Origen de la Mecánica Cuántica III: La Estructura Atómica y el Electrón

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^{Por Dra. Inés Urdaneta / Fisico de Resonance Science Foundation}

En nuestro artículo anterior Origen de la Mecánica Cuántica II: radiación de Cuerpo Negro y cuantización del Campo Electromagnético vimos que la mecánica cuántica surge inicialmente por la combinación de dos evidencias experimentales denominadas “radiación del cuerpo negro” y “efecto fotoeléctrico”, las cuales indicaban que la materia solo podía intercambiar energía con su entorno -absorber o emitir- paquetes discretos de energía, cuantos de energía que fueron llamados fotones, lo cual aportaba un aspecto corpuscular a la luz. La luz que se observa macroscópicamente como una onda continua, debía entonces estar compuesta por paquetes de energía discretos; los fotones. Eso permitía que la luz y la materia intercambiaran unidades enteras de energia, llamadas fotones.

El principal interlocutor entre la luz y los átomos, son los electrones que componen al átomo. Grosso modo, es el electrón dentro del átomo quien absorbe o emite radiación electromagnética en el material, que como hemos señalado antes, debe venir en paquetes discretos, o en números enteros.  Es decir que el electrón solo tiene permitido absorber o emitir un fotón, dos fotones, etc, y no medio fotón, tres cuartos de fotón, etc. El intercambio de energía entre la luz, y la materia, estaba cuantizado.

Ahora bien, ¿que nos dice esto, sobre la naturaleza de la materia, el átomo, y su estructura interna?

Antes de nuestro modelo atómico actual, el primer modelo bien establecido para el átomo fue el del  físico danés Niels Bohr, propuesto en 1913, y fue la primera representación cuantizada de la estructura atómica. Este modelo evolucionó progresivamente hasta llegar a lo que hoy describe la mecánica cuántica como función de onda, una solución a la famosa ecuación de Schrödinger que describe la energía y la evolución en el tiempo -la posición y la velocidad- de partículas subatómicas fundamentales como los electrones. Como hemos abordado en Origen de la Mecánica Cuántica I y II, la mecánica cuántica surgió gradualmente a partir de teorías que intentaban explicar observaciones que no podían conciliarse con la física clásica.

^{Niels Bohr}

El modelo atómico de Bohr es el resultado de sus estudios sobre las relaciones empíricas entre las líneas de emisión espectral (en otras palabras, la emisión de luz a diferentes frecuencias o colores) del átomo de Hidrógeno (H), medidas por Balmer y Rydberg.  Bohr descubrió que cuando multiplicaba las frecuencias de las líneas de la serie espectral del hidrógeno (llamada serie de Balmer, ver figura inferior) por la constante de Planck h, podía calcular las brechas (el término científico es niveles de energía) entre las distintas frecuencias (o colores) posibles del átomo de hidrógeno. En otras palabras, Bohr descubrió que las líneas de la figura siguiente caen en frecuencias que son múltiplos o números enteros de la constante de Planck h.

El espectro de emisión es la huella digital de un átomo. El espectro de emisión de un elemento suele darse en términos de longitud de onda, que es la inversa de la frecuencia.

^{Figura: Serie de Balmer para el hidrógeno, que muestra el espectro de emisión del átomo de H, que es la huella digital del átomo. Cada elemento de la tabla periódica tiene un espectro de emisión particular. Obsérvese la separación entre las líneas; Bohr descubrió que estas líneas caen en frecuencias que son múltiplos o números enteros de la constante de Planck h..} 

Basándose en esta información, Bohr propuso un modelo atómico que consiste en un electrón con carga negativa que es atraído por la carga positiva del protón en el núcleo debido a la fuerza electrostática definida por la ley de Coulomb. En lugar de caer en la carga positiva, el electrón se mantiene en órbita por la fuerza centrífuga creada por la rotación del electrón alrededor del núcleo. La única suposición que hizo fue que la masa del electrón era mucho menor que la del protón, y descubrió que el momento angular (la velocidad de rotación del electrón alrededor del núcleo) también estaba cuantizado por la constante de Planck h, produciendo órbitas estables del electrón, o cáscaras. Por lo tanto, esos orbitales no podían ocupar cualquier posición dentro del átomo, sino que estaban ubicados en lugares específicos desde el cual los electrones podían intercambiar unidades enteras de energía, es decir, fotones. La energía intercambiada, que es igual a la del fotón, viene dada al multiplicar la constante de Planck h y la frecuencia de la radiación electromagnética.  

