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lunes, 16 de abril de 2012

Texto Química - "Diálogos 1: Modelos atómicos"

Segundo texto que dejó la profesora en el Gmail de química, le cambié los colores y el formato para que quedara un poco mejor nada más. Es lectura bastante pesada pero tiene mucha información útil, espero que les sirva.
(No hay que responder las preguntas del final)

Extraído y modificado del libro “Diálogos sobre Física Moderna” de
JOSÉ ANTONIO MONTIEL TOSSO

Aclaración previa: Todo lo escrito en este color son agregados para una mejor interpretación y cuando aparece (…) significa que se ha eliminado parte del texto.

Introducción

El objetivo de esta obra es la divulgación de las ideas de la Física Cuántica a través de un diálogo profesor-alumno sobre esta parte de la Ciencia. En ella se pretende profundizar en el significado y la interpretación de unos conceptos realmente nuevos que suponen una ruptura con la Física tradicional. En esta última, las leyes se deducen muchas veces mediante una simplificación de la realidad, pero el estudiante las entiende como algo natural, que encaja perfectamente en su marco conceptual.
Sin embargo, al reducir el tamaño del objeto estudiado y viajar al mundo subatómico, junto a la miniaturización de la escala se lleva a cabo un cambio mucho más profundo, que afecta al mundo de las ideas. El lector debe entender que su actitud mental ha de flexibilizarse, de manera que los resultados no se cuantifican en números exactos, sino que se mueven en el ámbito de las probabilidades, e incluso los propios objetos –las partículas- también adquieren una nueva naturaleza, más allá de su sola materialidad.
Como es lógico, las explicaciones a veces pueden parecer demasiado simples (…), se ha intentado facilitar la comprensión de los conceptos (…) aunque  se pierda el grado de rigor de un experto.
(…)  Hoy día, el avance de la tecnología de los aceleradores de partículas nos permite reproducir las energías y temperaturas de los primeros instantes del universo, de modo que los hallazgos de la Física de partículas en los últimos años corroboran muchas de las ideas cosmológicas sobre el origen y evolución del universo, al mismo tiempo que deja patente la dependencia absoluta entre el microcosmos que forma el mundo subatómico y el macrocosmos que se estructura en objetos visibles, astros, galaxias, cúmulos y supercúmulos que designamos como universo.
José Antonio Montiel Tosso

Alumno:(...) la visión cuántica nace en el siglo XIX, pero... ¿cómo pensaban los hombres que eran los átomos anteriormente?
Profesor: Has tocado uno de mis temas favoritos. Si analizamos cómo ha
cambiado la idea que los hombres han denominado átomo, podemos asistir
a uno de los capítulos más apasionantes en la historia de la Ciencia.
Siguiendo el hilo cronológico de los modelos teóricos derivados de los fenómenos observados, es posible apreciar el modo en que evoluciona el conocimiento científico.
Alumno: Quisiera preguntarle sobre esto.
Profesor: Naturalmente. Podemos hacer un breve recorrido a lo largo de
los 25 siglos que tiene de vida el concepto de átomo, recordando los
momentos cruciales en los que se produjeron los cambios más drásticos, así
como los principales responsables de éstos y los hechos experimentales que
los indujeron. Ente todas las teorías científicas, este es un bonito paradigma
muy útil para observar el desarrollo de la Ciencia y el modo en que se
construye su cuerpo de conocimientos. Cada nuevo avance ha de responder
a todos los hechos anteriores y explicar los nuevos fenómenos que la teoría
antigua no era capaz de asumir.
Alumno: Así pues, la revisión de la teoría viene demandada por algún
hecho experimental desconcertante, que no encaja con el modelo
considerado como válido en ese momento.
Profesor: Exactamente. Y el nuevo modelo, una vez completado con
éxito, debe permitir realizar predicciones acerca de fenómenos relacionados
en el marco de esa teoría. Cuando esto se consigue, la confirmación del
modelo se puede dar por alcanzada. Ahora bien, el perfeccionamiento en las
técnicas instrumentales y el avance de la tecnología puede, con el tiempo,
dar lugar a nuevos fenómenos que obliguen a una ulterior revisión del
modelo.
La filosofía griega y los elementos
Alumno: Pues bien. ¿Cuándo y dónde comenzó todo?
Profesor: Desde la más remota antigüedad, los filósofos griegos se
habían preguntado acerca del modo en que estaban constituidas las cosas.
Concibieron la idea de elemento primordial que animaba todo lo que hay en
la naturaleza. Así, Tales de Mileto, en el siglo VI a.C. pensó que el agua era
el componente básico de todas las cosas. De él partió la idea de que este
elemento originaba, mediante transformaciones, el resto de sustancias.
Dicho pensamiento tuvo eco en sus contemporáneos, aunque no creyeron
en el agua como elemento primordial, proponiéndose otros, como el aire
para Anaxímenes, también de Mileto, o el fuego para Heráclito de Éfeso
(siglo V a.C.)
No obstante, el salto cualitativo en la noción de elemento lo dio Empédocles de Sicilia, de la escuela pitagórica, en el siglo V a. C., sugiriendo la existencia de varios elementos, los ya conocidos agua, aire y fuego, y un cuarto añadido por él: tierra. De este modo, cualquier sustancia natural se hallaba formada por la combinación de esos cuatro elementos en las proporciones adecuadas.
