16/11/2009v21 de 38 historia de la mecánica cuántica
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Historia de la Mecánica Cuántica
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Johann Jakob Balmer
Lausanne (Suiza),1825- Basilea (Suiza),1898.
Físico y matemático.
Su aporte a la física actual es conocido como la “serie de
Balmer”.
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Johann Jakob Balmer
• En 1885, estableció una ley empírica que permite calcular la distribución de las líneas espectrales del hidrógeno designadas respectivamente por Hα, Hβ, Hγ y Hδ, y que forman la serie de Balmer
2
2 2
73.6546·10
hm
m n
h m
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Johannes Rydberg Halmstad (Suecia), 1854-
Lund (Suecia),1919.
Estableció una relación entre las líneas
espectrales de los distintos elementos e introdujo la constante que lleva su nombre.
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Johannes Rydberg
• En 1889, Rydberg modifica la fórmula de Balmer, generalizándola y abriendo el camino para el establecimiento de un modelo atómico matemático.
2 12 21 2
1
1 1,
109737
R n nn n
R cm
• Simulador de espectros atómicos
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Max Planck Kiel (Alemania), 1858-
Gotinga (Alemania),1947.
Premio Nobel de Física en 1918 por el
descubrimiento de la ley de emisión de energía
por los cuerpos
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Max Planck• En 1900 obtuvo una expresión que permitía
calcular la distribución de energías emitidas por un cuerpo en función de su temperatura (espectro del cuerpo negro), que supone la emisión de pequeños “paquetes” de energía denominados cuantos.
3
2
34
2 1( , )
1
6.62·10 ·
h
kT
hI T
ce
h J s
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Albert Einstein
Ulm (Alemania), 1879-Princeton, California,
(USA),1955.
Premio Nobel de Física en 1921 por sus
investigaciones sobre el efecto fotoeléctrico.
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Albert EinsteinEn 1905 publicó un artículo en el que explica los fenómenos de fotoemisión de electrones haciendo uso de las ideas de Planck, convirtiéndose así, involuntariamente y a su pesar, en co-fundador de la Mecánica Cuántica, al aplicar la cuantización en un nuevo fenómeno distinto al cuerpo negro por vez primera.
h=W0+Ec
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Niels Bohr Copenhague (Dinamarca),
1885- Copenhague (Dinamarca), 1962.
Premio Nobel de Física en 1922 por sus trabajos en la estructura atómica y la emisión de radiación
por los átomos.
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Niels Bohr• En 1913 postuló un modelo del átomo que explicaba
los espectros atómicos del hidrógeno y predecía el valor de la constante de Rydberg con extraordinaria precisión.
• El modelo lleva implícita la idea de la cuantización de la energía a través del establecimiento de una condición a los posibles valores del momento angular del electrón, lo que deviene en la existencia de valores discretos de la energía así como de órbitas permitidas.
• En su modelo aparece por vez primera el número cuántico principal n.
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Niels BohrPostulados del modelo atómico de Bohr
1. Cualquiera que sea la órbita descrita por un electrón, éste no emite energía radiante.
2. Únicamente son posibles aquéllas órbitas para las cuales el momento angular del electrón es un múltiplo entero de h/2.
3. La energía liberada al caer el electrón de una órbita superior a otra más cercana al núcleo, se emite en forma de una onda electromagnética elemental, un fotón.
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Niels Bohr
Consecuencias del modelo atómico de Bohr
r=a0·n2
E=-13.6/n2 (en eV)
4
2 308em eRh c
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Arnold Sommerfeld
Königsberg, 1868 – Munich, 1951.
Físico y matemático alemán.
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Arnold Sommerfeld
• En 1919 extendió la teoría de Bohr, introduciendo órbitas elípticas y un nuevo número cuántico. Los resultados no fueron los esperados y rápidamente se vieron superados por modelo de Schrödinger.
• Posteriormente introdujo correcciones de orden relativista que resultaron en la definición de la constante de la estructura fina, que mide la fortaleza de la interacción electromagnética.
α = μ0e²c / (2h) = 7.297 352 533 × 10-3=1/137
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Arthur Compton
Wooster, Ohio (USA), 1892- Berkeley,
California (USA), 1962.
Nobel de Física 1927 por el descubrimiento del
efecto que lleva su nombre.
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Arthur ComptonEl efecto Compton es la dispersión de fotones por electrones, y puede modelizarse como una colisión elástica entre el fotón y el electrón, con el consiguiente cambio posterior de la longitud de onda del fotón.
1 cosh
mc
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Louis de Broglie
Dieppe (Francia),1892- Paris (Francia),1987.
Físico teórico.
Premio Nobel de Física en 1929 “por su
descubrimiento de la naturaleza ondulatoria
del electrón”.
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Louis de BroglieEn su tesis doctoral de 1924, propone la dualidad partícula–onda, basándose en el trabajo de Einstein y de Planck. Esta afirmación, fue confirmada experimentalmente en 1927 por Davisson, Kunsman y Germer en los EE.UU. y por Thomson en Escocia.
h h
mc p
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Wolfgang Pauli
Viena (Austria),1900- Zurich (Suiza),1958.
