1: El amanecer de la teoría cuántica
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“Durante el presente siglo se ha producido un cambio profundo en las opiniones que los físicos han sostenido sobre los fundamentos matemáticos de su tema. Anteriormente supusieron que los principios de la mecánica newtoniana proporcionarían las bases para la descripción de todo el fenómeno físico y que todo lo que los físicos teóricos tenían que hacer era adecuadamente desarrollar y aplicar estos principios. Con el reconocimiento de que no hay ninguna razón lógica por la que los principios newtonianos y clásicos deban ser válidos fuera de los dominios en los que han sido verificados experimentalmente ha llegado la constatación de que las apartaciones de estos principios son efectivamente necesarias. Tales salidas encuentran su expresión a través de la introducción de nuevos formalismos matemáticos, nuevos esquemas de axiomas y reglas de manipulación, en los métodos de la física teórica”. P. A. M. Dirac, “Mecánica Cuántica” (1930).
- 1.1: La radiación de cuerpo negro no puede explicarse clásicamente
- Todos los cuerpos emiten radiación térmica que abarca una amplia gama de longitudes de onda. • La cantidad y longitud de onda máxima de la radiación depende de la temperatura del cuerpo, pero no de su composición. • Cuanto mayor sea la temperatura, más radiación se emite y más corta (o más azul) es la longitud de onda del grueso de la radiación.
- 1.2: Hipótesis cuántica utilizada para ley de radiación de cuerpo negro
- La energía se cuantifica en algunos sistemas, lo que significa que el sistema solo puede tener ciertas energías y no un continuo de energías, a diferencia de la mecánica clásica.
- 1.3: Efecto fotoeléctrico explicado con hipótesis cuántica
- La teoría de Einstein del efecto fotoeléctrico hizo la afirmación de que la radiación electromagnética tenía que ser pensada como una serie de partículas, llamadas fotones, que chocan con los electrones en la superficie y emiten electrones cuando se absorben. Esta teoría iba en contra de la creencia de que la radiación electromagnética era una onda y por lo tanto no se reconoció como correcta hasta 1916 cuando Robert Millikan confirmó experimentalmente la teoría
- 1.4: El espectro atómico del hidrógeno
- Se encontró que los gases calentados a incandescencia emiten luz con una serie de longitudes de onda agudas. La luz emitida analizada por un espectrómetro aparece como una multitud de bandas estrechas de color. Estos llamados espectros de línea son característicos de la composición atómica del gas. Uno de esos conjuntos de líneas en la emisión de hidrógeno ATOM son las líneas Balmer, en las que se realiza una relatiotienda fenomenológica entre la frecuencia y un entero de origen desconocido.
- 1.5: La fórmula Rydberg y el espectro atómico del hidrógeno
- La fórmula de Rydberg se utiliza para describir las longitudes de onda de las líneas espectrales y fue formulada por el físico sueco Johannes Rydberg. La fórmula de Rydberg explica las diferentes energías de transición que ocurren entre los niveles de energía. Cuando un electrón se mueve de un nivel de energía superior a uno inferior, se emite un fotón. El átomo de hidrógeno puede emitir diferentes longitudes de onda de luz dependiendo de los niveles de energía inicial y final de la transición.
- 1.6: La materia tiene propiedades onduladas
- Las ondas de materia a menudo se denominan ondas de Broglie y tienen longitudes de onda (λ) a su impulso, p, a través de la constante de Planck, h: λ = h/p.
- 1.7: Las ondas de Broglie pueden ser observadas experimentalmente
- Un electrón, de hecho cualquier partícula, no es ni una partícula ni una onda. Describir el electrón como una partícula es un modelo matemático que funciona bien en algunas circunstancias mientras que describirlo como una onda es un modelo matemático diferente que funciona bien en otras circunstancias.
- 1.8: La teoría de Bohr del átomo de hidrógeno
- El modelo que describiremos aquí, debido a Niels Bohr en 1913, es un intento temprano de predecir las energías permitidas para los átomos de un solo electrón. Se observa que los átomos de hidrógeno excitados emiten luz solo a longitudes de onda discretas. El modelo de Bohr fue un no fenomenológico (basado en principios básicos de la física) que predice la naturaleza discreta del espectro de la fórmula de Rydberg y descompone la constante de Rydberg en las constantes fundamentales del universo.
- 1.9: El principio de incertidumbre de Heisenberg
- El Principio de Incertidumbre de Heisenberg es una teoría fundamental en la mecánica cuántica que define por qué un científico no puede medir múltiples variables cuánticas simultáneamente. El principio afirma un límite fundamental a la precisión con la que se pueden conocer ciertos pares de propiedades físicas de una partícula, conocidas como variables complementarias, como la posición x y el impulso p.
- 1.E: El amanecer de la teoría cuántica (Ejercicios)
- Estos son ejercicios de tarea para acompañar el Capítulo 1 de McQuarrie y Simon's “Physical Chemistry: A Molecular Approach” Textmap.
Miniatura: La interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica implica que después de un tiempo, el gato está vivo y muerto simultáneamente. (CC BY-SA 3.0; Dhatfield).