En el siglo IV a. C., Aristóteles de Estagira, el más famoso pensador de la Grecia clásica, asumió esta idea e incluyó un quinto elemento (quintaesencia): el éter, que llenaría los cielos.
Alumno: Recuerdo haber estudiado la teoría geocéntrica y cómo en la
Antigüedad se pensaba que las estrellas y planetas giraban en torno a la Tierra suspendidos en un fluido muy sutil, denominado éter.
Profesor: Ptolomeo fue su autor principal y Aristóteles su valedor más famoso. Él ha tenido buena culpa del éxito de esta equivocada teoría que tantos problemas ocasionaron a muchos. Algunos, como Giordano Bruno, incluso murieron por defender su contraria: la teoría heliocéntrica. Al mismísimo Galileo casi le sucede lo mismo, de no ser por su reputación y sus amistades entre el clero de su tiempo.
Alumno: Sin embargo, Aristóteles no iba tan mal encaminado al considerar que la combinación de elementos generaba todo lo que existe en
la naturaleza.
Profesor: Dicho así, tengo que estar de acuerdo contigo. Pero, en mi humilde opinión, el Aristóteles “naturalista” no estaba a la altura del Aristóteles “pensador”.
Alumno: ¿Por qué?
Profesor: Porque la gran idea aportada por la filosofía griega no fue suya.
Alumno: ¿A qué se refiere?
Nace la idea de átomo
Profesor: Ya en el siglo V a. C., el filósofo jonio Leucipo razonó que todos los cuerpos se pueden dividir por sucesivas particiones hasta llegar a un punto en el cual los tamaños de las partículas sean tan pequeños que impida otra nueva división. Su discípulo Demócrito de Abdera acuñó el término átomo para designar a los menores constituyentes de la materia que no admiten más división. Nacía definitivamente la filosofía atomista, que iba a ser rotundamente denostada (denigrada, censurada) por Aristóteles.
Considerando la influencia de Aristóteles en el pensamiento no sólo de su época, sino de muchos siglos posteriores, no es de extrañar que la acertada
idea de la existencia de los átomos fuera olvidada por la comunidad científica durante más de dos milenios.
Alumno: ¡Vaya!, otra de las injusticias de la historia de la ciencia.
Profesor: En efecto...y la más duradera. Fíjate cuán larga era la sombra de Aristóteles que se necesitaron 23 siglos para que alguien resucitase al átomo.
Alumno: ¿Cómo fue?
Vuelven los átomos
Profesor: Desde que en el siglo XVII, y sobre todo en el XVIII, la Química había adquirido carta de naturaleza como una importante rama del conocimiento humano, se habían descubierto un conjunto de leyes sobre los pesos que intervenían en las combinaciones de sustancias para obtener los compuestos, debidas a los franceses Lavoisier y Proust, y al británico Dalton, las cuales se completaron con las leyes volumétricas de los gases, enunciadas por el francés Gay-Lussac y el italiano Amadeo Avogadro.
Alumno: Sí. La ley de Lavoisier también se conoce como ley de la conservación de la masa, porque afirma que la masa de sustancias reaccionantes es igual a la masa de los productos. O dicho de otra manera: la masa no se puede crear de la nada.
Profesor: Menos mal que Lavoisier no estudió reacciones nucleares.
Alumno: ¿Por qué lo dice?
Profesor: Porque entonces tendría que haber enunciado la ley de la conservación de la masa-energía, puesto que no se cumple exactamente para las reacciones nucleares. De todos modos, ya fue importante su trabajo. No era una ley tan evidente como ahora nos pueda parecer porque tuvo que diseñar buenos montajes experimentales que le permitieran recoger y pesar los gases que eventualmente intervinieran en las reacciones estudiadas, y así comprobar la perfecta validez de la ley. Lavoisier en su libro “Tratado de Química” nos dejó un importante legado que sus contemporáneos no supieron valorar. Tuvo la desgracia de trabajar para el Rey en los años de la Revolución Francesa y el pueblo no le perdonó. Murió en la guillotina.
Alumno: ¡Caramba! Otra ironía del destino. La ley de Proust también se llama ley de las proporciones constantes, puesto que indica que al combinarse dos elementos para formar un determinado compuesto siempre lo hacen en la misma proporción en peso. Tiene su complemento en la ley de Dalton de las proporciones múltiples, cuando se estudian varios compuestos a partir de distintos pesos de los mismos elementos. Dalton comprobó que estos diferentes pesos guardaban entre sí unas relaciones sencillas, que se podían expresar mediante números enteros.
Profesor: Excelente. Me doy cuenta de que dominas perfectamente las leyes ponderales clásicas de la química.
Alumno: ¿Ponderales?
Profesor: Se llaman así porque hacen referencia al peso de las sustancias. ¿Recuerdas igualmente las volumétricas?
Alumno: Por supuesto, se trata de la ley de los volúmenes de combinación, que se debe al francés Gay-Lussac. Explica que al mezclar varios gases y formar los mismos productos siempre lo hacen en la misma proporción volumétrica.
