Química

Estructura Atómica: Dualidad onda-corpúsculo. Modelo mecanocuántico del átomo.

Principio de incertidumbre

Principio enunciado en 1927 por el alemán Werner Karl Heisenberg según el cual no puede ser conocida con exactitud y simultáneamente la posición y la cantidad de movimiento de un electrón..

Este principio tiene su origen en la mecánica cuántica según la cual el mismo hecho de medir la velocidad o la posición de un electrón implica una imprecisión en la medida

Por ejemplo, en el caso de que pudiéramos "ver" un electrón u otra partícula subatómica, para poder medir la velocidad habría que iluminarlo. Pues bien, el fotón que ilumina a ese electrón modifica la cantidad de movimiento del mismo. Por tanto, modificaría su velocidad original que es lo que queríamos medir.

Dualidad onda-corpúsculo

Al igual que el átomo, la luz ha sido motivo de estudio del hombre desde hace mucho tiempo, debido a su afán de comprender mejor las cosas que le rodean.

Ya 500 años antes de Jesucristo, Pitágoras afirmaba que la luz está formada por partículas que fluyen en línea recta y a gran velocidad del propio cuerpo luminoso que captan nuestros ojos.

Más tarde, Aristóteles sostuvo que la luz se propaga desde el cuerpo hasta el ojo, análogamente a como el sonido parte del cuerpo y llega al oído por vibraciones del aire.

Isaac Newton (1642-1727), se opuso tenazmente a esta teoría ondulatoria y fue partidario de la teoría corpuscular,cuya idea coincidía con la de Pitágoras. Esta teoría explica bien la reflexión (la luz se refleja en un espejo de modo análogo como una bola de billar rebota en la banda de la mesa). La refracción de la luz, aunque con más dificultades es también explicada, pero otros fenómenos como la polarización y la difracción no encuentran respuestas.

Para otros, partidarios de la teoría ondulatoria de Huyghens (1629-1695), la luz está formada por vibraciones del éter. Sin embargo, pese a que esta explica perfectamente fenómenos como la polarización y la difracción, el gran prestigio de Newton, hizo que la teoría corpuscular prevaleciera durante todo el siglo XVIII.

Hasta el siglo XIX los físicos estaban divididos sobre la naturaleza de la luz. En 1815, el inglés Maxwell dedujo teóricamente que la velocidad de las ondas electromagnéticas era la misma que la de la luz. Este hecho le sugirió la idea de que la luz debía estar formada por vibraciones electromagnéticas de frecuencia elevada que no necesitan ningún medio material para propagarse. Según esta teoría no era necesaria la existencia del hipotético éter y la luz entraba a formar parte de las radiaciones electromagnéticas. Esto supuso un golpe de muerte para la teoría corpuscular.

Cuando parecía que el modelo ondulatorio de Huygens había logrado dar una explicación exacta sobre la naturaleza de la luz, los experimentos de Heinrich Rudolf Hertz en el año 1887 vienen a introducir un nuevo problema: el efecto fotoeléctrico: cuando se ilumina una superficie metálica con una radiación de frecuencia adecuada se produce una emisión de electrones. La teoría ondulatoria no da explicación suficiente del efecto fotoeléctrico, ya que según la misma la energía transportada por una onda es independiente de su frecuencia, mientras que la experiencia nos demuestra que por debajo de cierta frecuencia el efecto fotoeléctrico no se produce.

La explicación del efecto fotoeléctrico fue dada por Albert Einstein, basándose en la Teoría de Planck. Para Albert Einstein, si la energía es emitida o absorbida de manera discontinua mediante cuantos de energía (como sostenía Planck) es porque la misma naturaleza de la luz (la energía radiante) es discontinua y está formada por paquetes de energía hv a los que llamó fotones, de modo que actúan de manera similar a los corpúsculos de Newton.

Se permaneció así, con un doble carácter corpuscular y ondulatorio, que prevalecía uno sobre otro según qué fenómeno se tratase, hasta que en 1923 Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie acabó con las discrepancias y estableció la dualidad onda-corpúsculo. Según De Broglie, el fotón puede ser considerado como un corpúsculo que parte del cuerpo luminoso y que en su rápido movimiento origina una onda electromagnética (cuya longitud de onda dedujo: λ =h/mv), convirtiéndose así en un corpúsculo-onda, del mismo modo que al avanzar rápido un proyectil origina un movimiento periódico que nosotros percibimos como sonido. Del mismo modo que electrón transporta su campo eléctrico, cada cuanto de radiación transporta consigo un fenómeno periódico que se extiende por el espacio circundante. Por consiguiente, la aparente contradicción sobre la doble naturaleza de la luz cesa desde el momento en que la energía radiante constituida a la vez por ondas y corpúsculos, indisolublemente asociados. Porque entonces se concibe sin dificultad que el carácter ondulatorio se manifiesta más especialmente en ciertos fenómenos, mientras que en otros prevalece el carácter corpuscular.

Modelo mecanocuántico del átomo

Una de las consecuencias deducidas del Principio de Indeterminación de Heisenberg es que la interacción entre los aparatos de medida y los objetos de la medición hace imposible determinar simultáneamente y con precisión la posición y la velocidad del electrón. De aquí se sigue la imposibilidad de hablar de trayectorias: una trayectoria significa el conocimiento de la posición de una partícula en cada instante, y de la velocidad correspondiente a cada posición. Con este punto de vista, los modelos de Bohr y Sommerfeld, muy intuitivos, han de parecer forzosamente limitados. En 1924 el francés Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie amplía al electrón (y a otras partículas) la noción de dualidad onda-corpúsculo, según la cual el electrón lleva asociada una onda electromagnética de longitud λ =h/mv. La hipótesis ondulatoria de la materia y el principio de indeterminación, alteraron los conceptos de posición,velocidad y orbital electrónico. Nació así un nuevo dominio de la física, la mecánica cuántica, que explica coherentemente los fenómenos del microcosmos.

En 1926 el austriaco Erwin Schrödinger basándose en la hipótesis de De Broglie y la idea de órbitas permitidas de Neils Bohr, supone que esas órbitas debían de contener un número entero de longitudes de onda lo que daría origen a una onda estacionaria. Considerar una onda asociada al electrón explicaría la razón de ser de los orbitales posibles que Neils Bohr estableció como postulado, cuya circunferencia sería un múltiplo de la longitud de onda de los electrones.

El estado de un electrón de obtendría mediante la ecuación que Erwin Schrödinger postula en 1926. Teniendo en cuenta el principio de incertidumbre dichas ecuaciones no se pueden resolver, pero se obtienen la llamada función de onda (Ψ), aproximación de carácter estadístico que nos permite deducir para cada nivel de energía la probabilidad de que los electrones estén en una u otra situación. Las órbitas electrónicas quedan sustituidas por zonas del espacio en la que existe el 99% de encontrar al electrón, a la que llamamos orbitales.

Editor: Fisicanet ®

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