MECÁNICA CUÁNTICAPOR RUBÉN TREVIÑOSOCIEDAD ASTRONÓMICA DEL PLANETARIO ALFA
O EN OTRAS PALABRAS … ¿QUÉ ESTÁN FUMANDO?
“No tomen esta platica demasiado en serio . . . Solo relajense y disfrutenla. Voy a decirles como se comporta la naturaleza. Si ustedes solamente aceptan que la naturaleza se comporta así, van a ver que es algo fascinante y encantador. No se la pasen preguntandose “¿Pero cómo puede ser así?" porque entonces se encontrarán...en un callejón sin salida, del entonces se encontrarán...en un callejón sin salida, del que nadie ha podido escapar todavia. Nadie sabe porqué es así.“
Richard Feynman
Mecánica Cuántica
Teoría de la física moderna que
estudia la absorción y emisión de
energía por parte de la materia, energía por parte de la materia,
así como el movimiento de las
partículas atómicas
Energía y Materia
� La energía es un
fenómeno continuo y se
da en forma de ondas
(ie.:radiación)(ie.:radiación)
� La materia ocupa un
lugar específico en el
espacio y se da en forma
de partículas (ie.:arena)
Corpuscular
� Sombras recortadas
� Propagación: En línea recta
� Reflexión: Rebote
� Refracción: Más rápido� Refracción: Más rápido
¿Más Rápido?
¿Qué pasa al cruzar dos rayos de luz?
Isaac Newton
Ondulatoria
� Los rayos podrían cruzarse
� Refracción: Más Lento
� Diferentes refracciones por � Diferentes refracciones por
color (dif. long. de onda)
¿Propagación?
¿Sombras recortadas?
¿Viajan por el vacío?
Christian Huyghens
Radiación Electromagnética
� Toda radiación
electromagnética
cumple con la siguiente
ecuaciónecuación
� f λ=c
� Por lo tanto la luz es
una radiación
electromagnética
James Clerk Maxwell
Knock-out: Ondulatoria
� Propagación
� Reflexión
� Refracción� Refracción
� Interferencia
� Sombras recortadas
� Viajar por el vacío
� Velocidad constante
Salvado por la Campana
� Al aumentar la temperatura, se aumenta la cantidad de energía radiada
� Al aumentar la temperatura, se incrementa la intensidad de los colores azulesincrementa la intensidad de los colores azules
¿Qué dice Maxwell?
� Maxwell predice la “Catástrofe Ultravioleta”
Max Plank: Padre de la Física Quántica
� Energía de los cuerpos negros: E=hf
� Encontró h= 6.63 x 10-34 Js (constante de
Plank)
ImplicacionesImplicaciones
� La energía total cambia discretamente
(Quantos)
� Esta energía se emite en fotones que son
partículas … especuló que dichas
partículas desaparecen rápidamente
Efecto Fotoeléctrico: La Luz como Partícula
Experimento de Phillip Lenard(Antes por H Hetz)
Maxwell no lo explica
Explicación de Einstein usando la física quántica de Plank
Propiedad Dual del Fotón
� Si, partícula …. Pero:
� Sin masa
� Con frecuencia
� Con longitud de onda
¿Una planta con piernas?
Estructura del Átomo
� JJ Thompson descubrió el electrón
� E Rutherford descubrió el protón
� E Rutherford descubrió que el núcleo esta formado de protones, y los electrones forman una nubenúcleo esta formado de protones, y los electrones forman una nube
� James Chadwick descubrió el Neutrón
� Ley de Coulomb en lugar de Ley de Newton
Ernest Rutherford
Estructura del Átomo
Maxwell dice que este modelo
no puede existir:
� Una carga eléctrica acelerada � Una carga eléctrica acelerada
radiará energía, colapsando el
electrón
� Dicha radiación se vería como
un espectro continuo
Estructura del Átomo
Usando las ideas de Plank, Bohr asumió:
� Un electrón no emite radiación, si está en una orbita elíptica (para está en una orbita elíptica (para evitar a Maxwell)
� Solo se permiten algunas orbitas discretas (líneas en el espectro)
� Un electrón emite o absorbe energía, solo cuando cambia de orbita (introducir el fotón)
Niels Bohr
Estructura del Átomo
Definiciones de BohrDefiniciones de Bohr
¿Por qué usar a Plank? … porque ¿Por qué usar a Plank? … porque da resultados correctosda resultados correctos
Números cuánticos principales: 1=K, Números cuánticos principales: 1=K, 2=L, 3=M, …2=L, 3=M, …
Por ser elipses: n = número cuántico Por ser elipses: n = número cuántico principal, l = número cuántico orbital, principal, l = número cuántico orbital, m = número cuántico magnéticom = número cuántico magnético
Había líneas de masHabía líneas de mas
s = número cuántico de “spin”s = número cuántico de “spin”
Estructura del Átomo
� Electrón (n, l, m, s)
� Ningún electrón puede tener
los 4 números cuánticos
igualesiguales
� Electrones por orbita: 2n2
� Esto explica la tabla periódica
de elementos, y la líneas del
espectro de átomos
complejos
Wolfgang Pauli
Estado de la Física Cuántica
� Plank usó la termodinámica para dar una explicación
matemática de la radiación de cuerpos negros
� Bohr uso la teoría de Plank, para dar una explicación
matemática del modelo atómico de Rutherfordmatemática del modelo atómico de Rutherford
� Einstein y De Broglie probaron la dualidad de los fotones y
de las partículas atómicas
� La comunidad científica sabía que se requería un nuevo
cuerpo de conocimientos, para explicar la naturaleza de la
materia
Ecuación de Schroedinger
� Plank: de onda a partícula
� Schroedinger: de partícula a onda
� Describe:
� Comportamiento de objetos de mecánica � Comportamiento de objetos de mecánica
cuántica (i.e.:electrones)
� Propiedades ondulatorias de De Broglie
� Niveles de enegría de Bohr
� De la ecuación se derivan los 3
números cuánticos de Bohr (n, l, m)
¿Qué Representa?