Profesor: Muy bien. Con el fin de explicar dichas leyes, el propio John Dalton volvió a la antigua idea del átomo como constituyente de la materia en su teoría atómica presentada en los inicios del siglo XIX. En su obra, titulada “Nuevo sistema de filosofía química”, Dalton afirmó que los átomos de un elemento eran iguales entre sí y que los compuestos se originaba por la unión de átomos de los elementos correspondientes en unas cantidades definidas. Poco después, Avogadro denominó moléculas a las menores unidades constituyentes de los compuestos, formadas por la unión adecuada de sus átomos. En este momento el átomo se identifica con una partícula indivisible.
Alumno: Pero hoy sabemos que el átomo no es tan simple como lo imaginaba Dalton. ¿Por qué tenemos aún que estudiar su modelo?
Profesor: No te das cuenta de que fue el primer modelo atómico moderno. Ahí reside su interés. Él supo volver la vista a la filosofía griega y hacer resurgir el concepto de átomo. También dio un gran impulso a la sistematización en la formulación química. Por otro lado, el modelo de Dalton tuvo una larga vida, pues hasta finales de siglo, en 1897, no sucedió el hecho que obligó a su revisión: el descubrimiento del electrón, que rompía con el concepto de indivisibilidad del átomo.
El inglés J. J. Thomson consiguió demostrar por primera vez que los rayos catódicos obtenidos al someter un gas a elevados potenciales en los tubos de descarga estaban constituidos por unas partículas muy pequeñas, de carga eléctrica negativa, que formaban parte de todos los átomos y que más tarde fueron denominadas electrones. El término para designar a la primera partícula subatómica descubierta se debe a una propuesta de Stoney, porque electrón significa ámbar en griego, una resina fósil muy utilizada en los primeros ensayos de electrización. Gracias al experimento del norteamericano Millikan, en 1911, se conocieron los valores de la carga y la masa de estas partículas, confirmándose que son integrantes de todos los átomos y mostrando, por consiguiente, su divisibilidad.
Sin embargo, el modelo de Thomson aún imaginaba un átomo más o menos esférico, con los electrones incrustados en una masa positiva, resultando un conjunto eléctricamente neutro.
Las órbitas electrónicas
Alumno: Me imagino que debió suceder algo que hiciera evolucionar la
idea que los físicos tenían del átomo.
Profesor: (...) Cuando una hipótesis es confirmada mediante los experimentos, se puede transformar en una ley científica que establezca una relación entre determinadas variables, susceptible de ser enunciada o expresada matemáticamente. Al estudiar un conjunto de leyes relacionadas con un mismo tema, en ocasiones es posible hallar algunas regularidades que den lugar a unos principios generales con los cuales se constituye una teoría. (...)
Alumno: Si no lo he entendido mal, el método de la ciencia consiste en la
reproducción controlada en el laboratorio de los fenómenos observados
previamente en la naturaleza.
Profesor: Por esto, para que una teoría científica sea admisible debe relacionar de manera razonable muchos hechos, en apariencia independientes, en una estructura mental coherente. Así mismo, debe permitir hacer predicciones de nuevas relaciones y fenómenos que se puedan comprobar experimentalmente.
Alumno: Comprendo. A partir de los resultados experimentales establecemos una ley y de su expresión matemática realizamos predicciones acerca de nuevos fenómenos, que inmediatamente pasamos a comprobar. No obstante, cuando se descubre un hecho que no se pueda explicar en el marco de una teoría determinada nos veremos obligados a modificarla.
Profesor: Así fue sucediendo en el estudio del átomo. Los avances en el campo tecnológico y en el diseño experimental permitieron constatar diversos fenómenos que, cada cierto tiempo, creaban la necesidad de revisar el modelo.
Alumno: Se refiere usted al modelo atómico. ¿Qué es, en general, un
modelo científico?
Profesor: Podemos decir que los modelos se sitúan en un nivel superior,
pues se elaboran tomando como base las leyes y las teorías. Los modelos científicos son una abstracción mental, una interpretación de la naturaleza, dotados generalmente de una estructura lógico-matemática, que se utilizan
para poder explicar algunos fenómenos relacionados y para representar por
aproximación al objeto considerado en la investigación. El modelo será
tanto mejor cuanto más explique el comportamiento observado del objeto. No
es imprescindible que esas interpretaciones sean ciertas, sino que sean útiles y eficaces para el fin que se persigue. Por ejemplo, no importa demasiado saber si los electrones giran en órbitas alrededor del núcleo, sino que lo realmente importante es que se comportan como si lo hicieran. Por eso, como te decía, el modelo atómico, igual que otros, ha sufrido tantos cambios a lo largo de la historia de la ciencia, debido, por un lado, al avance del conocimiento científico y, por otro, al desarrollo de la tecnología que proporciona a la ciencia unos medios cada vez mejores para estudiar la naturaleza.
En definitiva, hemos de pensar en los modelos científicos como concepciones dinámicas, que se modifican y evolucionan constantemente y que son el resultado de las interacciones entre las observaciones y las hipótesis, centro de la actividad científica.
Alumno: Parece que lo verdaderamente importante no es conocer la realidad sino ser capaces de interpretarla.
