12.1: Introducción a la Mecánica Cuántica

Figura\(\PageIndex{1}\): Una mosca negra fotografiada por un microscopio electrónico es tan monstruosa como cualquier criatura de ciencia ficción. (crédito: Departamento de Agricultura de Estados Unidos vía Wikimedia Commons)

La mecánica cuántica es la rama de la física necesaria para tratar con objetos submicroscópicos. Debido a que estos objetos son más pequeños de lo que podemos observar directamente con nuestros sentidos y generalmente deben ser observados con la ayuda de instrumentos, partes de la mecánica cuántica parecen tan extrañas y extrañas como partes de la relatividad. Pero se ha demostrado que la mecánica cuántica es válida en los experimentos; la verdad suele ser más extraña que la ficción.

Ciertos aspectos de la mecánica cuántica nos son familiares. Aceptamos como hecho que la materia está compuesta por átomos, la unidad más pequeña de un elemento, y que estos átomos se combinan para formar moléculas, la unidad más pequeña de un compuesto. (Ver Figura\(\PageIndex{2}\).) Si bien no podemos ver las moléculas individuales de agua en una corriente, por ejemplo, somos conscientes de que esto se debe a que las moléculas son tan pequeñas y tan numerosas en esa corriente. Al introducir átomos, comúnmente decimos que los electrones orbitan átomos en conchas discretas alrededor de un diminuto núcleo, compuesto a su vez por partículas más pequeñas llamadas protones y neutrones. También estamos conscientes de que la carga eléctrica viene en pequeñas unidades transportadas casi en su totalidad por electrones y protones. Al igual que con las moléculas de agua en un arroyo, no notamos cargas individuales en la corriente a través de una bombilla, porque las cargas son tan pequeñas y tan numerosas en las situaciones macroscópicas que percibimos directamente.

Figura\(\PageIndex{2}\): Los átomos y su subestructura son ejemplos familiares de objetos que requieren una explicación completa de la mecánica cuántica. Algunas de sus características, como las cáscaras de electrones discretas, son explicaciones clásicas de la física. En la mecánica cuántica conceptualizamos “nubes de electrones” discretas alrededor del núcleo.

HACIENDO CONEXIONES: REALES DE

La física clásica es una buena aproximación de la física moderna bajo ciertas condiciones: objetos grandes y macroscópicos que se mueven mucho más lento que la velocidad de la luz. La mecánica cuántica es válida en general, y debe ser utilizada más que la física clásica para describir objetos pequeños, como los átomos.

Los átomos, las moléculas y las cargas fundamentales de electrones y protones son ejemplos de entidades físicas que se cuantifican, es decir, aparecen solo en ciertos valores discretos y no tienen todos los valores imaginables. Cuantizado es lo opuesto a continuo. No podemos tener una fracción de un átomo, o parte de la carga de un electrón, o 14-1/3 centavos, por ejemplo. Más bien, todo está construido de múltiplos integrales de estas subestructuras. La física cuántica es la rama de la física que se ocupa de los objetos pequeños y la cuantificación de diversas entidades, entre ellas la energía y el momento angular. Al igual que con la física clásica, la física cuántica tiene varios subcampos, como la mecánica y el estudio de las fuerzas electromagnéticas. El principio de correspondencia establece que en el límite clásico (objetos grandes, de movimiento lento), la mecánica cuántica se vuelve lo mismo que la física clásica. En este capítulo, comenzamos el desarrollo de la mecánica cuántica y su descripción del extraño mundo submicroscópico. En capítulos posteriores, examinaremos muchas áreas, como la física atómica y nuclear, en las que la mecánica cuántica es crucial.

Glosario

cuantificado

el hecho de que ciertas entidades físicas existen solo con valores discretos particulares y no todos los valores imaginables

principio de correspondencia

en el límite clásico (objetos grandes y de movimiento lento), la mecánica cuántica se convierte en lo mismo que la física clásica

mecánica cuántica

la rama de la física que se ocupa de los objetos pequeños y de la cuantificación de diversas entidades, especialmente la energía