A ver, yo te prometo que cuando termine este vídeo vas a ENTENDER LA FÍSICA CUÁNTICA y te va a gustar mucho que te lo haya explicado. De verdad, es muy sencillo, lo que pasa es que nunca seguramente te lo han explicado bien. Y para entenderla, tenemos que empezar por el principio.
Así que relájate, y disfruta de la historia que te voy a contar. En el siglo 5 a. C un señor griego llamado Demócrito de Abdera se levantó una mañana y se inspiró.
Se le ocurrió que toda la materia podría estar formada por cosas muy pequeñas, indivisibles, indestructibles, invisibles, homogéneas y ETERNAS, SABES O QUÉ. No sé qué se había fumao ese día para levantarse así pero el caso es que llamó a cada una de estas partes muy pequeñas, indivisibles, indestructibles, invisibles, homogéneas y eternas, ÁTOMOS. Que en griego significa SIN DIVISION (A / TOMO).
Es decir, este señor se levantó un día y dijo que toda la materia estaba compuesta de cosas muy pequeñas y que esas cosas eran lo más pequeño que existía en el mundo mundial. AE: “Vamos que se lo inventó” Pues sí, porque pensad que estamos en el siglo 5 a. C, en la antigüedad no había instrumentos para hacer mediciones científicas, por eso he dicho que a Demócrito “se le ocurrió”, porque en ese momento esto era una idea FILOSÓFICA de su escuela griega que dio origen a una corriente filosófica llamada ATOMISMO, es decir, un grupo de personas que sostenían que la materia estaba creada por cosas muy pequeñas, indivisibles, indestructibles, etcétera.
AE: (interrumpe) Vale sí, lo hemos pillado. ¿Y cómo se le ocurrió esto? Pues nadie lo sabe Como acabo de contar, en la antigüedad no había instrumentos científicos, por lo que las personas se basaban en su lógica para hacer razonamientos.
Es decir, yo tengo una idea, por ejemplo de que la tierra es plana con forma del logo de La Constante de Planck. Yo te lo cuento, te convenzo y juntos creamos una escuela que defiende esa idea. Cuando mucha gente adoptaba una idea, digamos que “se oficializaba”.
Pero esas ideas no estaban demostradas científicamente, solo eran ideas que gozaban de cierta aceptación. Corrientes filosóficas había muchas, no solo el atomismo, sin duda os sonará otra que sostenía que toda la materia estaba compuesta de cuatro elementos: agua, tierra, aire y fuego. Daos cuenta que sin tener ningún medio científico a su alcance, el ser humano siempre ha intentado dar solución a sus inquietudes, si hace falta me lo invento y ya luego se demostrará que es falso.
AE: “Di que sí” Como nadie podía probar si el atomismo era verdad o mentira porque no se tenían los medios para ello, la idea se quedó ahí aparcada durante DOS MIL años. Bueno fast forward dos mil años y llegamos al año 1803 cuando un químico inglés llamado John Dalton, que no tenía nada que ver con los hermanos Dalton, éste era un Dalton distinto, rescató la antigua idea del atomismo y ver si podía darle un enfoque científico o si por el contrario era una idea absurda y sin sentido. Tras años de estudios John Dalton formuló el primer modelo atómico de la materia, que hoy conocemos como el MODELO ATÓMICO DE DALTON.
Es decir este señor fue el primero en poner encima de la mesa con argumentos científicos que la materia estaba compuesta por partículas muy pequeñas. En esta época sí que se conocía la existencia de algunos elementos. O sea se sabía que el oro y el hierro por ejemplo eran elementos distintos, pero no sabían cómo estaban compuestos.
Ellos pensaban que una moneda de oro estaba formada por una infinidad de bolitas de oro pequeñas. El oro en sí para ellos era como un elemento muy pequeño, una bolita con ese nombre, pero no sabían nada más. Lo que hizo Dalton fue elaborar una teoría que básicamente venía a decir dos cosas: Que las bolitas de un mismo elemento son siempre iguales y tienen la misma masa.
Es decir que todas las bolitas de “oro” que hay en una moneda de oro son iguales entre sí. Y la segunda cosa es que los átomos de distintos elementos tienen pesos distintos. Es decir que una bolita de oro y una de plata pesaban diferente.
