El origen de la Física Cuántica.

Los descubrimientos más grandes a menudo provienen de la observación de efectos simples, tan ordinarios que la mayoría de nosotros simplemente los descartamos, tal es el caso del origen de la mecánica cuántica, la teoría física más exitosa hasta ahora.

Todo comenzó casi al final del siglo dieciocho, en ese tiempo se consideraba que la física estaba en su apogeo con los tres principales dominios en la física; mecánica, termodinámica y electromagnetismo; considerando que no había ya grandes teorías por descubrir, y el futuro de la Física solo implicaba una mejor precisión en la medición y el cálculo. Sin embargo, fue en ese momento cuando la revolución más grande en física estaba a punto de llegar, con la introducción de la Relatividad y la teoría cuántica.

El origen de la teoría cuántica comenzó a partir de una simple observación, era bien conocido entonces, como lo es ahora, cómo los metales brillan cuando se someten a altas temperaturas. En física, el término “radiación de cuerpo obscuro” se utilizó para describir este fenómeno y para explicar cómo un objeto emite radiación. Un cuerpo obscuro se considera un objeto que puede absorber radiación de cualquier tipo; y la radiación que sale de este a medida que el objeto se calienta se le llama radiación de cuerpo obscuro; esta radiación tiene una longitud de onda característica dependiendo de la temperatura del objeto. Todos los objetos en esencia actúan como un cuerpo obscuro, y todos irradian energía; tomemos por ejemplo el cuerpo humano, ya que nuestra temperatura es en promedio de 37 grados centígrados (98 grados Fahrenheit o 310 Kelvin); nuestros cuerpos emiten radiación en la longitud de onda infrarroja, que no es visible para el ojo humano, sin embargo, podemos sentir que nuestro cuerpo se siente tibio y podemos ver nuestra radiación usando una cámara infrarroja.

Los desafíos

En el caso del descrito brillo que proviene de un metal caliente también se considera radiación de cuerpo obscuro; y cambia de color según cambia la temperatura del objeto; pasando de un brillo rojo a un brillo blanco a un brillo azulado a medida que aumenta la temperatura del objeto. Este efecto fue la clave para la ingeniería y el desarrollo de la lámpara incandescente; para la cual pruebas y experimentos comenzaron desde principios de los 1800’s, buscando una alternativa viable para proporcionar iluminación utilizando lámparas eléctricas. Según la historia, la primera solución comercialmente viable fue la lámpara de Edison patentada en noviembre de 1878. Pero con la luz incandescente recientemente popularizada, la pregunta subyacente sobre por qué el filamento en estas lámparas brillaba y emitía luz era todavía una pregunta sin respuesta, ya que este fenómeno no tenía una teoría física para describir este fenómeno.

Al estudiar este efecto con más detalle, se utilizó una aproximación basada en la física clásica para derivar una ecuación que describe la relación entre la temperatura del objeto y la longitud de onda de la luz emitida; esta fue la ley de Rayleigh-Jeans. Pero esta ley tenía un problema, solo funcionaba para la luz de baja frecuencia como microondas o luz infrarroja, pero a medida que la frecuencia aumentaba, la energía calculada aumentaba a valores muy altos, aproximándose a un valor infinito; estos cálculos por supuesto no coincidían con los resultados experimentales, lo que hacía obvio que esta ley tenía una falla; A esta situación se le llamó la catástrofe ultravioleta. Dado que este problema se hacía evidente alrededor a la longitud de onda de la luz ultravioleta donde la energía calculada se disparaba.

La catástrofe ultravioleta

La catástrofe ultravioleta – ectrons.wikidot.com

Otro experimento que también tenía preguntas sin contestar fue el efecto fotoeléctrico, que es la emisión de electrones de una superficie metálica cuando la luz brilla sobre un metal, el mejor experimento fue el uso de un electroscopio de hoja de oro, utilizando láminas de oro en una placa de metal aislada, dentro de una cámara aterrizada (para no afectar la carga). Cuando la placa de metal estaba sujeta a una carga negativa, al tener la misma carga eléctrica, la hoja de oro se separaba de la placa al ser repelida (sabiendo que las cargas iguales se repelen y las opuestas se atraen entre sí). Mientras hacía un experimento al hacer brillar la luz en esta placa, se notó que la luz roja no tenía efecto sobre la carga del electroscopio, pero al usar luz ultravioleta, la carga disminuía inmediatamente, provocando que la hoja de oro volviera a tocar la placa de metal. Por lo tanto, se concluyó que la radiación de baja energía (como luz roja) no tenía efecto sobre la carga, mientras que la radiación de alta energía provocaba que el metal emitiera electrones por efecto de esta luz.

Aquí viene Planck.

