El átomo nuclear de Rutherford

El descubrimiento de la naturaleza de las emisiones radiactivas permitió a los físicos profundizar en el átomo, que según se vio consistía principalmente en espacio vacío. En el centro de ese espacio se encuentra el núcleo, que sólo mide, aproximadamente, una diezmilésima parte del diámetro del átomo. Rutherford dedujo que la masa del átomo está concentrada en su núcleo. También postuló que los electrones, de los que ya se sabía que formaban parte del átomo, viajaban en órbitas alrededor del núcleo. El núcleo tiene una carga eléctrica positiva; los electrones tienen carga negativa. La suma de las cargas de los electrones es igual en magnitud a la carga del núcleo, por lo que el estado eléctrico normal del átomo es neutro.

Modelos atómicos

La evolución de los modelos físicos del átomo se vio impulsada por los datos experimentales. El modelo de Rutherford, en el que los electrones se mueven alrededor de un núcleo positivo muy denso, explicaba los resultados de experimentos de dispersión, pero no el motivo de que los átomos sólo emitan luz de determinadas longitudes de onda (emisión discreta). Bohr partió del modelo de Rutherford pero postuló además que los electrones sólo pueden moverse en determinadas órbitas; su modelo explicaba ciertas características de la emisión discreta del átomo de hidrógeno, pero fallaba en otros elementos. El modelo de Schrödinger, que no fija trayectorias determinadas para los electrones sino sólo la probabilidad de que se hallen en una zona, explica parcialmente los espectros de emisión de todos los elementos; sin embargo, a lo largo del siglo XX han sido necesarias nuevas mejoras del modelo para explicar otros fenómenos espectrales.

Teoría cuántica

Teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que en 1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos. Otra contribución fundamental al desarrollo de la teoría fue el principio de incertidumbre, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica.

Teoría cuántica de campos, teoría formal que, mediante el procedimiento denominado de segunda cuantificación, extiende la mecánica cuántica a los campos dinámicos, proporcionando la explicación de fenómenos que no se pueden interpretar a la luz de la teoría clásica. La teoría explica, por ejemplo, el proceso de creación y absorción de partículas durante los casos de colisión; la creación de parejas de partículas en presencia de energía suficientemente alta, y su consiguiente aniquilación; la energía de punto cero, por la cual un sistema cuántico, en su estado fundamental, posee una energía que no es nula; la existencia de la antimateria, por la que a cada partícula elemental corresponde una partícula igual en todo a ella, pero diferente por la carga eléctrica o por alguna otra propiedad cuántica, y también, en el ámbito de la física del estado sólido, los fenómenos de la superconductividad y de la superfluidez.

En el modelo que ofrece la teoría cuántica de campos, las partículas están representadas como los estados excitados cuantizados de los campos correspondientes. Así, en el ámbito de la electrodinámica cuántica —la teoría surgida de la aplicación de la teoría cuántica de campos a la interacción electromagnética—, el fotón y el electrón se definen como los cuantos del campo electromagnético. La electrodinámica cuántica fue la primera de las teorías cuánticas de campo, formulada hacia finales de la década de 1920 por los fundadores de la mecánica cuántica. A finales de la década de los cuarenta, los físicos estadounidenses Richard Feynman y J. Schwinger, junto con el físico japonés S. Tomonaga, reformularon la teoría cuántica de campos a la luz de los principios de la relatividad, ofreciendo una exposición relativistamente invariante.

Las consecuencias más importantes de esta operación fueron la previsión de la existencia de la antimateria y la determinación de la relación existente entre el espín de las partículas y el tipo de estadística seguido por éste, con la distinción entre partículas de Fermi-Dirac, o fermiones, y partículas de Bose-Einstein, o bosones. El éxito de la electrodinámica cuántica, debido a la eficacia del formalismo introducido por ella y a las numerosas confirmaciones experimentales que siguieron, indujo a los físicos a aplicar el esquema formal de la teoría cuántica de campos a otros tipos de interacción (fuerzas fundamentales) conocidos en la naturaleza.

De ahí surgieron la cromodinámica cuántica, para la interacción fuerte, y la teoría de la interacción débil, que confluyó pronto, junto a la electrodinámica cuántica, con la teoría electrodébil del físico estadounidense Steven Weinberg y del físico paquistaní Abdus Salam. La cromodinámica cuántica, la teoría electrodébil y la relatividad general constituyen el denominado modelo estándar.

Algunas dificultades de naturaleza formal, que complican el equilibrio matemático de estas teorías de campo —haciendo necesarios procedimientos de `renormalización'—, junto al hecho de que falta aún una teoría cuántica apropiada para la interacción gravitacional, son la causa de que la unificación de las diversas interacciones conocidas en una única teoría denominada teoría del todo no haya encontrado todavía una formulación definitiva.

Broglie, Louis (1892-1987)

Físico y premio Nobel francés, que contribuyó de manera fundamental al desarrollo de la teoría cuántica. De Broglie nació en Dieppe y estudió en la Universidad de París. Trató de racionalizar la doble naturaleza de la materia y la energía, comprobando que las dos están compuestas de corpúsculos y tienen propiedades ondulatorias. Por su descubrimiento de la naturaleza ondulatoria de los electrones (1924), recibió el Premio Nobel de Física en 1929. Fue elegido miembro de la Academia de Ciencias (1933) y de la Academia Francesa (1943). Fue nombrado profesor de física teórica en la Universidad de París (1928), secretario permanente de la Academia de Ciencias (1942) y consejero de la Comisión de Energía Atómica Francesa (1945). Entre sus obras destacan La física nueva y los cuantos (1937), Continuidad y discontinuidad en física moderna (1941) y Física y microfísica (1947).

