TEORÍA ATOMICA

MAX PLANCK Y LA TEORÍA DE LOS CUANTOS

Max Karl Ernst Ludwig Planck nació el 23 abril de 1858, Alemania y falleció el 4 de octubre de 1947, en Göttingen. Fue premiado con el Nobel y considerado el creador de la teoría cuántica. Albert Einstein dijo: "Era un hombre a quien le fue dado aportar al mundo una gran idea creadora". De esa idea creadora nació la física moderna.

Planck estudió en las universidades de Munich y Berlín. Fue nombrado profesor de física en la Universidad de Kiel en 1885, y desde 1889 hasta 1928 ocupó el mismo cargo en la Universidad de Berlín.

A lo largo del año 1900 logró deducir dicha ley de los principios fundamentales de la termodinámica, para lo cual partió de dos suposiciones: por un lado, la teoría de L. Boltzmann, según la cual el segundo principio de la termodinámica tiene carácter estadístico, y por otro, que el cuerpo negro absorbe la energía electromagnética en cantidades indivisibles elementales, a las que dio el nombre de quanta (cuantos).

Los descubrimientos de Planck, que fueron verificados posteriormente por otros científicos, fueron el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron los cimientos para la investigación en campos como el de la energía atómica.

Max Planck hizo descubrimientos brillantes en la física que revolucionaron la manera de pensar sobre los procesos atómicos y subatómicos.

TEORIA DE PLANCK DE LOS CUANTOS:

Descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce como la constante de Planck; establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal. Sus descubrimientos, sin embargo, no invalidaron la teoría de que la radiación se propagaba por ondas. Los físicos en la actualidad creen que la radiación electromagnética combina las propiedades de las ondas y de las partículas.

La teoría de los cuantos representa con exactitud la distribución espectral de la energía para la radiación del llamado cuerpo negro. Para llegar a este resultado tuvo que admitir que los electrones no podían describir movimientos arbitrarios, sino tan sólo determinados movimientos privilegiados y, en consecuencia, que sus energías radiantes se emitían y se absorbían en cantidades finitas iguales, es decir, que estaban cuantificadas.

La hipótesis cuántica de Planck supuso una revolución en la física del siglo XX, e influyó tanto en Einstein (efecto fotoeléctrico) como en N. Bohr (modelo de átomo de Bohr). El primero concluyó,

en 1905, que la única explicación válida para el llamado efecto fotoeléctrico consiste en suponer que en una radiación de frecuencia determinada la energía se concentra en corpúsculos (cuantos de luz, conocidos en la actualidad como fotones) cuyo valor es igual al producto de la constante de Planck por dicha frecuencia. A pesar de ello, tanto Planck como el propio Einstein fueron reacios a aceptar la interpretación probabilística de la mecánica cuántica (escuela de Copenhague). Sus trabajos fueron reconocidos en 1918 con la concesión del Premio Nobel de Física por la formulación de la hipótesis de los cuantos y de la ley de la radiación.

J.J.THOMPSOM Y SU MODELO ATOMICO

Thompson nació en 1856 en Cheetham Hill, un distrito

de Mánchester en Inglaterra, y tenía ascendencia escocesa. En 1870

estudió ingeniería en el Owens College, hoy parte de la Universidad de

Mánchester, y se trasladó al Trinity College de Cambridge en 1876. En

1880, obtuvo su licenciatura en Matemáticas (Segunda Wrangler y

segundo premio Smith) y MA (obteniendo el Premio Adams) en 1883.

En 1884 se convirtió en profesor de Físicaen Cavendish. Uno de sus

alumnos fue Ernest Rutherford, quien más tarde sería su sucesor en el

puesto.

En 1890 se casó con Rose Elizabeth Paget, hija de Sir Edward George

Paget, KCB, un médico, y en ese entonces Regius Profesor de Medicina (Regius Professor of Physic)

en Cambridge. Con ella, fue padre de un hijo, George Paget Thompson, y una hija, Joan Paget

Thompson. Su hijo se convirtió en un destacado físico, quien a su vez fue galardonado con el

Premio Nobel de Física en 1937 por demostrar las propiedades de tipo ondulatorio de los

electrones.

J.J. Thompson fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1906, "en reconocimiento de los

grandes méritos de sus investigaciones teóricas y experimentales en la conducción de la

electricidad generada por los gases." Fue nombrado caballero en 1908 y nombrado en la Orden del

Mérito en 1912. En 1914 dio el Romanes Lecture en Oxford sobre "La teoría atómica". En 1918 fue

nombrado Rector del Trinity College de Cambridge, donde conoció a Niels Bohr, donde

permaneció hasta su muerte. Murió el 30 de agosto de 1940 y fue enterrado en la Abadía de

Westminster, cerca de Sir Isaac Newton.

