Autor:
Ing. Víctor Cires
Gavidia
Octubre, 2003 |
F
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ue Niels Bohr, quién nos dijo que los electrones sólo
podían girar en determinadas órbitas en los átomos,
que el espacio existente entre una órbita y otra era
para ellos lugar prohibido.
Que podían brincar de una órbita de más energía (más
alejada del núcleo) a otra
de menos
energía
(más cerca del núcleo), disipando
la
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diferencia de energía en forma de luz.
Onda electromagnética o fotón, ya
Einstein nos demostró que son
intercambiables.
Que también podían pasar de una órbita de menos energía a otra
de más energía, si les suministrábamos la energía necesaria para
hacerlo.
Pero, ¿por qué les están prohibidas órbitas intermedias?
Max Planck había encontrado en sus experimentos con la caja
negra, que la energía, como los niños, sólo se puede dividir
hasta determinado punto, hasta los cuantos.
Esto de "caja negra", suena medio truculento, nos recuerda a la
magia negra, mejor deberíamos utilizar el término usado por los
alemanes "cavidad", por lo que los experimentos de Planck de
radiación de una caja negra, se convierten en radiación de una
cavidad.
De cualquier manera, ya Einstein había encontrado que la energía
de una radiación, depende de la frecuencia, mientras más
frecuencia, más energía.
La relación entre la energía y la frecuencia es una constante,
ésta es la famosa "constante de Planck", bautizada con la letra
h.
Un cuanto de "acción" es el que nos radía un átomo al brincar un
electrón de una órbita a otra.
Esto de cuanto de acción, tiene sus bemoles, pues nos involucra
al tiempo con la energía.
La unidad de energía se llama erg y al dividirla por la
frecuencia que son ciclos o vibraciones por segundo, el
resultado nos da erg-seg., o sea algo que los físicos llaman
acción.
Así como un niño no lo podemos dividir y dejar que siga siendo
niño, los cuantos tampoco.
También en los cuantos, como en los niños, hay unos más grandes
que otros.
Lo trascendental es que "h" sea una constante.
Estas constantes: h de Planck y c (velocidad de la luz) de
Maxwell, son las que han parado nuestro mundo de cabeza y lo han
hecho incomprensible para nuestra imaginación.
El problema empezó con la famosa "catástrofe ultravioleta".
Al aplicar los conceptos de física clásica para medir la energía
proveniente de una caja negra, era lógico suponer que la energía
aumentaría indefinidamente con la frecuencia: más frecuencia,
más energía.
Pero los resultados experimentales no fueron así.
Al pasar de la región (frecuencias) ultravioleta, la cantidad de
energía ya no aumentaba con la frecuencia.
¿Por qué?
Otra vez se topaban los físicos con un experimento que parecía
contradecir la lógica; otra vez, como en el experimento de
Michelson - Morley, la Naturaleza desafiaba su comprensión.
El fuerte de Max Planck era la termodinámica.
En el estudio de esta ciencia, se había llegado a conceptos tan
extraños como la entropía, que podríamos explicar como la ley de
desorden de la naturaleza.
Por ejemplo, si dejamos caer una piedra desde bastante altura,
al llegar al suelo se rompe y los pedazos salen disparados en
diferentes direcciones, transformándose finalmente la energía
que la piedra tenía de posición, por la altura en que estaba
colocada, en calor.
Pero si ese calor final en que la energía de la piedra se
convirtió, lo aplicáramos a los pedazos de la piedra que
quedaron esparcidos en el suelo, es muy difícil imaginar que
junte a los pedazos de la piedra y la vuelva a lanzar hacia
arriba, ¿verdad?
La probabilidad de que esto suceda, es casi cero.
Las matemáticas de probabilidades y estadísticas ya estaban
hechas y Boltzman las había utilizado en termodinámica.
Al aplicar las matemáticas de Boltzman al problema de la
radiación del cuerpo negro, Planck encontró que funcionaban,
siempre y cuando introdujera el concepto de granos o "cuantos"
de acción.
Esto era lo que necesitaba el átomo de Bohr para explicar por
qué los electrones debían girar en determinadas órbitas sin
radiar energía y por qué no podía haber órbitas intermedias.