Onda-corpúsculo, Dualidad, posesión de propiedades tanto ondulatorias como corpusculares por parte de los objetos subatómicos. El principio fundamental de la teoría cuántica es que una entidad que estamos acostumbrados a considerar como una partícula (por ejemplo, un electrón, con un momento lineal p) puede comportarse también como una onda, mientras que otras entidades que solemos concebir como ondas (por ejemplo, la luz, con una longitud de onda ð) también pueden describirse como corpúsculos (en este caso, fotones). La longitud de onda ð y el momento lineal p de una entidad cuántica están relacionados por la ecuación pð = h, donde h es una constante conocida como constante de Planck.

Esta dualidad onda-corpúsculo se aprecia especialmente bien en los experimentos de `doble rendija', en los que un cañón de partículas dispara electrones o fotones (uno cada vez) a través de un par de agujeros en una barrera, tras lo que son detectados en una pantalla situada al otro lado. En ambos casos, lo que sale del cañón y lo que llega a la pantalla detectora son partículas, y cada una marca un punto individual en la pantalla. No obstante, la figura global que se acumula en la pantalla a medida que se disparan más y más corpúsculos a través de los dos agujeros es un diagrama de interferencia formado por franjas claras y oscuras, que sólo pueden explicarse como resultado de ondas que pasan por ambos agujeros de la barrera e interfieren entre sí. Esto se expresa en el aforismo de que las entidades cuánticas “viajan como ondas pero llegan como partículas”.

Pauli, Wolfgang (1900-1958)

Físico estadounidense de origen austriaco, premiado con el Nobel y conocido por su definición del principio de exclusión en mecánica cuántica. Nació en Viena y estudió en la Universidad de Munich. Enseñó física en las universidades de Gotinga (1921-1922), Copenhague (1922-1923) y Hamburgo (1923-1928) y fue profesor de física teórica en el Instituto Federal de Tecnología de Zurich, desde 1928 hasta 1935. También fue profesor colaborador en el Instituto de Estudios Avanzados Princeton, en Nueva Jersey (1935-1936, 1940-1945, 1949-1950 y 1954).

En 1925 Pauli definió el principio de exclusión (también llamado principio de exclusión de Pauli) que establece que dos electrones no pueden ocupar el mismo estado energético (es decir, tener los mismos números cuánticos) de forma simultánea en un átomo. Su hipótesis, en 1931, de la existencia del neutrino, una partícula subátomica, constituyó una contribución fundamental al desarrollo de la teoría mesónica. En 1945 recibió el Premio Nobel de Física.

Principio de exclusión, en física, principio fundamental que afirma que dos partículas elementales de espín semientero, por ejemplo electrones, no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico (estado de energía) en un átomo. El principio explica las regularidades de la ley periódica. Posiblemente todavía no se comprendan completamente todas sus implicaciones. El principio de exclusión fue formulado en 1925 por el físico y matemático suizo de origen austriaco Wolfgang Pauli, que recibió el premio Nobel de Física en 1945.

Según la teoría cuántica, los estados posibles de los electrones en el átomo se especifican por cuatro números discretos llamados números cuánticos. Estos números cuánticos se emplean para describir matemáticamente un modelo tridimensional del átomo. El número cuántico principal, n, define el estado de energía principal, o capa, de un electrón en órbita. El número cuántico orbital, l, describe la magnitud del momento angular del electrón en órbita. El número cuántico m describe la orientación magnética en el espacio del plano de la órbita del electrón. El llamado espín se designa con el número cuántico de espín magnético, ms, que puede adoptar el valor de -ð o +ð según la dirección del espín. Para cada número cuántico, salvo ms, sólo están permitidos determinados valores enteros. Las consecuencias de esta regla están sustancialmente de acuerdo con la ley periódica.

Por ejemplo, cuando el número cuántico principal n es 1, la teoría cuántica sólo permite que el número orbital l y el número cuántico magnético m tengan un valor de 0, y que el número cuántico de espín ms sea +ð o -ð. El resultado es que sólo hay dos combinaciones posibles de números cuánticos: 1-0-0-(+ð) y 1-0-0-(-ð). Según el principio de exclusión, cada una de estas dos combinaciones de números cuánticos puede ser adoptada por un único electrón. Por tanto, cuando el número cuántico principal es n = l, sólo dos electrones pueden ocupar esa capa electrónica.

Cuando n = 2, la teoría cuántica permite que l sea 0 o 1, m sea +1, 0, o -1, y ms s sea +ð o -ð. Existen ocho combinaciones posibles de estos números cuánticos. Por tanto, en la segunda capa electrónica puede haber un máximo de ocho electrones. Con este método puede establecerse el número máximo de electrones permitidos en cada capa electrónica de cualquier átomo. La ley periódica se explica por el diferente grado de llenado de las capas electrónicas de los átomos.

El principio de exclusión de Pauli no sólo se aplica a los electrones de los átomos, sino también a los electrones libres que se desplazan a través de la materia en forma de corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial. Los protones y neutrones del núcleo también están organizados en estados cuánticos, y en cada estado sólo se permiten dos partículas de la misma clase y espín opuesto. Todos los fermiones (partículas de espín semientero) cumplen el principio de exclusión, pero no así los bosones, que tienen espín entero.