Thompson fue elegido Miembro de la Royal Society el 12 de junio de 1884, y posteriormente fue el

presidente de la Royal Society de 1915 a 1920.

MODELO ATÓMICO DE THOMPSON   :

El modelo atómico de Thompson es una teoría sobre la estructura atómica propuesta en 1904 por Joseph John Thomson, quien descubrió el electrón1 en 1898, mucho antes del descubrimiento del protón y del neutrón. En dicho modelo, el átomo está compuesto por electrones de carga

negativa en un átomo positivo, como un pudin de pasas.2 Postulaba que los electrones se distribuían uniformemente en el interior del átomo suspendido en una nube de carga positiva. El átomo se consideraba como una esfera con carga positiva con electrones repartidos como pequeños gránulos. La herramienta

principal con la que contó Thompson para su modelo atómico fue la electricidad.

Representación esquemática del modelo de Thompson. Esfera completa de carga positiva con electrones incrustados.

MILLIKAN Y EL EXPERIMENTO DE LA GOTA DE ACEITE

Nació el 22 de marzo de 1868 en Morrison (Illinois). Hijo de un clérigo con

una familia numerosa.

Siendo estudiante de segundo año en el Oberlin College, dio clases de física.

Cursó estudios en las universidades de Columbia, Berlín y Göttingen. Dio

clases en la Universidad de Chicago en 1896, en 1910 fue profesor de física.

En 1921 es director del laboratorio Norman Bridge de física en el Instituto de

tecnología de California.

En el año 1923 es galardonado con el Premio Nobel de Física por los experimentos con los

que midió la carga de un electrón, comprobando que la carga solamente existe como múltiplo de

esa carga elemental. Además realizó investigaciones de los rayos cósmicos (se conocen también

con el nombre de rayos Millikan), los rayos X, y la determinación experimental de la constante

de Planck.

Robert Andrews Millikan falleció en San Marino, California, el 19 de diciembre de 1953.

EXPERIMENTO DE LA GOTA DE ACEITE  

El experimento de la gota de aceite fue un experimento realizado por Robert Millikan y Harvey

Fletcher en 1909 para medir la carga elemental (la carga del electrón).

Este experimento implicaba equilibrar la fuerza gravitatoria hacia abajo con la flotabilidad hacia

arriba y las fuerzas eléctricas en las minúsculas gotas de aceite cargadas suspendidas entre

dos electrodos metálicos. Dado que la densidad del petróleo era conocida, las masas de las “gotas

", y por lo tanto sus fuerzas gravitatorias y de flotación, podrían determinarse a partir de sus radios

observados. Usando un campo eléctrico conocido, Millikan y Fletcher pudieron determinar la

carga en las gotas de aceite en equilibrio mecánico. Repitiendo el experimento para muchas gotas,

confirmaron que las cargas eran todas múltiplos de un valor fundamental, y calcularon que es

1,5924|(17).10-19 C, dentro de un uno por ciento de error del valor actualmente aceptado de

1,602176487|(40).10-19 C. Propusieron que ésta era la carga de un único electrón.

NIELS BOHR: SUS MODELOS Y POSTULADOS

Nació en Copenhague, hijo de Christian Bohr, un devoto luterano y

catedrático de Fisiología en la Universidad de la ciudad, y Ellen Adler,

miembro de una adinerada familia judía de gran importancia en la

banca danesa y en los «círculos del Parlamento». Tras doctorarse en

la Universidad de Copenhague en 1911, e intentar la ampliación de

estudios en el Cavendish Laboratory deCambridge con el

químico Joseph John Thomson, descubridor del electrón (el tema de la

tesis doctoral de Bohr) y premio Nobel 1906, quien no mostró un gran

interés en el joven Bohr, completó sus estudios en Mánchester,

teniendo como maestro a Ernest Rutherford, con el que estableció una

duradera relación científica y amistosa.

En 1916, Niels Bohr comenzó a ejercer como profesor de física teórica en la Universidad de

Copenhague, consiguiendo los fondos para crear el Instituto Nórdico de Física Teórica, que dirigió

desde 1920 hasta su fallecimiento.

