Cuantos, Teoría de los FÍS.

Categoria:

Física

Orígenes. A finales del s. XlX, la Física llamada "clásica" estaba dividida en dos partes o categorías sin conexión alguna entre sí: la Física de la materia o de las sustancias materiales, fundada en el concepto de "corpúsculos" que obedecían las leyes de Newton, y la Física de las radiaciones y campos, basada en la hipótesis de la existencia del éter, capaz de transmitir la energía por medio de ondulaciones. En ambas categorías y con los postulados que sirvieran de base a los razonamientos, se habían logrado grandes éxitos. Pero ya en 1900, lord Kelvin señaló dos fenómenos que no encajaron en el cuadro de la ciencia clásica: la invariancia de la velocidad de la luz, observada por A. A. Michelson y E. W. Morley, y la distribución de la energía en el espectro del cuerpo negro, medida por Lummer y Pringsheim. Al querer deducir la fórmula de la radiación, fracasaron todas las tentativas llevadas a cabo dentro de los postulados clásicos. Sería Max Planck (18581947; v.) quien encontraría la modificación necesaria de los principios clásicos para obtener la fórmula correcta de la radiación. Así nació la audaz hipótesis de los c., ideada por Planck con el solo fin de explicar las mencionadas medidas de LummerPringsheim.

En el estudio de este fenómeno encajaban perfectamente los métodos estadísticos, pero se daba el caso singular de que la aplicación del principio de equipartición (según el cual, la energía mecánica de un sistema de partículas se distribuye en partes iguales entre sus. grados de libertad) conducía a las fórmulas de RayleighJeans, en total contradicción con los números hallados experimentalmente.

La teoría. Para resolver esta dificultad, Max Planck llega a la consecuencia de que en los corpúsculos ultrapequeños no son estables todos los movimientos que, según la Física clásica, se consideraban posibles (a los cuales corresponden energías cuyos valores pueden variar de un modo continuo), sino que sólo pueden tener lugar aquellos movimientos que corresponden a valores cuantificados de su energía según los números enteros. Para ello enuncia la hipótesis revolucionaria que ve la luz el a. 1900 en Verhandlung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (Actas de la Soc. Física Alemana, p. 237), que modificaría y completaría en trabajos sucesivos, y cuya forma definitiva es la siguiente: "La energía de todo sistema elemental que ejecuta un movimiento periódico de frecuencia f, no puede variar más que por múltiplos enteros de hf, siendo h una constante universal" (que actualmente se llama constante de Planck). Esta magnitud kif es una cantidad finita y discreta llamada de energía. La energia, pues, no se emite de forma continua, sino por cantidades discretas e individuales. Un c. de energía es, por consiguiente, proporcional a la frecuencia de radiación emitida, y eJ factor de proporcionalidad es la constante de Planck.

Esta magnitud h tiene las dimensiones de una acción (energía .tiempo) y ha sido medida por los más variados métodos; su valor es h=6,62517.1034 Jul..seg.

Cuantificación de la energía. Albert Einstein (v.) es todavía más audaz, y aprovechándose de las indicaciones de Planck de que los cuerpos materiales sólo intercambian energía electromagnética en "paquetes" unitarios o c., siendo el valor del c. proporcional a la frecuencia de la energía de que se trate, aporta pruebas de que, en realidad, tal energía sólo existe en paquetes de energía discontinuos; cuantifica, por tanto, no sólo la energía absorbida o emitida sino la radiación misma, que se propaga según c. o "corpúsculos" de energía, a los que G. N. Lewis da posteriormente el nombre de fotones (v.), cuya energía es también igual al producto de la frecuencia por la constante de Planck (E=hf) y que tienen un impulso o cantidad de movimiento p igual a la relación entre la energía y la velocidad de la luz: p=E/c. Cada uno de estos fotones constituye una individualidad completa, lo mismo que un átomo o una molécula, y al mismo tiempo lleva asociada una frecuencia que indica su condición típicamente ondulatoria.

Esta hipótesis de Einstein da un resultado cuantitativo correcto al ser aplicada al efecto fotoeléctrico (v. FOTOELECTRICIDAD) y alcanza un éxito rotundo cuando en 1923 A. H. Compton (v.) descubre el efecto que lleva su nombre y que obliga a atribuir carácter material a los fotones. Así surge la teoría corpuscular o fotónica de la luz, que explicará los fenómenos fotoeléctricos y los efectos Raman y Compton, para los que la teoría ondulatoria resulta insuficiente; sin embargo, no da explicación de los fenómenos de interferencia y difracción que son exclusivos del carácter ondulatorio; de aquí la doble naturaleza ondacorpúsculo que actualmente se atribuye a la luz.