Otro gigante, de la estatura intelectual de Einstein,
Werner
Heisenberg, fue quien, partiendo de la constante de Planck, así
como Einstein había partido de la constante de Maxwell,
desarrolló la mecánica cuántica.
Mientras tanto, un noble francés, Luis de Broglie decía, si un
rayo de luz, lo podemos considerar como una onda o como una
partícula (fotón), ¿qué nos impide considerar a cualquier otra
partícula, como el electrón por ejemplo, como una onda?
Aplicó así la mecánica ondulatoria, en cuyo desarrollo había
intervenido Erwin Schrödinger, con la que cualquier partícula
material podría ser explicada como una onda.
El concepto del electrón podía ser considerado en esta dualidad
(partícula u onda).
El átomo de hidrógeno podría considerarse entonces como un
núcleo, a cierta distancia del cual existía una onda vibratoria
(el electrón), de energía electromagnética.
En esta consideración el electrón (la onda) no podía tener ni
una posición ni una velocidad determinada.
En esta tesis, Heisenberg definió su "principio de
indeterminación", diciendo que de un electrón no se podría
determinar su posición y su velocidad simultáneamente.
Al imaginar los electrones como ondas de vibración, se podía
explicar que estuvieran en diferentes órbitas (capas) y en
determinado número en cada órbita (capa), que serían los
diferentes modos de vibración de resonancia permitidos.
Los físicos se desenvolvieron en este mundo de la física
cuántica, como peces en el agua, una vez abierta la puerta,
pudieron entrar y comprender el interior del átomo.
En el análisis espectral (recuerdan las líneas producidas por
los rayos de luz), se había encontrado, que las líneas eran
dobles, no sencillas como se derivaría del átomo de Bohr.
Tratando de explicar esta dualidad de las líneas,
Rafael Kronig
propuso que el electrón tuviera otra particularidad que llamó "spin",
el mismo giro interno que mencionamos cuando hablamos del imán
más pequeño.
Este "spin", tiene un valor de h/2 p.
Wolfgang Pauli utilizó este "spin" de Kronig que le sirvió no sólo para
explicar el número de electrones en cada capa sino cómo era la
distribución de éstos en las diferentes capas.
De hecho, este "spin", es otro número cuántico que los
matemáticos usan para describir a las partículas.
Formuló lo que se conoce como Principio de Exclusión de Pauli,
que dos electrones de un conjunto, no pueden tener el mismo
número cuántico.
Este Principio de Exclusión de Pauli se ha encontrado que se
aplica a todas las partículas que se han descubierto hasta la
fecha.
Aplicando el principio de exclusión de Pauli y el concepto de
ondas vibratorias a los electrones, podemos ahora tratar de
imaginar al átomo con un núcleo, a cierta distancia del cual en
la primera órbita puede haber una onda que representa a dos
electrones de diferente spin, en la segunda órbita, formada por
dos subórbitas, ocho electrones, dos en una y seis en otra de
las subórbitas, de diferente spin; en la tercera, tres
subórbitas con dieciocho electrones , en la cuarta, cuatro
subórbitas, etc.
El fabricar una campana, es todo un arte, para lograr que sea
sonora y produzca un tono agradable, su forma y dimensiones
deben ser proporcionadas de tal forma que, al hacerla vibrar, se
produzcan en el cuerpo de la campana ondas de sonido resonantes
con la frecuencia natural de vibración de las diferentes partes
de la misma.
En forma similar, podemos imaginar que los electrones que rodean
al núcleo del átomo, están dispuestos como ondas vibratorias
resonantes, que para serlo, necesitan estar a diferentes
distancias y con diferente forma de vibración.
Los matemáticos, prefieren prescindir de cualquier analogía y
definir a los átomos y a las partículas, solamente por sus
ecuaciones.
No pretendo que se puedan asimilar todas las ideas aquí
esbozadas de los adelantos de la física de los últimos años,
pero, a reserva de darles una mayor explicación cuando sea
necesario y yo pueda, creo que son indispensables para poder
seguir adelante con nuestra explicación de la electricidad y
esas cosas. |
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