En 1943, con la 2ª Guerra Mundial en pleno apogeo, Bohr escapó a Suecia para evitar su arresto

por parte de la policía alemana, viajando posteriormente a Londres. Una vez a salvo, apoyó los

intentos angloamericanos para desarrollar armas atómicas, en la creencia de que la bomba

alemana era inminente, y trabajó para ello en el Proyecto Manhattan de Los Álamos, Nuevo

México (EE. UU.).

Después de la guerra, abogando por los usos pacíficos de la energía nuclear, retornó

a Copenhague, ciudad en la que residió hasta su fallecimiento en 1962.

Su hermano menor, Harald Bohr (1887–1951), fue igualmente un reconocido matemático, además

de futbolista olímpico[1]. El hijo de Niels, Aage Niels Bohr (1922-2009) siguió sus pasos, se formó

en el instituto que dirigía su padre, le sustituyó en la dirección (1963-1970), y obtuvo igualmente el

premio Nobel de Física, en 1975.

POSTULADOS DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR:

A partir de los estudios atómicos de Rutherford y de la teoría de la mecánica cuántica de Max Planck, estableció el modelo atómico por el que sería galardonado con el Premio Nobel en 1922. Supuso que los electrones que giraban alrededor de un núcleo central sólo podían situarse sobre determinadas órbitas, cada una de las cuales poseía un determinado nivel energético. Según él, un electrón emitía o absorbía cantidades discretas de energía (cuantos) cuando pasaba de una órbita a otra. Posteriormente realizó estudios para confirmar que en los elementos químicos con más de dos electrones, éstos se disponen en capas, siendo la más externa la que determinaba las propiedades químicas de la sustancia en cuestión.

El cada vez más evidente distanciamiento entre el mundo cotidiano y las descripciones matemáticas que se ocupan de la ordenación subatómica, que permite paradojas como el doble comportamiento de onda y de partículas en los electrones, constituyó una de las principales preocupaciones para Bohr. Ello lo impulsó a enunciar el principio de complementariedad, según el cual un fenómeno físico puede observarse desde dos puntos de vista diferentes que no se excluyen entre sí.

BOHR PROPUSO LOS SIGUIENTES POSTULADOS:

Un átomo está constituido por una carga eléctrica (núcleo) alrededor de la cual giran las electrones, en número suficiente para compensar aquella, describiendo circunferencias.

Cada electrón no puede moverse sobre una órbita cualquiera, sino solamente en aquellas en las cuales su impulso de rotación es un múltiplo entero de h/2 (h, la constante de Planck).

Cuando el electrón se mueve sobre una de sus órbitas, no irradia energía.

Un electrón puede saltar espontáneamente de una órbita a otra más cercana al núcleo. Al hacerlo, su energía disminuye en W, y esa pérdida es emitida en forma de luz.

JAMES CHADWICK Y EL DESCUBRIMIENTO DEL NEUTRÓN

James Chadwick estudió en la Universidad de Cambridge y en

la Universidad de Mánchester.

En 1913 Chadwick empezó a trabajar en el Physikalisch Technische

Reichsanstalt en Charlottenburg (Alemania) a cargo del profesor Hans

Geiger. Durante la Primera Guerra Mundial fue internado en el campo

de concentración (Zivilgefangenlager) enRuhleben, cerca de Berlín,

acusado de espionaje.

En 1932, Chadwick realizó un descubrimiento fundamental en el

campo de la ciencia nuclear: descubrió la partícula en el núcleo del

átomo que pasaría a llamarse neutrón,1 partícula que no tiene carga eléctrica.2 3 En contraste con

el núcleo de helio (partículas alfa) que está cargado positivamente y, por lo tanto, son repelidas

por las fuerzas eléctricas del núcleo de los átomos pesados, esta nueva herramienta para

la desintegración atómica no necesita sobrepasar ninguna barrera electrónica y es capaz de

penetrar y dividir el núcleo de los elementos más pesados.4 5 De esta forma, Chadwick allanó el

camino hacia lafisión del uranio 235 y hacia la creación de la bomba atómica. Como

reconocimiento por su descubrimiento, fue galardonado en 1932 con la medalla Hughes,

concedida por la Royal Society «por sus estudios sobre la anormal dispersión de la luz» y, en 1935,

con el Premio Nobel de física .6 También descubrió el tritio.

Más tarde descubrió que un científico alemán había identificado al neutrón al mismo tiempo. Sin

embargo, Hans Falkenhagen temía publicar sus resultados. Cuando Chadwick supo del

descubrimiento de Falkenhagen le ofreció compartir el Premio Nobel. Falkenhagen, sin embargo,

lo rechazó.