� Schroedinger: Onda paralela que
describe la posición del electrón
� Schroedinger: Densidad de la
carga eléctrica del electróncarga eléctrica del electrón
?????
� Max Born: Probabilidad de que el
electrón aparezca en un
determinado lugar
!!!!!!!
Las Matrices de Heisenberg
� Heisenberg odiaba el modelo planetario de Bohr� Heisenberg odiaba el modelo planetario de Bohr
� La única forma de describir la posición de un electrón
era en una matriz
� La única forma de describir el momentum de un
electrón era en una matriz
� No hay un significado preciso para la posición o la
velocidad de una partícula
El Principio de Incertidumbre
� Es imposible medir
simultáneamente la
posición y la velocidad de
una partícula con una una partícula con una
precisión infinita
� Δp * Δx ≥ h/2π
Teoría General de Dirac
� Relacionó los trabajos de Schroedinger y Heisenberg
� Obedece la Teoría Especial de la Relatividad
� Se deriva la variable de “spin” que faltaba
� Primer Teoría de Campo Cuántica� Primer Teoría de Campo Cuántica
� La luz podía ser descrita apropiadamente como onda o
como partícula
Positrones
� La teoría de Dirac predice la existencia
de un electrón con carga positiva o
“Positrón”
Si un positrón choca con un electrón, � Si un positrón choca con un electrón,
se eliminan (anti-electrón)
� Carl Anderson descubrió el positrón
� Se predice la antimateria
La Interpretación de Copenhague
� Complementariedad de la naturaleza dual de las partículas
� Matrices� Matrices
� Probabilidad
� Incertidumbre
� Múltiples estados simultáneos
� Antipartículas
La llegada de los Experimentalistas
¿Quién ordeno esto? … El ¿Quién ordeno esto? … El MuónMuónEl Neutrino de PauliEl Neutrino de PauliEn 1968 se descubrió que los En 1968 se descubrió que los En 1968 se descubrió que los En 1968 se descubrió que los Protones y Neutrones Protones y Neutrones estaban hechos de Quarksestaban hechos de QuarksMás choques … El Tau, otros Más choques … El Tau, otros tipos de Neutrinos, Otros tipos de Neutrinos, Otros tipos de Quarkstipos de Quarks
Las Teorías de la Física más Exactas de la Historia
� La Teoría General de la Relatividad gobierna la estructura a gran escala del universo, y se basa en la fuerza de la gravedad, que es muy débil, pero actúa a grandes distancias.
� La Mecánica Cuántica gobierna la estructura atómica de la materia, y se basa en las fuerzas electromagnéticas y nucleares, que son muy fuertes, pero solo actúan a distancias cortas
¿Posible Solución?Teoría de las Supercuerdas
En lugar de partículas puntuales, En lugar de partículas puntuales, son cuerdasson cuerdasExisten en espacios de más Existen en espacios de más dimensiones que las que dimensiones que las que experimentamosexperimentamosexperimentamosexperimentamosLa teoría de cuerdas está La teoría de cuerdas está evolucionando a la teoría de evolucionando a la teoría de membranasmembranasHay avances prometedores en la Hay avances prometedores en la unión de la Mecánica Cuántica y unión de la Mecánica Cuántica y la Teoría General de la la Teoría General de la RelatividadRelatividad
Universo Determinístico
Después de estudiar el éxito de las
teorías de Isaac Newton, Laplace
aseguró que la naturaleza del
universo era totalmente universo era totalmente
determinística
El principio de incertidumbre y la
mecánica cuántica en general,
dicen lo contrario
Pierre-Simon Laplace
Mecánica Cuántica y Astronomía
Análisis de la RadiaciónAnálisis de la RadiaciónÍndice de ColorÍndice de ColorClasificación EspectralClasificación EspectralLíneas de AbsorciónLíneas de AbsorciónTemperaturasTemperaturas
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