¿Qué significa que el momento angular del electrón sea ‘cuantizado’?

Los valores en mecánica cuántica se cuantifican como resultado directo de considerar las partículas como ondas.

Si algo existe como una onda, y si está confinado a un cierto espacio, solo puede existir de tal manera que los ‘extremos’ de la onda tomen un valor compartido o cero.

Esto significa que solo se permiten ciertos valores en la solución, y estos valores están separados por múltiplos enteros.

La forma más fácil de imaginarlo es con una onda sinusoidal básica:

Los valores ‘compartidos’ existen en cada [math] n \ pi [/ math] múltiple a lo largo de la línea. Aquí, el número entero [math] n [/ math] es una especie de número cuántico. De hecho, en las construcciones físicas cuánticas básicas, [math] n [/ math] es un número cuántico, conocido como el número cuántico principal.

Para los electrones alrededor de un átomo, la restricción para su existencia es esférica, por lo que los valores de cuantificación se vuelven un poco más extravagantes, pero los valores aún se cuantifican porque los electrones siguen siendo ondas. En lugar de una onda sinusoidal simple como la de arriba, terminas con algo como esta visualización en 3D de las ‘órbitas’ en las que puede existir el electrón.

En el ejemplo a continuación, dependiendo del valor del número cuántico de momento angular, el electrón solo puede existir dentro de uno de esos conjuntos de conos, representados por [matemáticas] 0 [/ matemáticas], [matemáticas] \ pm \ hbar [/ matemáticas] y [math] \ pm 2 \ hbar [/ math].

En física clásica, un objeto que gira sobre un eje puede tener cualquier cantidad de momento angular. El momento angular es un vector, por lo que tomamos la longitud del vector de momento angular [math] | \ vec {L} | [/ math] como la medida de cuánto momento angular tiene el objeto.

En mecánica cuántica, [math] | \ vec {L} | [/ math] no puede tomar valores arbitrarios, sino que toma un conjunto de valores discretos

[matemáticas] | \ vec {L} | = 0, \ sqrt {2} \ hbar, \ sqrt {6} \ hbar, \ sqrt {12} \ hbar, \ sqrt {20} \ hbar, \ ldots [/ math]

donde [math] \ hbar [/ math] es la constante de Planck.

Esto surge porque la posición y el momento no conmutan en la mecánica cuántica:

[matemáticas] [x, p_x] = i \ hbar [/ matemáticas]

Esto significa que importa si observa el impulso, luego la posición o la posición, luego el impulso: no obtendrá la misma respuesta. Este es el origen del principio de incertidumbre de Heisenberg que

[matemáticas] \ Delta x \ Delta p \ ge \ frac {1} {2} \ hbar [/ matemáticas]

Esto tiene implicaciones inmediatas para el momento angular porque

[matemática] L_z = y p_x – x p_y, L_x = z p_y – y p_z, L_y = x p_z – z p_x, [/ math]

y si tomas los conmutadores de momento angular

[matemática] [L_x, L_y] = i \ hbar L_z, [L_y, L_z] = i \ hbar L_x, [L_z, L_x] = i \ hbar L_y [/ matemática]

Esto es extrañamente hermoso y se conoce como álgebra de mentiras. Esta es una rama relativamente oscura de las matemáticas para la mayoría de las personas, pero se enmarca en la teoría de grupos de Lie, que es el estudio de grupos continuos o simetrías continuas.

Hay una serie de pasos relativamente sencillos que le mostrarán que estos operadores no pueden adoptar valores propios arbitrarios y están cuantificados.

Significa que el momento angular intrínseco o “giro” de cada electrón es exactamente la mitad de la constante de Planck, nunca más, nunca menos. Las consecuencias son innumerables.