DESCUBRIMIENTO DEL NEUTRÓN:La tercera partícula fundamental es el neutrón, descubierto en 1932 por James Chadwick (1891-1974) al bombardear una lámina de berilio con partículas alfa, observó la emisión por parte del metal de una radiación de muy alta energía, similar a los rayos gamma. Estudios posteriores demostraron que dicha radiación estaba formada por partículas neutras (no responden a los campos eléctricos) de masa ligeramente superior a la de los protones.El descubrimiento del neutrón permitió entender la razón por la que el átomo de helio tiene una masa 4 veces superior a la del hidrógeno, conteniendo sólo dos protones. La explicación radica en la existencia de 2 neutrones en su núcleo.

LOUIS-VICTOR DE BROGLIE Y SU FUNDAMENTO DE LA DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA

Príncipe Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie, séptimo Duque de

Broglie, y par de Francia (Dieppe, Francia, 15 de agostode 1892 - † París,

Francia, 19 de marzo de 1987) fue un físico francés conocido a veces en

castellano como Luis de Broglie.

Pertenecía a una de las familias más distinguidas de la nobleza francesa,

siendo el séptimo duque de Broglie. El apellido original era italiano

(Broglia), siendo transliterado al francés en 1654. Sus parientes destacaron en actividades tales

como la política, ladiplomacia o la carrera militar. Cursó estudios de física teórica en la Universidad

de la Sorbona, así como de historia de Francia, pues pensaba utilizarlos en su carrera diplomática.

A los 18 años, después de terminar un trabajo de investigación histórica, se decidió a estudiar

física, doctorándose en 1924.

Fue profesor de física teórica en la Universidad de París (1928),en el Instituto Henri Poincaré,

hasta 1962. Miembro de la Academia de Ciencias (1933) y de la Academia francesa (1943),

Secretario permanente de la Academia de Ciencias (1942) y consejero de la Comisión de Energía

Atómica Francesa (1945).

Fue galardonado en 1929 con el Premio Nobel de Física, por su descubrimiento de la

naturaleza ondulatoria del electrón, conocida como hipótesis de De Broglie. También recibió

la Legión de Honor, en 1961 fue nombrado Caballero de la Gran Cruz de la Legión de Honor.

FUNDAMENTO DE LA DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA:

En el contexto de la física clásica, el modelo corpuscular de la luz (según el cual está constituida por fotones) y el modelo ondulatorio (según el cual consiste en la propagación del campo electromagnético) son incompatibles. Pero en el marco de la física cuántica, ambos comportamientos de la luz, que parecían contradictorios, se pudieron integrar en un modelo coherente.

Un avance fundamental que permitió esta integración e impulsó el desarrollo de la física cuántica fue una hipótesis, planteada por el físico francés de De Broglie (1892-1987) en su tesis doctoral de 1924. Dicha hipótesis atribuyó a toda partícula con impulso, p (para una partícula de masa, m, y velocidad, v, p=m·v), una onda asociada, cuya longitud de onda es l = h/p (h es una constante universal, llamada constante de Planck) La física cuántica generalizó la hipótesis de De Broglie, para considerar que toda entidad física (las partículas y también los fotones) tiene una naturaleza dual, de tal forma que su comportamiento global presenta dos aspectos complementarios: ondulatorio y corpuscular. Dependiendo del experimento predomina uno de estos dos aspectos.

Así, el hecho de que un electrón, por ejemplo, tenga masa y cantidad de movimiento (propiedades corpusculares), pero también una longitud de onda (propiedad ondulatoria), supone que en una colisión con otro electrón, predomine el comportamiento corpuscular de ambos, pero también ocurre que un haz de electrones se difracta cuando pasa por un pequeño orificio circular de tamaño comparable a su longitud de onda. De hecho, si el haz de electrones se hace incidir en una pantalla situada detrás del orificio, dibuja una figura como a la mostrada a la derecha.

También dos haces de electrones pueden producir interferencias y así se comprueba en un experimento consistente en hacerlos pasar a través de una rendija doble o múltiple. Estas interferencias se producen aunque los electrones se lancen de uno en uno hacia las rendijas, de manera que el resultado observado en la pantalla no es fruto de un proceso estadístico producido por la incidencia de un número elevado de electrones, sino que realmente cada electrón interfiere consigo mismo.

Este mismo concepto de dualidad onda-partícula se aplica a los fotones, las entidades de masa nula que forman la luz. Un fotón tiene un comportamiento corpuscular, por ejemplo, cuando colisiona con otros fotón o, como ocurre en el efecto fotoeléctrico, con partículas (electrones, protones...), pero un haz luminoso (un haz de fotones) manifiesta un comportamiento ondulatorio (onda electromagnética) cuando, por ejemplo, se difracta, se polariza o produce interferencias luminosas

Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula, en el cual se puede ver cómo un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas.

