del material del que estn hechas. Si
se abre un pequeo agujero en el recipiente, parte de la radiacin se
escapa y se puede analizar. El agujero se ve muy brillante cuando
el cuerpo est a alta temperatura, y se ve completamente negro a
bajas temperaturas.
Teora de PlanckCuando losslidosse someten acalentamiento,
emitenradiacinelectromagnticaque abarca una amplia gama de
longitudes de onda. Laluz rojizatenue de uncalentador elctricoo
laluz blanca brillantede una lmpara de tungstenoson algunos
ejemplos deradiacinque emiten los slidos calentados.Las
medicioneshechas en la ltima parte del siglo XIX, mostraron que la
cantidad de energa radiante que emita un objeto a una
ciertatemperatura, dependa de su longitud de onda. Sin embargo, la
explicacin de esta dependencia con la teora ondulatoria establecida
y con las leyes de latermodinmicano era del todo satisfactoria. Una
de las teoras explicaba la dependencia de la longitud de onda corta
pero no la delongitudes de onda ms largas. Otra teora explicaba la
dependencia de longitudes ms largas, pero no la de las cortas. Era
como si faltara algo fundamental en las leyes de la fsica
clsica.Planckresolvi el problema con una suposicin que se apartaba
en forma radical de los conceptos establecidos. La fsica clsica
asuma quelos tomos y las molculasemitan (o absorban) cualquier
cantidad arbitraria de energa radiante. En cambio, Planck propona
que los tomos y las molculas emitan (o absorban) energa slo
encantidades discretas, como pequeos paquetes o cmulos. A la mnima
cantidad de energa que se poda emitir (o absorber) en forma de
radiacinelectromagntica, Planck la llam cunto. Laenerga Ede slo un
cuanto de energa est dada porE= hv
Donde h es la constante de Planck, cuyo valor es de 6.63 X
10~34J s, y v es la frecuencia de la radiacin.De acuerdo con
lateora cuntica, la energa siempre se emite en mltiplos de hv, por
ejemplo, hv, 2hv,
