Conceptos Fundamentales de la Estructura Atómica y la Mecánica Cuántica

Estructura Atómica y los Orígenes de la Física Moderna

La comprensión de la estructura atómica se construyó a partir de una serie de descubrimientos clave:

• Disoluciones
• Espectros
• Tubo de Crookes (Fluorescente)
• Rayos Catódicos
• Radioactividad

Roentgen descubrió por error los rayos X. Observó la fluorescencia (fenómeno por el cual una sustancia emite luz inmediatamente al ser expuesta a radiación, como la luz solar) y la fosforescencia (emisión de luz retardada después de la excitación, como en algunos relojes nocturnos). Al experimentar con rayos catódicos, notó que producían luz que, a su vez, generaba los rayos X.

Becquerel intentó obtener rayos X con sales de uranio y bario que eran fosforescentes, pero no lo logró. Sin embargo, descubrió que estas sustancias emitían radiación sin necesidad de ser expuestas previamente al sol. El material radiactivo era el uranio. Todo esto indicaba que el átomo, considerado hasta entonces indivisible, tenía componentes internos.

La radioactividad se clasificó en diferentes tipos de radiación:

• Rayos γ (gamma): Radiación electromagnética de alta energía, similar a los rayos X o la luz.
• Rayos β (beta): Partículas con carga negativa (electrones).
• Rayos α (alfa): Partículas con carga positiva (núcleos de helio).

Limitaciones de la Física Clásica

En el siglo XIX, la física parecía casi completa, fundamentada en tres grandes áreas:

1. Mecánica: Desarrollada por Newton en el siglo XVIII, explicaba las leyes del movimiento.
2. Termodinámica: En el siglo XIX, Carnot explicaba la transmisión del calor.
3. Electricidad y Magnetismo: Lorentz, también en el siglo XIX, explicaba las corrientes eléctricas, los imanes y la naturaleza de la luz como una manifestación del electromagnetismo.

Sin embargo, a finales del siglo XIX y principios del XX, surgieron fenómenos inexplicables por la física clásica:

• Radioactividad
• Radiación del Cuerpo Negro
• Relatividad

Primeros Modelos Atómicos Cuánticos

Los problemas del modelo atómico clásico llevaron a nuevas propuestas. Bohr y Sommerfeld mejoraron modelos anteriores. Bohr aplicó por primera vez conceptos cuánticos al átomo.

Para explicar la radiación de un cuerpo negro, Planck postuló que la energía se emite en pequeños paquetes discretos llamados cuantos. La energía de un cuanto es proporcional a la frecuencia de la radiación (ν), siendo la constante de proporcionalidad la constante de Planck (h): E = h * ν.

Fundamentos de la Mecánica Cuántica

Para explicar el comportamiento de los átomos más complejos, se desarrolló el modelo mecano-cuántico, basado en principios fundamentales:

Dualidad Onda-Corpúsculo de la Luz

La luz, aparentemente una onda, también exhibe propiedades de partícula. Consideremos sus efectos:

• Reflexión: Se explica tanto por el rebote de una partícula como por la reflexión de una onda.
• Difracción: Este fenómeno solo puede explicarse si la luz se comporta como una onda. Cuando una onda pasa por una abertura, se dispersa; si hay dos aberturas, las ondas resultantes interfieren.

Aunque la difracción sugería que la luz era puramente una onda, Planck explicó la radiación del cuerpo negro asumiendo que la luz se emitía en forma de partículas (cuantos). Posteriormente, Einstein explicó el efecto fotoeléctrico (la emisión de electrones por algunos metales al ser iluminados) postulando que la luz se absorbe en forma de partículas (fotones) en los metales. Esto consolidó la idea de que la luz posee una dualidad, comportándose a la vez como onda y partícula.

Dualidad Onda-Partícula de los Electrones

De Broglie propuso que los electrones y otras partículas también poseen propiedades ondulatorias. El experimento de la difracción de electrones confirmó esta hipótesis. La longitud de onda de un electrón es inversamente proporcional a su cantidad de movimiento. La difracción es una consecuencia de la naturaleza ondulatoria.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

Un principio fundamental de la mecánica cuántica es el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Establece que no se puede conocer simultáneamente con precisión arbitraria la posición y la velocidad (o momento) de una partícula subatómica. Esta incertidumbre es intrínseca a la naturaleza cuántica.

Heisenberg también propuso un modelo atómico basado en matrices. Posteriormente, Schrödinger propuso una ecuación fundamental (la ecuación de Schrödinger) que describe el comportamiento ondulatorio de las partículas subatómicas y permite calcular su función de onda (ψ) y su energía (E): Hψ = Eψ (donde H es el operador Hamiltoniano). Más tarde, se demostró que las formulaciones de Heisenberg y Schrödinger eran matemáticamente equivalentes.