ARTHUR COMPTON Y EL EFECTO COMPTON

Compton nació en Wooster (Ohio) y estudió en el Wooster College y en la Universidad de Princeton. En 1923 fue profesor de física en la Universidad de Chicago. Durante su estancia en esta universidad, Compton dirigió el laboratorio en el que se produjo la primera reacción nuclear en cadena, lo que provocó que tuviera un papel relevante en el Proyecto Manhattan, la investigación que desarrolló la primera bomba atómica.

Desde 1945 hasta 1953 Compton fue rector de la Universidad de Washington y después de 1954 fue catedrático de Filosofía Natural.

EFECTO COMPTON:

El efecto Compton es un fenómeno por el cual la radiación electromagnética que incide sobre ciertas superficies sale con una longitud de onda mayor que la de entrada.

Este fenómeno, observado en 1923 por el físico estadounidense Arthur Holly Compton (1892-1962) en el curso de investigaciones realizadas sobre la difusión de los rayos X, sólo puede explicarse a partir de los principios de la mecánica cuántica. Así, si se considera que la radiación electromagnética está constituida por cuantos de energía llamados fotones, en su interacción con la materia puede absorberse parte de estos fotones. En tal caso, la energía global de la radiación disminuiría, y también su frecuencia, con lo que aumentaría la longitud de onda.

LONGITUD DE ONDA COMPTON:

El efecto Compton puede cuantificarse dentro del marco teórico ofrecido por Planck y Einstein acerca de la energía electromagnética. Considerando que la masa de los cuantos de esta radiación (fotones) es Ef = hn, que también se puede escribir como Ef = w, siendo = h / 2p, el momento lineal de cada fotón viene definido por:

Mediante las leyes de conservación del momento lineal y de la energía se obtiene que la diferencia entre las longitudes de onda de entrada y salida del fotón en la interacción viene dada por:

Siendo q el ángulo de desviación de la trayectoria del fotón y lc una constante llamada longitud de onda de Compton del electrón, cuyo valor viene dado por:

WOLFGANG PAULI Y EL PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN

Nacido de Wolfgang Joseph Pauli y Berta Camilla Schütz, Pauli, ya desde su

nombre había sido destinado al camino de la Física; en efecto, su padre le

puso el segundo nombre en honor de Ernst Mach.

Estudió en el Döblinger Gymnasium de Viena, donde se licenció en Física

en 1918. Después de tan sólo dos meses publicó su primer artículo sobre

la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. En julio de 1921

logró su doctorado en Física, tutelado por Arnold Sommerfeld, en la

Universidad Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) de Múnich.

Sommerfeld, su padrino de tesis doctoral, le había sugerido realizar un artículo sobre la relatividad

para la Enciclopedia de ciencias matemáticas, una obra alemana. Dos meses después de

doctorarse Pauli concluyó el artículo, de 237 páginas, recibiendo elogios de Einstein: publicado

como monografía, es todavía hoy una de las referencias básicas sobre el tema.

Pasó un año en la Universidad de Gotinga como asistente de Max Born, y al año siguiente se

trasladó al Instituto Niehls Bohr de Física Teórica en Copenhague.

En mayo de 1929 Pauli abandona la Iglesia católica y en diciembre se casa con Käthe Margarethe

Dëppner, de quien se divorcia en 1930, tras poco menos de un año de matrimonio.

En 1928 es nombrado profesor de Física Teórica en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich, en

Suiza.

Dicta después algunos seminarios en la Universidad de Míchigan en 1931 y en el Instituto de

Estudios Avanzados de Princeton en 1935.

En 1934 se casa con Francisca Bertram, junto a quien permanecerá ligado hasta su muerte. La

anexión de Austria por Hitler en 1938 lo convierte en ciudadano alemán. En 1940, por la Segunda

Guerra Mundial, se trasladó a Estados Unidos para hacerse cargo de la cátedra de Física en

Princeton.

En 1945 recibe el Premio Nobel de Física por su descubrimiento del Principio de exclusión,

obteniendo la nacionalidad estadounidense en 1946. Finalizado el conflicto mundial, regresa

a Zúrich. Allí muere el 15 de diciembre de 1958, a los 58 años de edad.

