La física, y la ciencia en general, progresa desarrollando nuevos modelos teóricos, que permiten que las predicciones sean más precisas y precisas. También progresa al encontrar efectos o fenómenos físicos, que no pueden explicarse en términos de los mejores modelos actuales. Estos dos procesos interactúan, y a veces pueden producir un cambio de paradigma, que cambia por completo los modelos históricos de explicación.
Hace poco más de cien años, los científicos tenían muy buenas razones para pensar que los electrones son partículas y que la luz consiste en ondas. Los electrones libres que se mueven rápidamente, podrían manipularse en tubos de rayos catódicos o como partículas beta, y la luz podría hacerse para mostrar efectos de difracción e interferencia, y podría describirse usando las ecuaciones de Maxwell. Se entendió que los electrones tenían una masa definida, y que llevaban una carga específica. Me pareció una corriente eléctrica el movimiento de partículas cargadas.
Pero, se dio cuenta de que la radiación del cuerpo negro no se puede explicar, utilizando estos modelos, y que el efecto fotoeléctrico fue aún peor. Ambos fenómenos parecían ir en contra de los modelos clásicos. Fueron resueltos por Einstein y Plank, en términos de una teoría de la luz de “partículas”. Einstein dijo que la luz consiste en ‘fotones’, donde E = hf. E es la energía del fotón, f es su frecuencia y h es la constante de Plank omnipresente. Bohr luego usó la idea de que los electrones en los átomos tienen una longitud de onda, w = h / p. w es la longitud de onda y p es el impulso del electrón. Dijo que los electrones solo pueden ocupar órbitas que tienen un número entero de longitudes de onda, y esto le permitió resolver el problema del espectro de la línea de emisión del hidrógeno, que era otro fenómeno no resuelto. Esto llevó al paradigma a cambiar la teoría de la mecánica de ondas.
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Al mismo tiempo, Einstein estaba desarrollando las teorías de la relatividad especial y general , que también estaban cambiando el paradigma, cambiando completamente nuestras opiniones sobre el espacio y el tiempo.
Durante las misiones de Appollo, el modelo mejor y más preciso fue la relatividad general, pero en su lugar se usaron ecuaciones newtonianas. Esto se debió a que esas ecuaciones son mucho más simples y su precisión estaba dentro de lo que se necesitaba.
Esto ilustra un principio importante en la ciencia, que es que siempre elige usar el modelo más simple posible, que sea adecuado para un problema particular. También hace simplificaciones, lo que hará que el problema sea más fácil de resolver, sin introducir demasiada imprecisión. Por ejemplo, no existe un gas ideal, pero a menudo lo usamos como una simplificación justificable.
El modelo de electrones libres es un modelo mecánico cuasiquantum, que explica cómo y por qué conducen los metales, mientras que los no metales no. Considera que una corriente es una deriva de electrones libres, dentro de la red de iones metálicos, con la que no interactúan.
La teoría de la estructura de banda de los sólidos es una teoría completamente mecánica de ondas de la red sólida, ya que afecta a los electrones dentro de los átomos / moléculas. Es el único modelo que se puede usar para describir el comportamiento de los semiconductores. Aunque los electrones y los agujeros a menudo se muestran como puntos, es decir, partículas localizadas, para aplicar la teoría completamente, estos portadores de carga deben describirse como ondas.
Por lo tanto, en algunos circuitos macroscópicos, sin semiconductores, se puede considerar con precisión que la corriente eléctrica se debe al flujo de partículas cargadas: electrones en metales sólidos e iones dentro de líquidos o compuestos fundidos. Pero, si está interesado en el comportamiento detallado de electrones y agujeros en un semiconductor, entonces debe considerar que los portadores de carga son ondas. De hecho, el enfoque de la mecánica de onda siempre funciona, pero en muchas situaciones representa una complicación innecesaria.
