La historia de la mecánica cuántica es una parte fundamental de la historia de la física moderna. La historia de la mecánica cuántica, ya que se entrelaza con la historia de la química cuántica, comenzó esencialmente con una serie de descubrimientos científicos diferentes: el descubrimiento en 1838 de los rayos catódicos por Michael Faraday; la declaración invernal de 1859–60 del problema de la radiación del cuerpo negro por Gustav Kirchhoff; la sugerencia de 1877 de Ludwig Boltzmann de que los estados de energía de un sistema físico podrían ser discretos ; el descubrimiento del efecto fotoeléctrico por Heinrich Hertz en 1887; y la hipótesis cuántica de 1900 de Max Planck de que cualquier sistema atómico radiante de energía puede dividirse teóricamente en una serie de “elementos de energía” discretos ε (épsilon) de modo que cada uno de estos elementos de energía sea proporcional a la frecuencia ν con la que cada uno de ellos irradiar energía individualmente, como se define en la siguiente fórmula:
donde h es un valor numérico llamado constante de Planck.
Luego, Albert Einstein en 1905, para explicar el efecto fotoeléctrico previamente informado por Heinrich Hertz.
en 1887, postulado consistentemente con la hipótesis cuántica de Max Planck
esa luz misma está hecha de partículas cuánticas individuales, que en 1926
llegó a llamarse fotones
por Gilbert N. Lewis. El efecto fotoeléctrico se observó al brillar.
luz de longitudes de onda particulares en ciertos materiales, como metales,
que causó que los electrones fueran expulsados de esos materiales solo si el
La energía cuántica de la luz era mayor que la función de trabajo de la superficie del metal.
La frase “mecánica cuántica” fue acuñada (en alemán, Quantenmechanik ) por el grupo de físicos, incluidos Max Born, Werner Heisenberg y Wolfgang Pauli, en la Universidad de Gotinga a principios de la década de 1920, y se utilizó por primera vez en el artículo de Born de 1924 “Zur Quantenmechanik “ .
En los años siguientes, esta base teórica comenzó a aplicarse lentamente a la estructura química, la reactividad y la unión.
Contenido
- 1. Información general
- 2 experimentos fundacionales
- 3 Ver también
- 4 referencias
- 5 Lectura adicional
- 6 enlaces externos
Visión general
El diagrama de Ludwig Boltzmann de la molécula I2 propuesto en 1898 que muestra la “región sensible” atómica (α, β) de superposición.
Ludwig Boltzmann sugirió en 1877 que los niveles de energía de un sistema físico, como una molécula, podrían ser discretos. Fue fundador de la Sociedad Matemática de Austria, junto con los matemáticos Gustav von Escherich y Emil Müller.
La justificación de Boltzmann para la presencia de niveles de energía discretos en
moléculas como las del gas de yodo tuvieron su origen en sus teorías de termodinámica estadística y mecánica estadística y fueron respaldadas por argumentos matemáticos, como también sería el caso veinte años después con la primera teoría cuántica presentada por Max Planck.
En 1900, el físico alemán Max Planck introdujo a regañadientes la idea de que la energía se cuantifica para derivar una fórmula para la dependencia de frecuencia observada de la energía emitida por un cuerpo negro, llamada Ley de Planck, que incluía una distribución de Boltzmann (aplicable en el clásico límite). Ley de Planck
se puede expresar de la siguiente manera:
dónde:
La aproximación anterior de Viena puede derivarse de la ley de Planck suponiendo
.
Además, la aplicación de la teoría cuántica de Planck al electrón permitió a Ștefan Procopiu en 1911-1913, y posteriormente a Niels Bohr en 1913, calcular el momento magnético del electrón, que más tarde se denominó “magneton”;
cálculos cuánticos similares, pero numéricamente bastante diferentes
valores, posteriormente fueron posibles tanto para los momentos magnéticos de
el protón y el neutrón que son tres órdenes de magnitud más pequeños que el del electrón.