Profesor: Bueno, sí, siempre que se haga en términos cuantitativos.
Alumno: Me iba a decir el motivo por el que se tuvo que abandonar el modelo de Thomson.
Profesor: Claro. Paralelamente al estudio de los rayos catódicos se realizaron ensayos similares, llevados a cabo por el alemán Goldstein, empleando cátodos perforados. Sus investigaciones condujeron al
descubrimiento del protón, otra partícula subatómica, de carga positiva e
igual a la del electrón, si bien de una masa casi dos mil veces mayor. Ya no
quedaba ninguna duda de que el átomo poseía una estructura interna.
Alumno: ¿Tuvo mucha duración la validez del modelo atómico de Thomson?
Profesor: Lo cierto es que no demasiado. Menos de una década. El comienzo de su declive lo hemos de situar en un famoso experimento realizado por el británico Ernest Rutherford en 1911. En él, bombardeó con partículas alfa distintas láminas metálicas y sus resultados le llevaron a proponer una modificación sustancial en el concepto del átomo. Para justificar las desviaciones de las partículas al atravesar las láminas, no había más remedio que considerar al átomo con una zona central muy reducida de carga positiva formada por los protones, en torno a la que giran los electrones en órbitas circulares y en número igual al de los protones.
Rutherford calculó que el tamaño de la corteza (periferia) , formada por las órbitas electrónicas, el diámetro debía ser unas cien mil veces mayor que el del núcleo, si bien la masa total del átomo se hallaba concentrada casi exclusivamente en éste último.
Cuando Rutherford explicaba su modelo lo comparaba con un sistema planetario en miniatura. A él se debe la noción de espacio vacío en las amplias regiones de la corteza  (periferia) no ocupadas por los electrones.
Alumno: ¿Dio, Rutherford, indicaciones acerca del número de órbitas o de
cuántos electrones giraban en cada una?
Profesor: Realmente no. Este modelo no tenía capacidad para determinar
lo que me preguntas. Además, el propio autor ya sabía de sus limitaciones.
Por ejemplo, la teoría electromagnética clásica no permite que una carga que gira, aunque sea con velocidad constante, no pierda energía. El átomo de Rutherford tuvo los días contados, no era una estructura estable. El electrón, al ir perdiendo energía, iría describiendo órbitas sucesivamente menores hasta precipitarse contra el núcleo.
Alumno: Y ello destruiría al átomo.
Profesor: Sin embargo, no fue sólo eso lo que provocó la crisis. Por dicha época era un misterio la obtención de los espectros atómicos.
Alumno: No me suena muy bien eso de los espectros.
Profesor: Su denominación hace referencia a las radiaciones luminosas.
Cuando se les comunica energía a los átomos, en estado gaseoso, vuelven a
su estado fundamental emitiendo ciertas radiaciones, de unas longitudes de onda o frecuencias características. Si las recogemos sobre una placa fotográfica obtenemos su espectro de emisión que sirve para identificar al átomo en cualquier tipo de muestra. Además, el grosor o intensidad de las rayas nos determina la concentración de ese elemento.
Alumno: Luego un espectro es algo así como las huellas digitales de un
elemento.
Profesor: Muy buena comparación. El caso más curioso que recuerdo es el del estudio del espectro solar. Descubrieron unas rayas que no se correspondían con ningún elemento conocido en la Tierra y lo llamaron helio, lógicamente (helio significa sol). Con el tiempo, el helio, un elemento de la familia de los gases nobles, también fue identificado en la Tierra, pues se halla en una pequeña proporción en nuestra atmósfera.
De la misma manera, el espectro de absorción de un átomo se obtiene
vaporizándolo e iluminándolo con luz blanca, y recogiendo en una placa
fotográfica las radiaciones resultantes. Se observa un espectro continuo de
colores con ciertas rayas negras, que son precisamente las radiaciones
absorbidas por el átomo y que coinciden exactamente con las de su espectro de emisión.
Alumno: Sospecho que no hubo forma de explicar esto con el modelo de
Rutherford.
Profesor: Pues no. El modelo empezó a perder validez a pesar de su carácter innovador en 1911.
Un nuevo cambio: el modelo de Böhr
Alumno: Me imagino que existiría un cierto nerviosismo en la comunidad
científica por ver cómo se lograba encajar este fenómeno tan misterioso.
Profesor: Si fue así, lo cierto es que hubo que esperar poco tiempo.
Después del impacto que la teoría cuántica de Planck causó en el año 1900,
el danés Niels Böhr, fue el primero en apreciar su utilidad a la hora de
interpretar la emisión y la absorción de energía a escala atómica. Basó su
modelo en unos sencillos postulados de los cuales derivó las expresiones de
los radios y las energías de las órbitas electrónica. Además, aplicó la ecuación de Planck para calcular los cambios energéticos asociados a las transiciones o saltos del electrón cuando se mueve desde una órbita a otra en el átomo de hidrógeno, al considerar las interacciones eléctricas con el protón del núcleo.
Este modelo es el primero que incorpora la visión actual de la Física Atómica, porque introduce la idea de que los valores de la energía (y del radio de las órbitas) no pueden ser cualesquiera sino que están cuantizados.
