Con motivo del Año Internacional de la Ciencia y Tecnología Cuánticas que se celebra este 2025, publicaremos una serie de artículos relacionados con el fascinante mundo cuántico.
Para entender el origen de la física cuántica, debemos remontarnos al siglo XIX, cuando los primeros estudios sobre la radiación emitida por los cuerpos y la radiactividad plantearon preguntas fundamentales sobre la naturaleza de la materia y su composición.
En torno a 1860, el físico Gustav Kirchoff y el químico Robert Bunsen desarrollaron un método experimental riguroso para estudiar en detalle los espectros de distintos compuestos químicos [6]. Sus investigaciones confirmaron que cada elemento químico posee un espectro característico, estableciéndose así un vínculo fundamental entre la composición de la materia y la luz que emite o absorbe en longitudes de onda discontinuas. Esta radiación concentrada en regiones estrechas de longitud de onda se denominan líneas espectrales. Sin embargo, aún entonces no se conocía el mecanismo real de esta radiación atómica.
Además, el descubrimiento inesperado de la radioactividad en 1896 por los científicos franceses Henri Bequerel y Marie Curie reavivó la cuestión de qué es la materia [1, 3]. ¿Por qué había elementos como el uranio o el torio que de forma natural emitían radiación? ¿Y en qué consistía exactamente esta radiación: ondas electromagnéticas o flujos de partículas cargadas?
Otro desafío importante en la física teórica de aquella época era el cálculo de la densidad de energía del cuerpo negro. El problema de la radiación del cuerpo negro o radiación térmica emitida por un objeto caliente fue resuelto por Max Planck en 1900 [7]. De manera semiempírica, elaboró una expresión matemática que se ajustaba satisfactoriamente a los datos experimentales. Sin embargo, debía asumir que la energía de las ondas electromagnéticas estaba cuantificada, es decir en múltiplos enteros de cierta cantidad según la famosísima fórmula: E = h · ν, siendo E la energía, h la constante de Planck y ν la frecuencia de la radiación. Esta solución supuso el nacimiento de la mecánica cuántica y cinco años más tarde, en 1905, Albert Einstein se basó en la cuantificación de la radiación para explicar el efecto fotoeléctrico [4].
Años más tarde, el físico Ernest Rutherford consiguió clasificar las partículas radiactivas en tres tipos [8]: alfa (α), núcleos de helio cargados positivamente; beta (β), electrones o positrones; y gamma (γ), ondas electromagnéticas. Sus investigaciones demostraron que la radiactividad tenía que ver con la desintegración de los elementos, lo que le valió el Premio Nobel de Química en 1908. Pero Rutherford no se detuvo ahí. En 1911, basándose en los experimentos de dispersión de partículas α realizados por Geiger y Marsden dos años antes [5], propuso un nuevo modelo de estructura atómica. Esta imagen del átomo postulaba la existencia de un núcleo de carga positiva, en el que se concentraba la mayor parte de la masa del átomo, mientras que los electrones, con carga negativa, orbitaban a su alrededor [9].
Aceptando este modelo nuclear del átomo, en 1913 Niels Bohr propuso una teoría que explicaba correctamente el espectro del hidrógeno [2]. Los dos postulados principales en los que se basa su teoría fueron:
- Un átomo posee un número determinado de estados estacionarios, en los cuales los electrones describen órbitas circulares de acuerdo con las leyes de Newton, pero (en contra de las leyes de Maxwell) no irradian energía y permanecen fijos en dichas órbitas.
- Cuando un electrón salta de un nivel orbital a otro, el átomo cambia de estado estacionario, emitiendo o absorbiendo energía en forma de un cuanto de luz, más conocido como fotón. La energía de este fotón corresponde exactamente a la diferencia energética entre los estados inicial y final del átomo. A su vez, la frecuencia de la onda electromagnética y la energía del fotón están relacionadas mediante la ecuación de Planck.
Puede parecer que aquí acaba la historia, pero en realidad no fue más que el comienzo de una revolución científica y tecnológica cuyo impacto sigue moldeando la sociedad moderna un siglo después. En el próximo artículo continuaremos recorriendo este arduo pero apasionante camino que condujo a la formulación teórica de la mecánica cuántica.
Referencias:
[1] Bequerel, H. (1896). Sur les radiations invisibles émises par les corps phosphorescents. Comptes rendus de l’Académie des Sciences, Paris 122: 501 –503.
[2] Bohr, N. (1913). On the constitution of atoms and molecules. Phil. Mag. 26, 1.
[3] Curie, P., & Curie, M. (1899). Sur la radioactivité provoquée par les rayons de Becquerel. Gauthier-Villars.
[4] Einstein, A. (1905). On a heuristic point of view concerning the production and transformation of light. Ann. Phys. 17 (132), 1-16.
[5] Geiger, H., & Marsden, E. (1909). On a diffuse reflection of the α-particles. Proc. Roy. Soc. A 82, 495. https://doi.org/10.1098/rspa.1909.0054.
[6] Kirchhoff, G. R. & Bunsen, R. W. (2008). Chemische analyse durch spectralbeobachtungen. 1–24. 10.11588/heidok.00015657.
[7] Plank, M. (1900). Zur theorie des gesetzes der energieverteilung im normalspektrum. Verh. Dtsch. Phys. Ges., 2, 237-245.
[8] Rutherford, E., & Royds, T. (1908). Spectrum of the radium emanation. Phil. Mag. 6, 16 (92): 313. doi:10.1080/14786440808636511.
[9] Rutherford, E. (1911). The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom. Phil. Mag. 21, 669.
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