En 1905, Einstein explicó el efecto fotoeléctrico al postular esa luz, o más generalmente toda la radiación electromagnética,
se puede dividir en un número finito de “cuantos de energía” que son
puntos localizados en el espacio. De la sección de introducción de su Marcha
Documento cuántico de 1905, “Sobre un punto de vista heurístico sobre la emisión
y transformación de la luz “, Einstein afirma:
“Según el supuesto que se contempla aquí, cuando una luz
el rayo se extiende desde un punto, la energía no se distribuye
continuamente sobre espacios cada vez mayores, pero consiste en un finito
número de ‘cuantos de energía’ que se localizan en puntos en el espacio, mover
sin dividir, y puede ser absorbido o generado solo como un todo “.
Esta declaración ha sido llamada la oración más revolucionaria escrita por un físico del siglo XX.
Estos cuantos de energía luego se denominaron “fotones”, un término introducido por Gilbert N. Lewis en 1926. La idea de que cada fotón debía consistir en energía en términos de cuantos fue un logro notable; resolvió efectivamente el problema de que la radiación del cuerpo negro alcanzara energía infinita, lo que ocurría en teoría si la luz se explicara solo en términos de ondas. En 1913, Bohr explicó las líneas espectrales del átomo de hidrógeno, nuevamente mediante el uso de la cuantización, en su artículo de julio de 1913 sobre la Constitución de átomos y moléculas .
Estas teorías, aunque exitosas, fueron estrictamente fenomenológicas: durante este tiempo, no hubo una justificación rigurosa para la cuantización, aparte, quizás, de la discusión de Henri Poincaré sobre la teoría de Planck en su artículo de 1912 Sur la théorie des quanta .
Se conocen colectivamente como la antigua teoría cuántica .
La frase “física cuántica” se utilizó por primera vez en el Universo de Planck de Johnston a la luz de la física moderna (1931).
Con la disminución de la temperatura, el pico de la radiación del cuerpo negro
la curva cambia a longitudes de onda más largas y también tiene intensidades más bajas. los
las curvas de radiación de cuerpo negro (1862) a la izquierda también se comparan con la
El modelo de límite clásico temprano de Rayleigh y Jeans (1900) se muestra a la derecha. El lado de longitud de onda corta de las curvas ya fue aproximado en 1896 por la ley de distribución de Viena.
El modelo cuántico del átomo de Niels Bohr en 1913, que incorporó una explicación de la fórmula de 1888 de Johannes Rydberg, la hipótesis cuántica de 1900 de Max Planck, es decir, que los radiadores de energía atómica tienen valores de energía discretos ( ε = hν ), el modelo de pudín de ciruela de 1904 de JJ Thomson, el modelo de Albert Einstein de 1905 postulado de cuantos de luz, y el descubrimiento de 1907 del núcleo atómico de Ernest Rutherford.
Tenga en cuenta que el electrón no viaja a lo largo de la línea negra cuando
emitiendo un fotón Salta, desapareciendo de la órbita exterior y
que aparece en el interior y no puede existir en el espacio entre las órbitas 2
y 3.
En 1923, el físico francés Louis de Broglie
presentó su teoría de las ondas de materia al afirmar que las partículas pueden
exhibe características de onda y viceversa. Esta teoría era para un
partícula única y derivada de la teoría de la relatividad especial. Sobre la base del enfoque de De Broglie, la mecánica cuántica moderna nació en 1925, cuando los físicos alemanes Werner Heisenberg, Max Born y Pascual Jordan
desarrolló la mecánica matricial y el físico austriaco Erwin Schrödinger inventó la mecánica ondulatoria y la ecuación no relativista de Schrödinger como una aproximación al caso generalizado de la teoría de De Broglie.
Schrödinger posteriormente mostró que los dos enfoques eran equivalentes.
Heisenberg formuló su principio de incertidumbre en 1927, y la interpretación de Copenhague comenzó a tomar forma casi al mismo tiempo. A partir de 1927, Paul Dirac comenzó el proceso de unificar la mecánica cuántica con una relatividad especial al proponer la ecuación de Dirac para el electrón.
La ecuación de Dirac logra la descripción relativista de la
función de onda de un electrón que Schrödinger no pudo obtener. Eso
predice el giro de electrones y llevó a Dirac a predecir la existencia del positrón. También fue pionero en el uso de la teoría del operador, incluida la notoria influencia de brackets, como se describe en su famoso libro de texto de 1930. Durante el mismo período, el polimático húngaro John von Neumann
formuló la rigurosa base matemática para la mecánica cuántica como el
teoría de operadores lineales en espacios de Hilbert, como se describe en su
igualmente famoso libro de texto de 1932. Estos, como muchos otros trabajos del
período de fundación, aún en pie, y siguen siendo ampliamente utilizados.