PRINCIPIO DE EXCLUSION DE PAULI:

“Dos electrones en un átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales”

Si dos electrones tienen iguales n, l y m por tanto se encuentran en el mismo orbital, por lo tanto es necesario que un electrón tenga un s =+1/2 y el otro un s = -1/2

Analicemos el siguiente ejemplo:

WERNER HEISENBERG Y EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE

Werner Karl Heisenberg nació el 5 de diciembre de 1901 en Würzburgo y

estudió en la Universidad de Múnich. En 1923 fue ayudante

del físico alemán Max Born en la Universidad de Gotinga, y desde 1924 a

1927 obtuvo una beca de la Fundación Rockefeller para trabajar con el

físico danés Niels Bohr en la Universidad de Copenhague. En 1927 fue

nombrado profesor defísica teórica en la Universidad de Leipzig y

posteriormente fue profesor en las universidades de Berlín (1941-

1945), Gotinga(1946-1958) y Múnich (1958-1976). En 1941 ocupó el cargo

de director del Instituto Kaiser Wilhelm de Física, que en 1946 pasó a llamarse Instituto Max

Planck de Física.

Estuvo a cargo de la investigación científica del proyecto de la bomba atómica alemana durante

la II Guerra Mundial. Bajo su dirección se intentó construir un reactor nuclear en el que la reacción

en cadena se llevara a cabo con tanta rapidez que produjera una explosión, pero estos intentos no

alcanzaron éxito. Estuvo preso en Inglaterra después de la guerra. Murió en 1976.

Heisenberg realizó sus aportes más importantes en la teoría de la estructura atómica. En 1925

comenzó a desarrollar un sistema de mecánica cuántica, denominado mecánica matricial, en el

que la formulación matemática se basaba en las frecuencias yamplitudes de

las radiaciones absorbidas y emitidas por el átomo y en los niveles de energía del sistema atómico.

El principio de incertidumbre desempeñó un importante papel en el desarrollo de la mecánica

cuántica y en el progreso del pensamiento filosófico moderno. En 1932, Heisenberg fue

galardonado con el Premio Nobel de Física. Entre sus numerosos escritos se encuentran Los

principios físicos de la teoría cuántica, Radiación cósmica, Física y filosofía e Introducción a la

teoría unificada de las partículas elementales.

PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE:

En mecánica cuántica, la relación de indeterminación de Heisenberg o principio de

incertidumbre establece la imposibilidad de que determinados pares de magnitudes físicas sean

conocidas con precisión arbitraria. Sucintamente, afirma que no se puede determinar, en términos

de la física cuántica, simultáneamente y con precisión arbitraria, ciertos pares de variables físicas,

como son, la posición y el momento lineal (cantidad de movimiento) de un objeto dado. En otras

palabras, cuanta mayor certeza se busca en determinar la posición de una partícula, menos se

conoce su cantidad de movimientos lineales y, por tanto, su masa y velocidad. Este principio fue

enunciado por Werner Heisenberg en 1925.

El principio de indeterminación no tiene un análogo clásico y define una de las diferencias

fundamentales entre física clásica y física cuántica. Desde un punto de vista lógico es una

consecuencia de axiomas corrientes de la mecánica cuántica y por tanto estrictamente se deduce

de los mismos.

PAUL DIRAC Y LA TEORIA DE LOS HUECOS (“MAR DE DIRAC”)

Paul Dirac nació en Brístol (Inglaterra). Su padre, Charles, fue un inmigrante del

cantón suizo de Valais que enseñaba francés. Su madre, originaria de Cornualles, era hija de

marineros. Paul tenía una hermana pequeña y un hermano mayor Felix, que se suicidó. Él

describió su infancia como infeliz, por la severidad y autoritarismo de su padre. Una reciente

biografía ha matizado tal carácter, haciendo referencia al propio carácter difícil y taciturno de Paul.

Estudió en la Bishop Primary School y en el Merchant Venturers Technical College, una institución

de la universidad de Brístol, que enfatizaba las ciencias modernas (algo inusual en la época, y a lo

que Dirac estaría siempre agradecido).

Se graduó en ingeniería eléctrica en la universidad de Brístol en 1921. Tras trabajar poco tiempo

como ingeniero, Dirac decidió que su verdadera vocación eran las matemáticas. Completó otra

carrera en matemáticas en Brístol en 1923 y fue entonces admitido en la Universidad de

Cambridge, donde desarrollaría la mayor parte de su carrera. Empezó a interesarse por la Teoría

de la relatividad y el naciente campo de la física cuántica, y trabajó bajo la supervisión de Ralph

Fowler.