En el modelo de Bohr de orbitales o cáscaras concéntricas de electrones, éstos se ven como pequeñas partículas que saltan de un orbital a otro, como se ve en la figura siguiente, donde un electrón salta del tercer orbital (n = 3) al segundo orbital (n = 2), emitiendo un fotón (flecha curva roja) con frecuencia f = v. En este modelo, n es siempre un número entero, e identifica el orden numérico de las cáscaras de electrones, así como el número de fotones intercambiados. De ahí que se aplique el término cuantización; el intercambio de energía dentro del átomo o entre el electrón y la luz se produce en números enteros de hf. Por ejemplo, el cambio de energía (escrito como ΔE) de un electrón que salta del orbital n = 3 al orbital n = 2 es ΔE = (3-2)hv . Como 3-2 = 1, entonces sólo se emite un fotón; por otro lado, para que el electrón salte de una cáscara interior (n = 2) a una exterior (n = 3), necesita absorber un fotón en lugar de emitirlo.  Los saltos pueden ser no lineales (saltos de más de un orbital emitiendo o absorbiendo múltiples fotones), pero esto requiere una interacción muy intensa con la luz. Este tipo de situaciones se dan en casos de alta energía, como en las estrellas, por ejemplo, o durante los experimentos que utilizan campos láser de alta intensidad. Las interacciones no lineales son muy importantes y difíciles de describir.   

^{Como el átomo es neutro (no tiene carga neta), el número de protones (cargas positivas) en los núcleos, Z, es igual al número de electrones (cargas negativas) en el átomo. Los electrones se colocan en orbitales que son estables. En el caso del átomo de H, Z = 1, lo que significa que sólo hay un protón (carga positiva +1e) y, por tanto, sólo un electrón con carga -e (el punto verde).  En esta figura, un electrón salta del orbital n = 3 al orbital n = 2, emitiendo un fotón (flecha curva roja) con frecuencia f = v. Imagen de: https://sciencenotes.org/bohr-model-of-the-atom/.}

El modelo del átomo de Bohr predecía un radio para el átomo H con el electrón en el estado fundamental (n = 1), y ganó credibilidad en 1913 con un artículo en el que se predecía que algunas líneas anómalas en los espectros estelares se debían al helio ionizado, no al hidrógeno, lo que rápidamente confirmó el espectroscopista astronómico Alfred Fowler. Gracias a los desarrollos de Dirac, Heisenberg, Schrodinger y muchos otros físicos, el modelo de Bohr ha sufrido cambios y mejoras sustanciales, perfeccionando este modelo semiclásico del átomo que ahora se describe íntegramente con la actual teoría de la mecánica cuántica. Sin embargo, el modelo de Bohr es una gran ilustración de los principios básicos de la estructura del átomo y su cuantificación.

El radio de Bohr (a₀) se considera una constante física, igual a la distancia más probable entre el núcleo y el electrón en un átomo de hidrógeno en su estado básico, y su valor es de 5,29177210903(80)×10^-11 m.

El descubrimiento del electrón como partícula subatómica, está muy relacionado con la historia de la estructura atómica como tal. Si quieres saber más a profundidad sobre la historia del electrón, dirígete a este artículo de RSF, Una Breve Historia del Electrón.

RSF en perspectiva

Desde la física moderna, este sería el final de la historia sobre el origen de la cuantización, y por ende, de la mecánica cuántica.  Pero ello planeta una limitación fundamental, un problema aun sin responder en ese paradigma: ¿cómo incluir la gravedad en la teoría cuántica?

Para responder esa pregunta, hay que ahondar más profundo en el origen de la cuantización. No solo la materia y la luz están cuantizadas, o mejor dicho, para que ellas lo estén –para que tengan una naturaleza cuántica- debe haber una cuantización aun más fina, en la estructura del espacio. Es decir, ¡el espacio mismo debe estar cuantizado en partículas o unidades energéticas, o volúmenes de espacio!

Y eso es lo que descubre Nassim Haramein, al encontrar una estructura y un volumen con el cual voxela al espacio aparentemente vacío a escala macroscópica, pero lleno de cada vez mayor energía a medida que nos sumergimos en los más pequeño, la escala cuántica y sub cuántica. Al definir una unidad fundamental muy chiquita para ese espacio; un volumen esférico con radio de Planck, denominada Planck Spherical  Unit (Unidad esférica de Planck), Haramein encuentra el verdadero origen de la cuantización … el espacio mismo esta organizado en unidades de energía discretas, los PSU, que al organizarse e interactuar entre ellas, crean la realidad que percibimos.

Así como el agua parece liquida -un flujo continuo- pero que al inspeccionarle de cerca, vemos que está compuesta por diminutas moléculas de agua, que a su vez están compuestas de átomos de hidrógeno y oxígeno, que son unidades energéticas (o vibraciones) confinadas en formas esféricas muy chiquitas, así el espacio parece continuo y “fluido”, cuando en realidad está compuesto por vibraciones increíblemente rápidas, porque son resonancias confinadas en volúmenes infinitamente pequeños, que podían considerarse incluso singularidades.  

Como bien explica Haramein, no tiene sentido buscar la partícula mas pequeña, porque siempre habrá más pequeñas … lo importante es encontrar el patrón de división, o de cuantización, del espacio. Y sobre ese patrón de división está basado su modelo holofractográfico generalizado, desde el cual muy pronto sabremos cómo emergen partículas, campos, y fuerzas, del plasma del vacío cuántico.  

Los PSU representan la forma y estructura de las fluctuaciones del vacío cuántico, y el patrón de división no se detiene allí, puede ir más adentro, porque es un patrón fractal.