¿Por qué surgió la mecánica cuántica?

En las primeras décadas del siglo XX, los físicos comenzaban a darse cuenta de que las ideas clásicas daban predicciones totalmente erróneas cuando se aplicaban a ciertos sistemas. En particular, se reveló rápidamente que la física clásica era un marco totalmente inadecuado para comprender la estructura del átomo recién descubierta y para calcular la energía de la luz. Los nombres dados a estas fallas espectaculares son:

1. La catástrofe ultravioleta. En resumen, la EM clásica predice que la energía de la luz debería ser independiente de la frecuencia, y que distintas frecuencias constituyen grados independientes de libertad. Por lo tanto, el campo EM posee infinitos grados de libertad (tomada a medida que la frecuencia de la luz se aproxima al infinito), y la termodinámica predice que todos los grados de libertad deben poseer una energía promedio de [matemáticas] \ frac {1} {2} kT [/ matemáticas ] mientras está en equilibrio. Por lo tanto, la luz en equilibrio con su entorno debe irradiar energía infinita, especialmente a frecuencias más altas, lo que obviamente es imposible. ¡De ahí el nombre!
2. La decadencia del átomo de Rutherford. Debido a los inteligentes experimentos de Rutherford, quedó claro que los átomos estaban estructurados como sistemas solares en miniatura, con un núcleo denso y cargado positivamente, y una nube negativa de electrones más grande en órbita alrededor del núcleo. Sin embargo, las cargas aceleradas irradian luz, y la luz se lleva la energía. Por lo tanto, los electrones en órbita deberían irradiar constantemente su energía mecánica, en espiral hacia el núcleo y finalmente colapsar el átomo. Esto obviamente no sucede. Los electrones no irradian luz y mantienen su separación del núcleo indefinidamente.

Estas dos fallas (junto con otras, como el efecto fotoeléctrico) conducen al desarrollo de lo que ahora se llama “vieja teoría cuántica”, que existió de 1900 a 1925. La vieja teoría cuántica incluía varias ideas de mosaico cosidas en la estructura clásica de física: cosas como el átomo de Bohr, las relaciones de DeBroglie, la acción cuantificada y el principio de correspondencia. Estas ideas no formaban parte de un enfoque coherente y lógicamente coherente de la física.

No fue hasta que Heisenberg introdujo la mecánica matricial y el principio de incertidumbre en 1925, que surgió una teoría cuántica coherente y lógicamente coherente. En lugar de grabar ideas cuánticas en el marco clásico, Heisenberg rechazó toda la física clásica y comenzó de cero. Pasaron 25 años entre la resolución de Planck de la catástrofe ultravioleta y esta comprensión de que la física clásica es el enfoque fundamentalmente erróneo para comprender el universo.

Estoy seguro de que pronto vendrán muchas respuestas excelentes. Pero aquí está la versión corta.

En física, habrás visto leyes. Estas leyes modelan los fenómenos en cuestión. Y cada una de estas leyes es válida dentro de un régimen establecido. Y se supone que estas leyes explican todo lo que sucede dentro de ese régimen. Y quiero decir * TODO *. Si algo no se explica, significa que la teoría es inconsistente y, por lo tanto, debe descartarse o modificarse. Un buen ejemplo de cómo evolucionó el modelado de un fenómeno para explicar mejor el fenómeno es en el caso del calor específico. Primero Drude proporcionó su modelo. Entonces Einstein apareció y lo corrigió. Pero incluso eso tenía inconsistencias por debajo de la temperatura. Debye dio otro modelo que era incluso mejor que el de Einstein y así sucesivamente.

Ahora, tienes un montón de experimentos que muestran que la luz se comporta como una partícula. (Efecto Compton, efecto fotoeléctrico, etc.) Tiene otro grupo de experimentos que le muestran que la luz se comporta como una onda. (Interferencia con doble rendija, difracción, etc.)

¿Entonces la luz se comporta como una partícula el lunes y como una onda el martes? Uno debe tener un modelo para explicarlo todo. Te puede parecer muy simple. Puede estar pensando: “Estos tipos no pueden diferenciar una onda de una partícula … Qué montón de imbéciles”. Pero no. Si fuera así de simple, hemos resuelto el problema hace mucho, mucho tiempo.

Feynman ha descrito el problema maravillosamente usando la doble rendija de Young como premisa para mostrar que no importa lo que hagas, realmente no puedes separar la onda de la partícula y viceversa. Le insto a que lea el siguiente capítulo de las conferencias de Feynman en física para apreciar realmente la génesis de la mecánica cuántica. Comportamiento cuántico. Este es el capítulo que me dio claridad para comprender la mecánica cuántica. Aquí hay un video entretenido pero esclarecedor del mismo hecho por el propio Feynman.

Alternativamente, también puedes leer The Feynman Double Slit. Esta es una lectura más corta.

Al final del día, tenemos las matemáticas para determinar qué resultados se supone que debemos obtener y que coinciden espectacularmente con la realidad, pero ni siquiera tenemos una pista sobre el mecanismo de todo.

