En el siglo V a. C. el filósofo griego Demócrito había expresado la idea de que la estructura de la materia estaba compuesta de un número muy alto de pequeñas partículas. Es conocido que Demócrito fue quien denominó a estas partículas con el nombre de átomos. Para ese filósofo griego estas partículas eran indivisibles, por lo que esta idea perduró durante mucho tiempo. Durante el periodo comprendido entre finales del siglo XIX y hasta el año de 1930, muchos científicos estuvieron realizando experimentos para encontrar un modelo satisfactorio para el átomo, que explicara los fenómenos físico-químicos más evidentes de la estructura de la materia, y que aunque ya eran muy conocidos, no se tenía un modelo bien establecido. En 1904 el científico británico Joseph John Thomson propone uno de los primeros modelos atómicos. Thomson asume que el átomo es algo similar a un pudín con pasas, en el que los electrones (las pasas), con carga negativa, están incrustados sobre una esfera (pudín), la cual está cargada positivamente.
Pocos años después, para 1908, Ernest Rutherford, quien recibió el Premio Nobel de Química, descubre a través de un experimento de dispersión de partículas α (alfa), sobre una lámina de Au (oro), que la mayoría de estas partículas atravesaban la lámina con muy poca o con ninguna desviación. Rutherford asumió que la mayor parte de un átomo debía ser espacio vacío, esto explicaba porque las partículas no habían sufrido prácticamente desviación al chocar con los átomos de las laminas de oro. Fue también Rutherford, quien propuso que debía existir una alta concentración de partículas cargadas positivamente (protones), en el centro del átomo similar al centro de una esfera, y a este punto, él le llamo núcleo atómico. Por lo que los electrones (cargas negativas) quedaban entonces alrededor del núcleo orbitando como en un modelo planetario.
Más tarde en el año 1913, Niels Bohr, propone que las posibles órbitas de los electrones tienen distancias cuantizadas al núcleo, por lo que los electrones cambian de órbita, pero nunca se ubican a la mitad de dos de éstas. Algunos años antes, en diciembre de 1900, Max Planck mostró que ocurren extraños saltos en el mundo de los átomos. Hoy conocidos como saltos cuánticos. Hasta entonces todos los procesos de la naturaleza se consideraban continuos. Planck observó que esto estaba relacionado con la emisión de ondas electromagnéticas incluyendo la luz visible y la radiación térmica. Planck reconoció que la emisión de luz se produce por etapas, en forma de paquetes de energía o quanta, como si en el caso de un auto, éste sólo pudiera moverse a 10 km/h, 20 km/h o 30 km/h, pero no a 10,5 km/h o a 40.5Km/h. Entre las órbitas de los átomos ocurren los saltos cuánticos, esto es, solo en órbitas con ciertos valores determinados de energía (cuanto). El tamaño del salto depende de la constante de Planck, que tiene un valor igual a, 6.6262X10^34 Joule-segundo, ésta es una constante natural, que el mismo Max Planck descubrió. La mecánica cuántica iniciada por Planck fue la base de la física que se desarrolló en las siguientes décadas.
Desde los tiempos de Niels Bohr, los físicos han sospechado que los electrones en un átomo, solo se mueven en ciertas órbitas alrededor del núcleo. Cambian estos caminos cada vez que absorben o liberan una cierta cantidad de energía en forma de cuantos. Pero nadie había sido capaz de explicar por qué esto era así. Schrödinger retomó una idea del físico francés Louis Victor de Broglie, según la cual el electrón es una onda, y en el año 1926, propuso su ecuación de onda. Según esta ecuación el electrón es pura energía, y, para decirlo simplemente, se encuentra en forma de un anillo ondulado alrededor del núcleo. El diámetro de este anillo solo puede cambiar en una cantidad fija dependiendo de cuánta energía se agregue o se pierda del átomo. La interpretación de Copenhague, desarrollada principalmente por Niels Bohr y Werner Heisenberg en la década de 1920, es el marco fundamental de la mecánica cuántica. Postula que las partículas cuánticas no poseen propiedades definidas (como posición o momento) hasta que se miden, y en cambio existen en un estado de probabilidad.
Para el año 1926 Erwin Schrödinger (1887-1961), propone que los electrones son en realidad ondas de energía pura, los cuales giran alrededor del núcleo en ciertos intervalos. Por lo que el modelo que es válido hoy día, dice que: un electrón se mueve en ciertas zonas permitidas llamadas orbitales, éstas están alrededor del núcleo, y solo se puede hablar de la probabilidad en cuanto a su posición. Esto es justamente una consecuencia de los postulados de la mecánica cuántica. Erwin Schrödinger no creyó por completo en la física cuántica fundada por Max Planck, por ello estableció una ecuación matemática, conocida como ecuación de Schrödinger y que fue decisiva para corregir la mecánica cuántica de Planck. Schrödinger es el hombre que ideó la versión más utilizada de la teoría cuántica, la mecánica ondulatoria, creyó estar devolviendo la cordura a una disciplina que se había descontrolado. Schrödinger era un físico de la vieja escuela, tenía casi 40 años cuando realizó este trabajo. Al expresar la física cuántica en términos de ondas, Schrödinger pretendía armonizarla con las ideas clásicas. Cuando esto resultó imposible, se sintió profundamente decepcionado y, a partir de entonces, apenas volvió a involucrarse con la teoría cuántica, salvo para señalar lo que consideraba sus fallos. La aversión de Erwin Schrödinger hacia la Interpretación de Copenhague lo llevó a idear un experimento mental para demostrar su absurdidad, conocido como la Paradoja del Gato. Aunque en realidad, el experimento de Schrödinger no era tanto una paradoja, como si una ilustración gráfica, de la extrañeza del mundo cuántico.
El estudio de conceptos de la mecánica cuántica, “exóticos para la mayoría de los seres humanos,” tienen importancia en el entendimiento de reacciones químicas, y en el estudio de ciertas aplicaciones como, la energía atómica, la fusión nuclear, la fabricación de láseres, entre otras aplicaciones. Un ejemplo real de un instrumento que está siendo fabricado en el laboratorio de Energía Laser, de la Universidad de Rochester, en los Estados Unidos; se muestra en la siguiente página web:
https://www.lle.rochester.edu/
https://www.lle.rochester.edu/index.php/omega-laser-facility-2/6271-2/
Apreciable lectora y lector, te invito a ver el siguiente video:
https://www.youtube.com/watch?v=YpYuBEzfRlM
https://www.youtube.com/watch?v=zOX-gbH7J64&t=6s
Universidad Politécnica de Tulancingo alfonso.padilla@upt.edu.mx