MAR DE DIRAC O TEORÍA DE LOS HUECOS:

Las soluciones negativas de E en la sección precedente son problemáticas: desde el punto de vista

de la mecánica relativista, la energía de una partícula en reposo (p = 0) seríaE = mc2 tanto como E =

- mc2. Matemáticamente parece no haber motivo alguno para rechazar las soluciones

correspondientes a energía negativa.

Para afrontar este problema, Dirac introdujo una hipótesis (conocida como teoría de huecos)

según la cual el vacío es el estado más importante de los cuantos, en el que todos los estados

propios de energía negativa del electrón están ocupados. Esta descripción del vacío, como un

«mar» de electrones es llamada el mar de Dirac. El principio de exclusión de Pauli prohíbe a los

electrones ocupar el mismo estado, cualquier electrón adicional sería forzado a ocupar un estado

propio de energía positiva, y los electrones de energía positiva no podrían decaer a estados

propios de energía negativa.

Posteriormente Dirac razonó que si los estados propios de energía

negativa están llenos de forma incompleta, cada estado propio no

ocupado —llamado hueco— podría comportarse como

una partícula cargada positivamente. El hueco tiene

energía positiva, ya que se necesita energía para crear un par

partícula-hueco a partir del vacío. Dirac en un principio pensaba

que el hueco era un protón, pero Hermann Weyl advirtió de que el

hueco se comportaría como si tuviera la misma masa del electrón,

mientras que el protón es, aproximadamente, dos mil veces más

masivo. El hueco fue finalmente identificado como positrón,

partícula descubierta experimentalmente por Carl Anderson en 1932.

Por necesidad, la teoría de huecos asume que los electrones de energía negativa en el mar de

Dirac no interaccionan unos con otros, ni con los electrones de energía positiva. Con esta

asunción, el mar de Dirac produciría una inmensa (de hecho, infinita) carga eléctrica negativa, la

mayor parte de la cual de una forma u otra sería anulada por un mar de carga positiva debido a

que el vacío permanece eléctricamente neutro. Sin embargo, es completamente insatisfactorio

postular que los electrones de energía positiva pueden ser afectados por el campo

electromagnético, mientras los electrones de energía negativa no lo son. Por este motivo, los

físicos abandonaron la teoría de huecos en favor de la teoría de campos de Dirac, que deja de lado

el problema de los estados de energía negativa tratando los positrones como verdaderas

partículas. (Caveat: en algunas aplicaciones de la física de la materia condensada, los conceptos

basados en la «teoría de huecos» son válidos). El mar de electrones de conducción, en

un conductor eléctrico, llamado mar de Fermi, contiene electrones con energías más altas que

el potencial químico del sistema. Un estado vacío en el mar de Fermi se comporta como un

electrón cargado positivamente, si bien se remite tanto a un «hueco» como a un positrón. La carga

negativa del mar de Fermi es equilibrada por la carga positiva de la reja iónica del material.

En el enfoque moderno la interpretación del mar de electrones se refiere al problema de la

elección del estado del vacío. De hecho en algunas teorías, diferentes elecciones del estado del

vacío pueden tener consecuencias físicas diferentes.

RAYOS DE BECQUEREL Y EL DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD

Nació el 15 de diciembre de 1852 en París, hijo de Alexandre Becquerel (que estudió la luz y la fosforescencia e inventó la fosforoscopia) y nieto de Antoine César Becquerel, uno de los fundadores de la electroquímica. Estudió y se doctoró en Ciencias en la Escuela Politécnica de la capital francesa. Fue profesor del Museo de Historia Natural en 1892 y de la École Polytechnique en 1895. En el año 1896 descubrió accidentalmente el fenómeno de

la radiactividad durante su investigación sobre la fluorescencia. Las sales de uranio emitían una radiación capaz de atravesar papeles negros y otras sustancias opacas a la luz ordinaria. Estos rayos se denominaron en un principio rayos B en honor de su descubridor. Además realizó investigaciones sobre la fosforescencia, espectroscopia y la absorción de la luz. En el año 1903, compartió el Premio Nobel de Física con los franceses Pierre y Marie Curie. Entre sus obras destacan Investigación sobre la fosforescencia (1882-1897) y Descubrimiento de la radiación invisible emitida por el uranio (1896-1897). Henri Becquerel falleció en Le Croisic el 25 de agosto de 1908.

DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD:

En el año 1896, mientras realizaba pruebas en su laboratorio, donde intentaba producir fluorescencia haciendo incidir luz solar sobre muestras de sulfato de potasio y de uranio, materiales fluorescentes, hizo un descubrimiento fundamental, que originaría un gran avance en el conocimiento de las propiedades del núcleo atómico. Becquerel estaba tratando de obtener una imagen, mediante fluorescencia de rayos X, de una pieza de plata colocada

entre el cristal flurescente (al había envuelto en un papel negro) y una película. Al cabo de varios días nublados, procedió a revelar la película

pensando que su experimento había fracasado, sin embargo y para su sorpresa en la película se veía una zona más oscura con la forma de la

pieza de plata. Esto sin duda era asombroso, ya que hasta ese momento no se conocía ningún sólido capaz de emitir energía, e indicaba que el compuesto debía haber emitido una radiación capaz de atravesar el papel negro y la plata. Con gran interés comenzó a investigar esta radiación, descubriendo que no se trataba de rayos X, ya que los rayos que esta estudiando podían ser desviados por un campo magnético, lo cual indicaba que se componía de partículas cargadas. Ensayo tras ensayo, comprobó que estos rayos se producían siempre que se usara algún compuesto de uranio, ya fuera este fluorescente o no, en forma sólida o en solución. Estos rayos eran tan penetrantes que podía ionizar gases y velar placas fotográficas protegidas. Becquerel habia descubierto lo que posteriormente Marie Curie llamaría radioactividad. Sin embargo, como estos rayos no eran tan espectaculares como los rayos X, que servían para obtener fotografías de los huesos, no llamaron tanto la atención, hasta que Marie Curie se interesó un año más tarde en el tema. Por este descubrimiento Becquerel fue galardonado con el premio Nobel de Física en 1903 que compartió con Pierre y Marie Curie. Estas investigaciones fueron proseguidas más tarde por Ruthenford [1871-1937], quién demostró que había dos clases de radiación a las que denominó rayos alfa y beta. La radiación gamma fue descubierta por el físico francés Paul Villard en 1900.

HEINRICH HERTZ Y EL EFECTO FOTOELECTRICO

Cursó estudios en la Universidad de Berlín. De 1885 a 1889 dio clases de física en la Escuela Tecnica de Karlsruhe, y posteriormente en la Universidad de Bonn. Clarificó la teoría electromagnética de la luz, que había sido formulada por el físico británico James Clerk Maxwell en el año 1884. Demostró que la electricidad puede transmitirse en forma de ondas electromagnéticas, las cuales se propagan a la velocidad de la luz y tienen además muchas de sus propiedades. El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Hertz en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. Hertz establece básicamente que electrones de una superficie metálica pueden escapar de ella si adquieren la energía suficiente suministrada por luz de longitud de onda lo suficientemente corta. Hallwachs y Lenard estudiaron también este efecto años después. Sus experimentos con estas ondas le condujeron al descubrimiento del telégrafo y la radio sin cables. La unidad de frecuencia se denominó hercio en su honor; su símbolo es Hz. Estuvo casado con Elizabeth Doll y su sobrino Gustav Hertz fue ganador del Premio Nobel.Heinrich Hertz falleció en Bonn el 1 de enero de 1894.

EFECTO FOTOELECTRICO:

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se hace incidir

sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general).1 A veces se incluyen

en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:

Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos

provocada por la luz. Descubierta porWilloughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo

XIX.

Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía lumínica en energía eléctrica. La

primera célula solar fue fabricada porCharles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio

recubierto de una fina capa de oro.

El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887, al observar que el

arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando

se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicación teórica fue hecha

por Albert Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionario artículo “Heurística de la generación y

conversión de la luz”, basando su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo

sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años

experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta, para finalmente

concluir que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan fueran condecorados con premios

Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.

Se podría decir que el efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos X, ya que el efecto

fotoeléctrico indica que los fotones pueden transferir energía a los electrones. Los rayos X (no se

sabía la naturaleza de su radiación, de ahí la incógnita "X") son la transformación en un fotón de

toda o parte de la energía cinética de un electrón en movimiento. Esto se descubrió casualmente

antes de que se dieran a conocer los trabajos de Planck y Einstein (aunque no se comprendió

entonces).

ESPECTRO VISIBLE

Se llama espectro visible a la región del espectro electromagnético que el ojo humano es capaz de percibir. A la radiación electromagnética en este rango de longitudes de onda se le llama luz visible o simplemente luz. No hay límites exactos en el espectro visible: un típico ojo humano responderá a longitudes de onda de 400 a 700 nm, aunque algunas personas pueden ser capaces de percibir longitudes de onda desde 380 hasta 780 nm.