Problemas radicales requieren un pensamiento radical, y justo antes del comienzo del nuevo siglo veinte Planck comenzó a trabajar en este problema, encomendado por las compañías eléctricas para producir lámparas que dieran la máxima iluminación usando el mínimo de energía. Después de los primeros intentos para explicar el efecto en la radiación de cuerpo obscuro, finalmente Planck presentó su postulado, que en años posteriores se convertiría en uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica. Planck postuló que la energía emitida por un cuerpo obscuro esta cuantificada, esto significa que la energía puede provenir solo en múltiplos de una unidad elemental, o cuanta. En aquel entonces, se consideraba que los fenómenos físicos eran siempre continuos, imagina verter agua en un vaso, donde tienes una infinita gama de posibles niveles de agua; la propuesta de Planck consideraba que en este fenómeno la energía se entregaba en pequeños paquetes, el equivalente a verter jellybeans en un vaso, con la consideración de que no se pueden tener fracciones de jellybeans en él.

Él explicó, que la energía emitida era proporcional a la frecuencia y para este propósito calculó la llamada constante de Planck “h”, con un valor de 6.62606896 × 10-34 Joules por segundo; la nueva fórmula fue un ajuste a la ecuación de Raleigh-Jeans, donde al agregar esta nueva constante de Planck, se pudo calcular la radiación del cuerpo obscuro para todo el espectro de frecuencia, incluida la luz de alta frecuencia, coincidiendo con resultados experimentales y por ende resolviendo el dilema de la catástrofe ultravioleta. Finalmente, en 1900 Planck propuso su ley de Planck que describe “La densidad espectral de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo obscuro en equilibrio térmico a una temperatura dada T“. Elegante ¿verdad? Y es esta la descripción de cómo un cuerpo obscuro irradia energía a medida que se calienta. Ah, y sí, el resultado de esta investigación lo hizo acreedor de un premio Nobel en 1919.

Aunque inicialmente su suposición acerca de la energía cuantificada era incompatible con la física clásica y fue atacada severamente por su compañeros físicos, sin embargo, con experimentos adicionales, la constante de Planck fue verificada repetidamente y fue un valor clave en el estudio de los fenómenos cuánticos y para la definición de un nuevo conjunto de unidades físicas universales, incluyendo la longitud de Planck, el tiempo de Planck, la masa de Planck o la temperatura de Planck; cada uno de ellos interpretando los efectos en este dominio de la física cuántica.

No vamos a abordar en detalle el caso del efecto fotoeléctrico por el momento, ya que esta es una historia muy interesante en sí misma, pero vale la pena mencionar que esto también fue resuelto por un conocido físico, que al tomar esta nueva propuesta de Planck para la energía cuantificada, combinó este principio cuántico para afirmar que la luz misma estaba compuesta de pequeños paquetes de energía (o cuanta), en lugar de estar formados por ondas, y llamó a estos paquetes de energía fotones; determinando que cuanto mayor era la frecuencia de la luz asociada, más energéticos eran estos fotones. Volviendo entonces al experimento del electroscopio de hoja de oro, y cómo los diferentes tipos de luz tienen efectos muy diferentes en él; con esta nueva teoría se consideró que cuando la luz roja iluminaba un metal con carga negativa, los fotones de baja energía eran incapaces de “desprender” los electrones del metal; pero con la luz ultravioleta, al ser sus fotones más enérgicos, estos tenían la energía suficiente para desprender los electrones del metal, eliminando así la carga negativa que contenía.

Efecto fotoeléctrico

Efecto fotoeléctrico – schoolphysics.co.uk

Esta teoría también lo convirtió en un ganador del premio Novel. Este conocido físico no era otra que Albert Einstein. Y sí, su premio Novel no fue otorgado debido a su propuesta mucho más famosa sobre la relatividad, sino por el principio cuántico de la luz. El trabajo combinado de Planck y Einstein dieron origen a la llamada “relación Planck-Einstein” que establece que la energía de un fotón es proporcional a su frecuencia, y es reflejado en la fórmula E = h ν (La energía es el producto de la constante de Planck y la frecuencia de la luz emitida)

The constant of proportionality, h, is known as the Planck constant. Several equivalent forms of the relation exist. Max Planck siempre siguió muy de cerca el trabajo de Einstein, y fue un promotor clave para que Einstein se uniera a la Academia de Ciencias de Prusia. Es justo decir que, después de la Física Cuántica, tal vez el principal descubrimiento de Planck fue Albert Einstein. Ambos fueron pioneros en el desarrollo de esta la nueva rama de la física, que se encuentra en el centro de la física moderna y es, sin duda, la teoría más alucinante y más exitosa de la física hasta el momento.

Regards – Alex

ScienceKindle.

 

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