Éxito de la teoría. La hipótesis de cuantificación de Planck ha tenido un éxito completo al ser extendida a los campos más diversos de la Física, aclarando hechos mal explicados y prediciendo nuevos fenómenos que luego han sido confirmados experimentalmente; p. ej., la teoría de los calores específicos y la interpretación estadística del tercer principio de termodinámica. Pero donde ha dejado sentir más su influencia es en espectroscopia (v.). N. Bohr, utilizando la hipótesis cuaniifsta de Planck, cuantifica el átomo (v.) de hidrógeno para dar estabilidad al modelo atómico de E. Rutherford. Y aunque el modelo atómico de Bohr resulta contradictorio, por utilizar a la vez las leyes del electromagnetismo y las condiciones cuánticas, ha encauzado y abierto nuevos derroteros a la investigación espectroscópica, ha permitido calcular las características de las rayas del hidrógeno, las del helio ionizado y ha servido de guía para estudiar los espectros roentgenianos. Y gracias a una generalización de la teoría de Bohr hecha por A. Sommerfeld, se ha logrado resolver el complejo problema de los multipletes y de las separaciones producidas en el fenómeno o efecto Zeeman.

La Mecánica cuántica. Las hipótesis de Planck han sido, en buena parte, la causa del progreso de la Física actual, habiéndose desarrollado un nuevo sistema de teoría física totalmente axiomática, en la que los postulados básicos están fundamentados en las siguientes normas generales: a) Las unidades fundamentales de materia y energía electromagnética son tratadas como "ondículas",esto es, se considera que transfieren la masa o la energía, o ambas, en paquetes de tamaño mínimo (cuantos), pero que se influyen recíprocamente y se propagan a modo de sistemas de ondas. b) Esta Física se ve obligada a abandonar las leyes horarias del movimiento que permiten determinar de una manera precisa la posición, velocidad y energía; ajustándose a los principios de la Mecánica cuántica, las cuestiones sobre el futuro comportamiento de los sistemas físicos sólo pueden contestarse estadísticamente y dar como resultado una probabilidad. De aquí que en la Mecánica cuántica ocupe un puesto central el principio de indeterminación de Heisenberg (v.).

Entre los pioneros de la sistematización de esta nueva teoría física se encuentra W. Heisenberg que, al abordar el estudio de la dispersión de la luz, propone una mecánica de matrices como instrumento matemático adecuado al problema, que logra pronto éxitos al calcular la estructura fina de los dobletes de los álcalis. Al mismo tiempo, P. A. Dirac trata también de elaborar una Mecánica cuántica racional haciendo uso de los llamados paréntesis ¿le Poisson, con lo que logra una forma canónica de las ecuaciones. Pero es Louis de Broglie (v.) el que tiene la idea genial de considerar toda partícula material como algo pulsátil que hace vibrar sincrónicamente todo el espacio. Supone luego que la partícula se mueve con respecto a un observador, para deducir que lleva consigo una onda asociada de longitud perfectamente determinada. Basándose en las anteriores hipótesis, E. Schródinger (v.) enlaza las distintas teorías cuánticas estableciendo una ecuación diferencial que debía ser satisfecha por la función de onda, en la que figura la energía como parámetro; los valores propios de esta energía son precisamente los Valores energéticos posibles.

Esta nueva teoría, sin embargo, ha modificado los principios clásicos, no porque fuesen falsos, sino porque, conteniendo la verdad, no contienen toda la verdad.

V. t.: MECÁNICA IV.

E. YUSTA GARCÍA.

BIBL.: L. DE BROGLIE, Ondas, crepúsculos y mecánica cuántica, Madrid 1949; H: FRANKE, Diccionario de Física, Barcelona 1967; J. PALACIOS, Termodinámica y mecánica estadística; J. KAPLAN, Física nuclear, Madrid 1961; H. SEMAT, Física atómica y nuclear, 3 ed. Madrid 1962; D. BoHM, Física cuántica y realidad, Madrid 1964.