No obstante, sigue prevaleciendo la existencia de órbitas electrónicas, que
concuerdan perfectamente con el concepto clásico de trayectoria.
Alumno: No entiendo bien ese término “cuantizado”.
Profesor: Significa que ni el radio ni la energía pueden adoptar cualquier
valor sino que sólo les están permitidos algunos de ellos. Se deducen de
relaciones matemáticas en las que intervienen los “números cuánticos”,
cuyos posibles valores son los que sirven para calcular dichos radios y las
energías de las órbitas.
Alumno: Algo así como si en una carpintería en lugar de poder comprar
tablones de la longitud que deseamos sólo nos ofrecen respectivamente de
50cm, de 60, de 80 o de 110cm, por ejemplo.
Profesor: Entonces diríamos que la longitud de los tablones está cuantizada.
Alumno: ¿Es muy complicado el fundamento matemático del nuevo modelo?
Postulados de Böhr
Profesor: Ciertamente, no. El modelo de Böhr para el átomo de hidrógeno
data de 1913 y se construye a partir de dos postulados:
I)            El electrón gira en torno al núcleo, sin perder energía, en órbitas circulares que si identifican con el número cuántico “n” cuyos valores son n= 1,2,3,4,… contadas desde el núcleo hacia fuera con el respectivo aumento de energía.
II)          El átomo sólo emite o absorbe energía cuando el electrón pasa de una órbita a otra inferior o superior, respectivamente. La energía emitida o absorbida en forma de radiación electromagnética es igual a la diferencia de energía entre ambos estados (órbitas).
         Siendo E1 y E2 las energías de las órbitas inicial y final entre las que
         se produce la transición.
Radio y energía de las órbitas
Alumno: ¿Y con dos postulados únicamente se elabora el modelo?
Parece fácil.
Profesor: En efecto, sólo se necesita dominar con relativa fluidez los cálculos algebraicos y ciertos contenidos de dinámica y electricidad.
De esta manera Bohr pudo calcular los posibles valores para el radio de las órbitas que dependen del número cuántico n, el cual puede adoptar valores naturales desde 1 en adelante, para las órbitas sucesivas.
Por otro lado, la energía del electrón se deduce sumando sus energías cinética y potencial eléctrica. Como te decía, estos cálculos  muestran que tanto el radio de las órbitas como su energía se hallan cuantizados.
Alumno: Así, para determinar la energía de la transición electrónica desde la órbita de radio R1 (haciendo el cálculo con n = 1), hasta la órbita de radio R2, (calculando con n = 2), basta hallar la diferencia entre E2 – E1
Profesor: Claro. Las fórmulas deducidas por Bohr permitían asignar perfectamente todas las rayas del espectro del hidrógeno a sus respectivas transiciones electrónicas.
Alumno: Eso tuvo que ser un gran éxito.
Profesor: Por supuesto. Ahí comenzó de verdad la revolución cuántica.
Por cierto, si reflexionamos detenidamente sobre los postulados de Böhr y
recordamos la hipótesis de la dualidad onda-corpúsculo, es posible hallar interesantes relaciones. A pesar de que ésta última fue muy posterior, pues
hubo de transcurrir más de una década, sorprende la concordancia.
Relaciones con la ecuación de De Broglie
Profesor: Recuerda que Louis de Broglie propuso que todas las partículas,
incluyendo al electrón, en su movimiento poseen asociada una onda, y es posible calcular la longitud de onda usando la ecuación de De Broglie.
Con eso, admitimos que toda partícula subatómica, como el electrón, presenta una doble naturaleza, de onda y de materia, ofreciendo en cada circunstancia experimental una de ambas y nunca las dos al mismo tiempo, lo que se conoce como principio de complementariedad.
Pues bien, si suponemos que el electrón en su movimiento alrededor del núcleo del átomo de hidrógeno no cambia de órbita –y no pierde energía–, se le puede asociar una onda.
Alumno: ¿Por qué han de ser ondas estacionarias?
Profesor: Los átomos, cuando emiten o absorben energía se comportan como osciladores armónicos. Y ya sabes que las ondas estacionarias se pueden generar por la propagación en el mismo medio de una onda armónica y su onda reflejada. De esta manera, no resulta raro comparar los estados de energía del electrón en el átomo con los posibles “modos de vibración” de las ondas estacionarias.
Alumno: Ya comprendo. Seguimos utilizando un modelo. No describimos al átomo, sólo necesitamos compararlo con otro objeto físico ya conocido,
en este caso, las ondas estacionarias.
Profesor: Recuerda que el electrón posee también una naturaleza
ondulatoria en su comportamiento.
No olvides que la dualidad onda-partícula, idea subyacente en la descripción del mundo atómico, es uno de los pilares fundamentales de la mecánica cuántica. Esto nos demuestra, no sólo la permanente interrelación
entre los conceptos cuánticos, sino la importancia de los postulados del
físico danés, que consciente o inconscientemente, llevaban implícita la idea
de la naturaleza dual de la materia. La exigencia matemática, por decirlo de
un modo gráfico, de la hipótesis onda-partícula, nos consuela, en cierto
modo, de la dificultad conceptual que supone imaginar este fenómeno, idea
central en el desarrollo de la mecánica cuántica y clave en el estudio de las
interacciones que afectan a las partículas fundamentales.
