8.1 Problemas del siglo XIX con la física
A fines del siglo XIX, los científicos habían acumulado un amplio conocimiento de cómo se comportan la luz y la materia, pero esto era casi totalmente empírico, lo que significa que se basó en observaciones sin una explicación teórica.
No se entendió la relación entre el color de un cuerpo negro y su temperatura. Nadie sabía cómo se formaban las líneas espectrales, y nadie sabía cómo la luz podía viajar a través del espacio como una partícula o una onda, ya que se había demostrado que no existe el éter.
La naturaleza de la materia se mantuvo igual de esquiva. Nadie sabía por qué los diferentes elementos tienen propiedades que parecen periódicas, y nadie sabía qué causa la fluorescencia y la radiación, o la identidad de las partículas que producen los elementos radiactivos.
En el siglo XX, se descubrió que todos estos problemas estaban relacionados con la mecánica cuántica, un nuevo conjunto de leyes físicas que parecían aplicarse solo al mundo microscópico. La mecánica cuántica muestra que los objetos extremadamente pequeños se comportan de una manera que desafía completamente el sentido común y ha revolucionado nuestra comprensión del universo.
Aquellos que presenciaron este comportamiento por primera vez lo encontraron profundamente inquietante, y algunos de los efectos de la mecánica cuántica todavía parecen sorprendentes. El ejemplo más visual de esto puede ser la superfluidez, que permite que los líquidos escalen paredes verticales y escapen de sus contenedores. Las implicaciones filosóficas de la mecánica cuántica son tan vastas que aún no se comprenden completamente.
A pesar de su extrañeza, las predicciones únicas de la mecánica cuántica nunca han demostrado ser falsas. De hecho, la teoría se ha utilizado para explicar una amplia variedad de fenómenos, incluido el comportamiento de todas las partículas subatómicas conocidas y todas las fuerzas excepto la gravedad.
También se ha utilizado en química y biología para explicar, entre otras cosas, cómo nuestro cerebro interpreta los diferentes olores y cómo funciona la fotosíntesis. Casi toda la tecnología moderna se basa en las leyes de la mecánica cuántica para funcionar, incluidos los transistores, microchips y láseres.
8.2 El descubrimiento de los cuantos
8.2.1 La relación de Planck
El primer problema a resolver fue el de la radiación del cuerpo negro. En 1900, Heinrich Rubens y Ferdinand Kurlbaum mostraron que la ley de Viena, que establece que la longitud de onda máxima de un cuerpo negro solo depende de su temperatura, no se aplica a la luz infrarroja. [1,2]
Este problema fue casi resuelto en 1905 por los físicos británicos John William Strutt (también conocido como Lord Rayleigh) y James Hopwood Jeans. [3] Rayleigh y Jeans hicieron esto tratando la luz como si estuviera hecha de ondas. Sin embargo, su teoría no funcionó para la luz ultravioleta. La luz ultravioleta tiene una longitud de onda más pequeña que la luz óptica. Esto significa que tiene una frecuencia más alta porque más ondas pueden viajar a través de la misma distancia si tienen longitudes de onda más cortas.
En 1901, el colega de Wien, Max Planck, ya había demostrado que podía describir el comportamiento de algunos tipos de radiación si suponía que los objetos absorben y emiten luz que tiene una energía proporcional a la frecuencia de la luz. [4] Planck demostró que las energías absorbidas y emitidas por los cuerpos negros están “cuantizadas”. Esto significa que solo se permiten ciertas energías.
Planck mostró que la radiación del cuerpo negro se emite en cuantos, ‘paquetes’ de energía que dependen de la frecuencia ( ν ) y una constante de proporcionalidad ( h ) , que se conoce como la constante de Planck. Las únicas energías posibles ( E ) se encuentran usando,
Esto significa que las energías de E = ¼ h ν o E = h 2 ν , por ejemplo, no son posibles.
La teoría de Planck parecía funcionar, pero no se pensó que fuera una verdadera descripción de la naturaleza hasta que fue explicada por Albert Einstein en 1905. Einstein demostró que toda la radiación electromagnética se divide en cuantos o “partículas” de luz, que se hizo conocido como fotones.
Einstein declaró,
cuando un rayo de luz se propaga desde un punto, la energía no se distribuye continuamente en espacios cada vez mayores, sino que consiste en un número finito de cuantos de energía que se localizan en puntos en el espacio, se mueven sin dividirse y pueden ser absorbidos o generado solo como un todo. [5]
8.2.2 El efecto fotoeléctrico
La teoría de Einstein explicó el efecto fotoeléctrico, que Heinrich Hertz había descubierto en 1887. [6] Hertz descubrió que las partículas, luego identificadas como electrones, se liberan de la materia Si absorbe la luz ultravioleta.
En 1902, el físico alemán Philipp Lenard había demostrado que las energías de estos electrones dependen de la frecuencia, no de la intensidad de la luz. [7] Esto no podría explicarse utilizando la teoría de la luz de Maxwell, y Einstein demostró que los electrones solo se liberan cuando se alcanzan frecuencias particulares, correspondientes a múltiplos de la constante de Planck. .
| Energía del fotón | = | Función de trabajo + energía cinética del electrón | (8,2) |
| h ν | = | Φ + 1 2 mv 2 | (8,3) |
Aquí, m es masa, v es velocidad y Φ es la función de trabajo. Esta es la energía requerida para emitir electrones de la materia, y varía según el material.
El efecto fotoeléctrico se entendería más tarde en términos de la teoría del átomo de Niels Bohr [8] (discutido en Capítulo 10 ). Esto muestra que un electrón absorbe energía del fotón y, si gana suficiente energía, esto hará que sea expulsado del átomo.
8.3 El experimento de doble rendija en fotones
En 1909, el físico británico Geoffrey Ingram Taylor demostró que incluso las fuentes de luz muy bajas muestran evidencia de difracción, [9] y los científicos consideraron lo que sucedería si Thomas El experimento de doble rendija de Young se realizó utilizando una sucesión de fotones individuales. [10]
Si los fotones son ondas, entonces se debería formar un patrón de interferencia. Sin embargo, si los fotones son partículas, entonces no debería formarse un patrón de interferencia, ya que un solo fotón debe viajar a través de una ranura u otra, y no tendría nada con lo que interferir.
Cuando se realizó este experimento, lo que parecía una distribución aleatoria pronto se convirtió en un patrón de interferencia. Esto implica que los fotones se dividen al pasar por las dos rendijas y se reforman para ser detectados como partículas individuales en el otro lado.
Para ver si esto es lo que sucedió, experimentos posteriores colocaron un detector de partículas en cada ranura. Sin embargo, cuando esto se hizo, no se formó un patrón de interferencia; los fotones parecen comportarse como partículas cuando el equipo se usa para detectar partículas, y como ondas cuando el equipo se usa para detectar ondas.
Se encontraron los mismos resultados incluso cuando los detectores se colocaron al otro lado de las rendijas, lo que implica que el fotón de alguna manera “sabía” que el detector estaría allí. [11,12]
La dualidad onda-partícula de la luz se extendería más tarde a la materia (discutida en Capítulo 15 ) y descrita por el principio de incertidumbre del físico alemán Werner Heisenberg (discutido en Capítulo 16 ) y la ecuación de onda cuántica del físico austríaco Erwin Schrödinger (discutida en Capítulo 17 ).