” Newton pensó que la luz estaba compuesta de partículas, pero luego se descubrió, como hemos visto aquí, que se comporta como una onda. Más tarde, sin embargo (a principios del siglo XX) se descubrió que la luz realmente a veces se comportan como una partícula. Históricamente, se pensaba que el electrón, por ejemplo, se comportaba como una partícula, y luego se descubrió que en muchos aspectos se comportaba como una onda. Así que realmente se comporta como ninguno. Ahora nos hemos rendido. decir: “Es como ninguno de los dos .

Sin embargo, hay un golpe de suerte: los electrones se comportan como la luz. El comportamiento cuántico de los objetos atómicos (electrones, protones, neutrones, fotones, etc.) es el mismo para todos, son todas “ondas de partículas”, o como quieran llamarlas. Entonces, lo que aprendemos sobre las propiedades de los electrones (que usaremos para nuestros ejemplos) se aplicará también a todas las “partículas”, incluidos los fotones de luz . “-Feynman lectures, Vol 3. Capítulo 1.

Hay demasiadas respuestas excelentes aquí. Así que solo estoy mencionando el diagrama de flujo y cómo surgió la mecánica cuántica moderna o, más bien, la posterior fusión de la mecánica cuántica con la física de dispositivos.

Entonces aquí comienza …

Quanta de energía de Planck … → posteriormente efecto fotoeléctrico → modelo de rutherford (fallas vistas a través de la teoría EM de Maxwell) → falla eliminada mediante el uso del concepto de estados discretos (modelo bohr de un átomo de electrones niel) … Necesitamos resultados para un átomo electrónico múltiple … brecha … dualidad de partículas de onda → Principio de incertidumbre → Mecánica de ondas de Schrodinger … Cuantos incorporados de Plancks y la teoría de partículas de onda de De-Broglie → intentó utilizar esta función de onda s (x, t) para explicar el comportamiento del electrón en un cristal o más bien dentro de paredes potenciales → necesidad de otra función para definir la probabilidad de encontrar electrones … permite nombrarla función de densidad de probabilidad | s (t) | ^ 2 → condiciones de contorno de estas funciones —-> Comportamiento de electrones en el espacio libre (verificación), Electrón dentro del pozo de potencial infinito (verificación), Electrones dentro de la pared de potencial finito (verificación) → Extendamos esta teoría ondulatoria recién formada a los átomos → verifiquemos un átomo de hidrógeno electrónico y obtengamos la función de potencial del átomo. Átomo esférico, así que usemos el sistema de coordenadas esféricas → obtuve muchas cosas … función de densidad de probabilidad radial, n, l, m por medio de la separación de variables → resultados experimentales coincidentes … resultados coincidentes con el radio de Bohr (la distancia más probable del núcleo) del átomo de hidrógeno). → el uso de estas funciones de probabilidad comenzó a concebir el concepto de una nube de electrones, o capa de energía en lugar de una partícula discreta que orbita el núcleo → Con diferentes ‘m’ y mayor complejidad, los orbitales aparecieron en la imagen … ponlos en libros de química →

BRECHA

Extendamos esto a los sólidos en lugar de a los átomos … niveles de energía discretos distribuidos en bandas … ¿Por qué? … Las funciones de onda de los átomos vecinos se superponen → un nuevo concepto de enlace o uno más sofisticado introducido en el contexto del enlace covalente → Ya conocemos los orbitales atómicos … se extienden a los orbitales moleculares (combinación lineal de orbitales atómicos) → Se introducen diagramas de banda de energía → Se incorpora un concepto importante al hacer esto es el principio de Exclusión de Pauli → Modelo de Kronig-Penney (unidimensional representa la función potencial de las redes cristalinas individuales 1-D) extensiones … 2. parámetro importante k → 3. Densidad de estados → 4. Distribución Fermi-Dirac .. (de 1 a 4 puede encontrar similitudes con la distribución de Boltzmann desarrollada para las leyes de gases) → electrones, agujeros, masa efectiva, niveles de Fermi , teoría de bandas …… Entraste en la física de dispositivos → La teoría cuántica moderna se fusiona con la física moderna o la física de dispositivos → Comenzó a hacer dispositivos electrónicos.

ps-Cualquier error de mi parte por favor comente y rectifique.

Anteriormente, las leyes de movimiento de Newton resultaron correctas para casi todas las situaciones, hasta que los científicos se dieron cuenta de que no era así en el nivel atómico.
Debían proponerse nuevas teorías que fueran aplicables a los átomos más pequeños. Después de estudiar más sobre los átomos y la energía, se introdujo la nueva rama de la mecánica cuántica que nos lleva a un ‘mundo cuántico’ completamente diferente donde las cosas pueden volverse muy extrañas y también pueden parecer ilógicas, pero en realidad son ciertas (dualidad de partículas de onda, incertidumbre de Heisenberg). principio, superposición, darkmatter y varias otras teorías).
Esta rama de la ciencia podría proporcionar información significativa sobre la creación de materia y “la teoría de todo”.