Cuestiones
Si no se conocen las respuestas a las siguientes cuestiones es aconsejable una nueva lectura.
- Explique en qué consiste un modelo científico.
- ¿Cómo pensaban los filósofos griegos que estaba constituida la materia?
- ¿Cómo se llegó al concepto de átomo?
- ¿Cuáles son las leyes clásicas de la química? Enúncielas.
- ¿Cómo imaginó Dalton al átomo?
- ¿Qué hechos condujeron al modelo de Thomson? ¿En qué se diferenciaba
del modelo de Dalton?
- Describa el famoso experimento de Rutherford de 1911 y las características de su modelo atómico.
- ¿Qué hechos invalidaban el modelo de Rutherford?
- Enuncie los postulados de Böhr.
- ¿Se pueden obtener el radio y las energías de las órbitas electrónicas según el modelo de Böhr? ¿Cómo?
- ¿Cuál es la idea que expresa el principio de complementariedad?

EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE
Alumno: Nos quedó pendiente un tema señalado como fundamental en el
desarrollo de la Física Moderna. ¿Qué le parece si hablamos de ello?
Profesor: Estupendo. No cabe duda de que se trata del Principio de
Incertidumbre de Heisenberg, cuyas consecuencias son importantísimas,
tanto para el edificio matemático de la teoría atómica moderna como desde
el punto de vista conceptual.
Enunciado del principio de incertidumbre
Alumno: ¿Cuándo se estableció y por qué?
Profesor: Es una consecuencia directa del carácter dual de la materia.
Fue enunciado en 1927 por el alemán Werner Heisenberg y se le conoce
también como principio de indeterminación.
Alumno: Me parece que los años veinte fueron claves en el mundo
cuántico. Todos los avances teóricos se produjeron en esa década.
Profesor: Resulta gracioso hagamos referencia a ese tiempo como “los locos años veinte”. En lo que a la mecánica cuántica concierne deberíamos llamarlos “los prodigiosos años veinte”. Fue una época muy creativa en el mundo de la Física Teórica.
Alumno: Seguro. Pero, volviendo al Principio de Heisenberg, ¿Por qué es
tan importante?
Profesor: De acuerdo con los postulados de la mecánica clásica, si conocemos la velocidad y la posición iniciales de una partícula podemos predecir con exactitud su nueva posición y velocidad al cabo de un cierto tiempo, una vez establecidas las fuerzas que actúan sobre ella, por una sencilla aplicación de las leyes de la dinámica de Newton. Por el contrario, esto no es posible en el mundo subatómico, como lo prueban las experiencias con electrones, ya que su naturaleza ondulatoria hace imposible la determinación exacta y simultánea de la posición y la velocidad. Esto tiene unas consecuencias muy profundas en la Física Moderna.
Alumno: ¿Me puede recordar su enunciado?
Profesor: El Principio de Incertidumbre se enuncia de este modo:
“Es imposible conocer con exactitud y simultáneamente la posición y
la cantidad de movimiento de una partícula, de modo que el producto de los
errores cometidos en la determinación de cada una de dichas magnitudes
cumplen la relación:

Δx . Δp  ≥ 4h/p

Siendo Δx la incertidumbre en la medida de las coordenadas de la partícula, Δp la incertidumbre en la medida de su cantidad de movimiento y h la constante de Planck”. Eso implica que al pretender un alto grado de
exactitud en el conocimiento de la posición de un electrón, por ejemplo,
obtengamos una mala medida de su velocidad.
Alumno: Empiezo a darme cuenta de la importancia de este asunto. Casi
podríamos considerar a este Principio como una limitación experimental que
viene marcada por la naturaleza dual de la materia. ¿Obedece a algún
planteamiento su expresión matemática?
Profesor: Lógicamente, Heisenberg llevó a cabo una compleja argumentación matemática para justificar su Principio, no obstante podemos hacernos una idea de su enorme validez imaginando un caso simplificado: la medida de la posición y velocidad de un electrón en un átomo. Así, para observarlo será necesario iluminar este electrón con un fotón de una cierta energía y cantidad de movimiento.
Por otro lado, el fotón, al chocar, cederá parte de su energía al electrón,
modificando así la cantidad de movimiento de este último.
Podemos comprobar su importancia mediante un sencillo cálculo.
El valor en la indeterminación de la cantidad de movimiento es despreciable en sistemas macroscópicos pero no en el mundo subatómico, donde con los electrones, por ejemplo, intervienen masas del orden de 10-30kilogramos.
Alumno: Ya veo. Los fotones que “chocan” contra un balón y nos
permiten verlo tienen muy poca energía en comparación con la energía
cinética del balón, de modo que la determinación de su posición no impide
conocer bien su velocidad.
Profesor: Eso es. El Principio no pierde su validez en el mundo de los
objetos “visibles”, lo que sucede es que su rango de aplicación se halla muy
por debajo del umbral de detección y del límite de error de cualquier
instrumento de medida. En otras palabras, ni a ti ni a mí nos afecta.
Alumno: Pero sí a nuestros átomos.