El campo de la química cuántica fue iniciado por los físicos Walter Heitler y Fritz London, quienes publicaron un estudio sobre el enlace covalente de la molécula de hidrógeno en 1927. La química cuántica fue desarrollada posteriormente por una gran cantidad de trabajadores, incluido el químico teórico estadounidense Linus Pauling en Caltech y John C. Slater en varias teorías como la teoría de la órbita molecular o la teoría de la valencia.
A partir de 1927, los investigadores hicieron intentos de aplicar la mecánica cuántica a los campos en lugar de partículas individuales, lo que resultó en teorías de campos cuánticos. Los primeros trabajadores en esta área incluyen a PAM Dirac, W. Pauli, V. Weisskopf y P. Jordan. Esta área de investigación culminó en la formulación de la electrodinámica cuántica por RP Feynman, F. Dyson, J. Schwinger y SI Tomonaga durante la década de 1940. La electrodinámica cuántica describe una teoría cuántica de electrones, positrones y el campo electromagnético, y sirvió como modelo para las teorías subsiguientes del campo cuántico.
Diagrama de Feynman del gluón radiación en cromodinámica cuántica
La teoría de la cromodinámica cuántica se formuló a principios de la década de 1960. La teoría tal como la conocemos hoy fue formulada por Politzer, Gross y Wilczek en 1975.
Sobre la base del trabajo pionero de Schwinger, Higgs y Goldstone, los físicos Glashow, Weinberg y Salam mostraron de forma independiente cómo la débil fuerza nuclear y la electrodinámica cuántica podrían fusionarse en una sola fuerza de electrodébil, por la cual recibieron el Premio Nobel de Física de 1979.
Experimentos fundadores
- El experimento de doble rendija de Thomas Young que demuestra la naturaleza ondulatoria de la luz. (c1805)
- Henri Becquerel descubre la radiactividad. (1896)
- Experimentos del tubo de rayos catódicos de JJ Thomson (descubre el electrón y su carga negativa). (1897)
- El estudio de la radiación del cuerpo negro entre 1850 y 1900, que no podría explicarse sin conceptos cuánticos.
- El efecto fotoeléctrico: Einstein
explicó esto en 1905 (y luego recibió un premio Nobel por ello) usando
El concepto de fotones, partículas de luz con energía cuantificada.
- El experimento de gota de aceite de Robert Millikan, que mostró que la carga eléctrica se produce como quanta (unidades enteras). (1909)
- El experimento de la lámina de oro de Ernest Rutherford refutó el modelo de pudín de ciruela del átomo que sugería que la masa y la carga positiva del átomo están distribuidas de manera casi uniforme. (1911)
- El experimento de colisión de electrones de James Franck y Gustav Hertz muestra que la absorción de energía por los átomos de mercurio está cuantizada. (1914)
- Otto Stern y Walther Gerlach llevan a cabo el experimento Stern-Gerlach, que demuestra la naturaleza cuantificada del giro de partículas. (1920)
- Clinton Davisson y Lester Germer demuestran la naturaleza ondulatoria del electrón [10] en el experimento de difracción de electrones. (1927)
- Clyde L. Cowan y Frederick Reines confirman la existencia del neutrino en el experimento de neutrinos. (1955)
- El experimento de doble ranura de Clauss Jönsson con electrones. (1961)
- El efecto Quantum Hall, descubierto en 1980 por Klaus von Klitzing. La versión cuantificada del efecto Hall ha permitido la definición de un nuevo estándar práctico para la resistencia eléctrica y una determinación independiente extremadamente precisa de la constante de estructura fina.
- La verificación experimental del enredo cuántico por Alain Aspect. (mil novecientos ochenta y dos)
- El experimento del interferómetro Mach-Zehnder realizado por Paul Kwiat, Harold Wienfurter, Thomas Herzog, Anton Zeilinger y Mark Kasevich, que proporciona la verificación experimental del probador de bombas Elitzur-Vadiman, demostrando que la medición sin interacción es posible. (1994)