Físico teórico.
Premio Nobel de Física 1945 “por el
descubrimiento del principio de exclusión”.
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Wolfgang Pauli
En 1924 introduce el concepto de spin y el principio de exclusión, que limita el número de electrones que pueden compartir un mismo estado cuántico.
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Satyendra Nath Bose
Calcuta (India),1894- Calcuta (India), 1974.
Físico hindú que reformuló las teorías
de Planck y profundizó en el
conocimiento de los fotones.
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Satyendra Nath Bose• En 1924, Bose deduce la ecuación de Planck del cuerpo
negro, partiendo enteramente de presupuestos cuánticos.• Junto a Einstein, formula la estadística que lleva el
nombre de ambos, aplicable a las partículas de spin entero (como los fotones), y que predice la existencia de un nuevo estado de la materia (el condensado de Einstein-Bose), observado por primera vez en 2001.
• Los condensados de Einstein-Bose son superfluidos gaseosos enfriados a temperaturas muy cercanas al cero absoluto. En este estado, todos los átomos del condensado tienen el mismo estado mecanocuántico y pueden fluir sin fricción.
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Satyendra Nath Bose
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Erwin Schrödinger
Viena (Austria), 1887- Viena (Austria), 1961.
Nobel de Física 1933 “por su nueva teoría
atómica”.
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Erwin Schrödinger
En 1925 publica la ecuación que lleva su nombre, basada en una concepción ondulatoria del electrón.
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Niels Bohr
En 1925, Bohr enuncia el principio de correspondencia, que establece las condiciones bajo las cuales, la mecánica cuántica debe dar los mismos resultados que la clásica.
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Werner Karl Heisenberg
Wurzburgo (Alemania), 1901-Munich
(Alemania),1976.
Nobel de Física 1932 “por la creación de la mecánica cuántica”.
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Max BornBreslau (Alemania),
1882-Gottingen (Alemania), 1970
Nobel de Física 1954 “por sus aportaciones
a la mecánica cuántica, especialmente su
interpretación de la función de onda”
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Pascual Jordan
Hannover (Alemania), 1902-Hamburgo
(Alemania), 1980.
Colaboró con Born y Heisenberg en el
establecimiento de las bases de la mecánica
cuántica.
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Heisenberg, Born y Jordan
Born, Jordan y Heisenberg publicaron en 1926 una versión diferente de la mecánica cuántica basada en el álgebra de matrices que luego se demostraría equivalente a la versión de Schrödinger.Ese mismo año, Pauli aplica la mecánica matricial al átomo de hidrógeno, y un año después publica su propia versión.Poco después, Born asignó una interpretación probabilística a ψ*ψ, inventando así el concepto de orbital.
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Werner Karl HeisenbergLa consecuencia más llamativa de la mecánica matricial la publica Heisenberg un año después: el principio de incertidumbre.
x·ph/4
Consecuencias del principio de incertidumbre:• Limitación a la mente humana.• El universo es más complejo de lo que se suponía
pero no irracional.• Puesta en cuestión del principio de causalidad.
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Enrico Fermi
Roma (Italia), 1901-Ghicago (USA), 1954
Nobel de Física 1938 “por la investigación de la radiactividad
artificial”
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Enrico Fermi
Junto a Dirac, desarrolla la estadística de Fermi-Dirac en 1926, aplicable a las partículas de spin semientero (fermiones), y que explica su comportamiento, diferente al de los bosones.
Un año después, Sommerfeld aplicaría con éxito esta estadística a los electrones de los metales.
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Paul Adrien Maurice Dirac
Bristol, (UK), 1902- Florida, (USA), 1984.Nobel de Física 1933
“por su nueva teoría atómica”.
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Paul Adrien Maurice DiracJunto a Fermi describió el comportamiento de los fermiones en 1926.Luego, en 1928, modificó la ecuación de Schrödinger para incorporar aspectos relativistas, deduciendo de su ecuación la existencia del spin del electrón sin introducirlo a posteriori y prediciendo la existencia de partículas idénticas al electrón, pero de carga positiva: los positrones, el primer tipo de antimateria.
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Algunas citas…“No me gusta, y siento haber tenido alguna vez que ver con ello”, Schrödinger“Nada es real”, de Strawberry Fields Forever, The Beatles.“Todo aquel que no queda fuertemente impresionado por la teoría cuántica es porque no la ha entendido”, Bohr.“Toda ciencia es, bien física o bien filatelia”, Rutherford.
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El Universo CuánticoLa Mecánica Cuántica nos enseña que no hay más realidad que nuestras observaciones, y por lo tanto, desde ese punto de vista, el Universo lo creamos nosotros al observarlo.
No es descabellado argumentar que sólo existe este Universo porque hay seres inteligentes (o no tanto) que lo observan.
Desconcertante y fascinante a la vez, ¿verdad?