Profesor: Si lo planteas así...
Consecuencias del principio de incertidumbre
Alumno: Es sólo un punto de vista humorístico. Volviendo a la cuestión
que nos ocupa, ¿cuáles son las consecuencias tiene este Principio en la
escala atómica?
Profesor: Son muy claras. En primer lugar, los conceptos de posición y
velocidad de un electrón tienen que ser reemplazados por los de probabilidad de que el electrón tenga una velocidad y una posición dadas.
Es decir, la introducción de la idea de probabilidad, fundamental en laMecánica Cuántica, es una consecuencia directa del principio de incertidumbre. En el desarrollo casi inmediato de la nueva mecánica se describe el estado del electrón mediante unas funciones de onda cuyos cuadrados se corresponden con la probabilidad de hallar al electrón en cada punto del espacio, de manera que es factible realizar unas representaciones gráficas que recojan las diferentes zonas en torno al núcleo donde se mueve el electrón la mayor parte del tiempo. En eso consisten los orbitales.
Alumno: Eso quiere decir que está superado el modelo de Böhr desde el
momento en que no podemos circunscribir a órbitas el movimiento del
electrón. Ahora se le puede “encontrar” en cualquier punto del espacio (en la periferia atómica). ¿No es cierto?
Profesor: Evidentemente. La mecánica newtoniana y sus ecuaciones que
describen la trayectoria de un móvil, ya no sirven. Es necesario formular un
nuevo tratamiento matemático que tenga en cuenta los principios básicos de la mecánica cuántica y que los incluya en su desarrollo.
Alumno: Supongo que ya estará hecho.
Profesor: Claro. Ya te he hablado del profundo cambio conceptual que sacudió a la comunidad científica en el primer cuarto del siglo XX. En el mismo año 1927, Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger llevaron a cabo un estudio paralelo del movimiento del electrón en torno al núcleo bajo las nuevas premisas con formulaciones muy distintas en la forma pero idénticas en el fondo. Ambas describían perfectamente la estructura atómica y explicaban por completo los espectros, no sólo el caso del hidrógeno, sino de cualquier átomo polielectrónico.
Alumno: Habla usted de dos tratamientos matemáticos.
Profesor: En efecto. Son la mecánica de matrices de Heisenberg y la mecánica ondulatoria de Schrödinger. Tienen una forma muy distinta aunque un resultado idéntico.
Heisenberg representa la situación del electrón mediante un conjunto de números que describen los estados inicial y final de una transición. Otro
conjunto de números similar representa las velocidades en el estado inicial
y en el final. En el desarrollo matemático se asimila el comportamiento del
electrón en el átomo al de un oscilador armónico y al calcular los valores
posibles de la energía se deben aplicar las reglas del producto de matrices.
Alumno: ¿Por qué cree que Heisenberg compara al electrón con un
oscilador armónico?
Profesor: Ya lo hemos hablado anteriormente. No obstante, comprendo tus dudas, pues se trata de asumir la validez de un modelo científico y no identificarlo con una realidad. Sabes que, en su comportamiento dual, al
electrón se le imagina una onda asociada del tipo estacionaria, es decir, sin
pérdidas globales de energía y donde los vientres (crestas) y nodos (puntos
de elongación nula) ocupan posiciones permanentes. Y recuerda que las
ondas estacionarias son un caso especial de interferencia entre una onda
armónica y su onda reflejada.
Alumno: De acuerdo. Y un oscilador armónico es el foco que produce una
onda armónica, es decir, el movimiento de dicho foco es armónico simple.
Profesor: Muy bien. No obstante, el desarrollo matemático de la mecánica
matricial es demasiado abstracto y no atrajo a la comunidad científica a
pesar de los excelentes resultados.
Alumno: Por eso se ha impuesto la mecánica ondulatoria.
Profesor: En efecto. Nos suministra una imagen que permite visualizar en
cierta manera a los átomos. Ahora se describe la posición del electrón
mediante la ecuación de una onda estacionaria. Es decir, se utiliza una función de onda, cuyo cuadrado en cada punto del espacio es proporcional a su intensidad, la cual tiene en este caso el significado de la densidad electrónica en dicho punto. El modelo de Schrödinger proporciona una visión mucho más intuitiva del átomo, puesto que los electrones se mueven en orbitales, esto es, regiones del espacio, alrededor del núcleo, en donde
existe una mayor probabilidad de encontrarlos. Y esta probabilidad se halla directamente relacionada con la densidad electrónica y a su vez con el cuadrado de la función de onda.
La forma, tamaño y orientación espacial, además de la energía de estos
orbitales vienen determinadas por un conjunto de tres números cuánticos,
que se completa con el número que señala el espín del electrón.
Alumno: ¿Qué se entiende por espín?
Profesor: El espín o spin en inglés es una propiedad característica de las
partículas subatómicas, y no sólo del electrón, que se asocia con su momento angular intrínseco. Si suponemos por un instante que el electrón es como una perinola, al girar sobre su propio eje de rotación se pueden considerar únicamente dos sentidos, cada uno de los cuales viene expresado por un valor en el número cuántico de spin. En el electrón estos valores son +1/2 y -1/2.
Alumno: Entonces, podemos decir que el modelo de orbitales es la explicación actual que aceptamos sobre la estructura atómica.
Profesor: Evidentemente, el modelo cuántico explica a la perfección todos
los hechos observados, no sólo para el átomo de hidrógeno, sino para todos
los átomos polielectrónicos, junto con sus enlaces en la formación de las
moléculas y proporciona el punto de partida para el estudio del núcleo, uno
de los principales retos de la Física teórica actual.
Alumno: ¿Quiere decir que el modelo se aplica al movimiento y la energía
de los electrones nada más?
Profesor: Claro, el núcleo se considera una carga puntual +Z, donde Z es
el número atómico o número de protones del átomo y cuya masa es A
unidades, siendo A el número másico, la suma de protones y neutrones. Los
orbitales se dibujan suponiendo que el núcleo se halla en el origen de
coordenadas.
Alumno: ¿Y es posible aplicar el modelo para interpretar los enlaces entre
los átomos de una molécula?
Profesor: Lógicamente, si bien la complejidad matemática es mayor porque las funciones de onda de los orbitales moleculares han de calcularse mediante aproximaciones. Sin embargo, los diversos métodos arrojan unos resultados análogos y muy satisfactorios, que permiten obtener las densidades electrónicas en las zonas que rodean a los distintos núcleos componentes de la molécula y dibujar perfectamente los orbitales moleculares, que son los ocupados por los electrones compartidos en los enlaces. Ten en cuenta que el avance de la informática ha permitido hace ya tiempo alcanzar aproximaciones con elevadísimo grado de exactitud.
Alumno: Comprendo. Pero...el núcleo atómico es otra cosa, ¿no es
cierto?
Profesor: Por supuesto. Ese es el verdadero objeto de estudio de la Física
actual, donde también juega un papel principal el Principio de
Incertidumbre.
Alumno: Siendo así, ¿existen más consecuencias de dicho Principio?
Profesor: Pues sí. Heisenberg demostró, además, que la relación de
incertidumbre puede extenderse a las magnitudes conjugadas que tengan
las mismas unidades que la constante de Planck (Joule·segundo), llamadas
unidades de acción. Por ejemplo, a la energía y al tiempo.
Cuestiones
Si no se conocen las respuestas a las siguientes cuestiones es aconsejable una nueva lectura.
- Explique el significado del Principio de Incertidumbre en el mundo
subatómico.
- ¿Por qué no es aplicable el Principio de Heisenberg a los objetos
macroscópicos?
- ¿Qué es la función de onda y para qué se utiliza?
- ¿Cuáles son las dos posibles formulaciones de la Mecánica Cuántica?
- ¿Qué entendemos por probabilidad cuántica?
- ¿Qué es un orbital?

En la Tabla 1 se recogen los hechos puntuales más relevantes en el desarrollo cronológico de la evolución del modelo atómico. Ella nos revela la importancia de la cooperación entre la comunidad científica y, al mismo tiempo, la magnitud de la teoría, ya que los descubrimientos reseñados son solamente la parte visible del iceberg de este capítulo de la Ciencia.



Tabla 1
Referencias cronológicas más importantes del modelo atómico.


Fecha              Descubrimiento o modelo                    Autor/es
Siglo V a. C.      Teoría de los cuatro elementos                 Empédocles de Sicilia
Siglo V a. C.      Filosofía atomista                                     Leucipo y Demócrito
Siglo IV a C.      Teoría de los cinco elementos                   Aristóteles
1785                 Ley de la conservación de la masa            Antoine L. Lavoisier
1792                 Ley de las proporciones recíprocas            Ricther y Wenzel
1799                 Ley de las proporciones definidas              Joseph Louis Proust
1803                 Ley de las proporciones múltiples              John Dalton
1808                 Ley de volúmenes de combinación             J. L. Gay-Lussac
1808                 Teoría atómica                                         John Dalton
1811                 Hipótesis de Avogadro                              Amadeo Avogadro
1876                 Rayos catódicos                                       Eugen Goldstein
1886                 Rayos canales                                          Eugen Goldstein
1895                 Rayos X                                                   Röentgen
1897                 Descubrimiento del electrón                       J. J. Thomson
1900                 Teoría cuántica                                         Max Planck
1903                 Modelo atómico de Thomson                      J. J. Thomson
1905                 Explicación del efecto fotoeléctrico             Albert Einstein
1909                 Experiencia de Rutherford                         Rutherford y Geiger
1911                 Medición de la carga y masa del electrón    R. Millikan
1911                 Modelo atómico de Rutherford                   Ernest Rutherford
1913                 Modelo atómico de Böhr                            Niels Böhr
1919                 Caracterización del protón                         Ernest Rutherford
1920                 Se predice la existencia del neutrón           Ernest Rutherford
1923                 Efecto Compton                                        Arthur Compton
1924                 Dualidad onda-corpúsculo                         Louis De Broglie
1925                 Principio de Exclusión                               Wolfgang Pauli
1927                 Principio de incertidumbre                         Werner Heisenberg
1927                 Modelo de orbitales                                   Erwin Schrödinger
1932                 Descubrimiento del neutrón                       James Chadwick

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