Como el hidrógeno era el elemento más ligero que Dalton conocía, comparó el peso de cada elemento con el peso del hidrógeno. Es decir, él planteó que una bolita de cualquier elemento pesaba X veces más que una de hidrógeno. A ver, realmente Dalton a las bolitas las llamaba átomos, pero no penséis en la idea que tenemos ahora del átomo, pensad que para Dalton la palabra átomo significaba una canica muy pequeña, él pensaba que estábamos hechos de canicas pequeñas, cada una de un tamaño y de un peso según el elemento químico que fuera.
Y ya está. Claro esta idea tenía algunos problemas. Él sabía por ejemplo que el agua estaba compuesta de hidrógeno y oxígeno, pero no sabía las proporciones, no sabía que en la molécula de agua había dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, por lo que las mediciones tampoco le salieron muy bien.
Pero EHHH, escucha, que fue el primero y bastante hizo el hombre. Los problemas del modelo de Dalton fueron corregidos en 1811 por un físico y químico italiano llamado Amadeo Avogadro. Esto es algo que pasa mucho en la vida, que tú te pegas el curro y luego viene otro y lo mejora.
Avogadro observó que algunos átomos se juntaban formando como un grupito de átomos. Además, se dio cuenta de una cosa muy curiosa y es que si tienes una habitación y la llenas con un gas, hay un cierto número de moléculas de ese gas, lógicamente. Pero si la llenas de otro gas más pesado o más ligero, hay el MISMO número de moléculas.
Es decir, Avogadro descubrió que la masa de un gas no afecta al volumen que ocupa. Esto es algo que seguramente ahora mismo te de bastante igual pero es más importante de lo que parece, volveremos sobre ello más tarde. Avogadro fue la primera persona en hacer una distinción clara entre ÁTOMOS y MOLÉCULAS, aunque para él los átomos seguían siendo canicas pequeñas.
Y todo esto en el año 1811, o sea las mentes que tenían estas personas eran increíbles. Veinte años más tarde, en 1831, nuestro queridísimo Michael Faraday descubrió que una corriente eléctrica genera un campo magnético y viceversa, vamos, lo que llamamos electromagnetismo de toda la vida. Esto es algo que ya vimos en el vídeo de la cocina de inducción que si no lo has visto, pues aquí te dejo el enlace para que pases de mí porque sé que no lo vas a ver, pero bueno yo te he dejado el enlace para que lo veas, ya decides tú si te va bien verlo o no.
El caso es que el descubrimiento del electromagnetismo iluminó muchas mentes, entre ellas la del científico inglés J. J. Thomson (como J.
J. Abrams, pero J. J.
Thomson). En el año 1897 este señor estaba jugando un día con unos electrodos cuando se percató de una anomalía extraña. Cogió un tubo de vacío (que es un tubo que está vacío, como un tubo con aire, pero sin aire, sin nada, vacío).
Puso en un tubo de vacío dos electrodos que alimentó con un voltaje y vio que esto generaba rayos catódicos que iban de un electrodo al otro. Los rayos catódicos igual te suenan de algo porque es el principio de funcionamiento de los televisores de tubo (que se llaman por cierto por el tubo de vacío que te acabo de contar). Estaba vacío de todo menos de significado.
Normalmente las llamamos pantallas CRT, que son las siglas de tubo de rayos catódicos. Bueno, el caso es que Thomson se dio cuenta de que los rayos catódicos iban de un electrodo al otro, como era de esperar, PERO si aplicaba un campo electromagnético, los rayos se desviaban. Claro, aquí pasaba algo raro.
Ante este hallazgo los científicos se posicionaron en dos grupos. Los que pensaban que los rayos eran átomos, es decir, que según ellos era una canica pequeña yendo a full de velocidad de un electrodo al otro, y los que pensaban que eran rayos de energía sin más (vamos, que el rayo no incluía la canica, la canica no era FREE). A Thomson se le ocurrió que tal vez las canicas que ellos llamaban átomos podrían tener una carga eléctrica y por eso se desviaban.
Pero claro, eso no le cuadraba mucho porque si por ejemplo el electrodo era de hierro, el hierro no tiene carga. Tu tocas el hierro y de normal no te da calambre ni nada. Con lo cual un átomo de hierro no debería tener carga.
Y por tanto no debería desviarse, pero se desviaba. Thomson hizo varias pruebas con diferentes campos electromagnéticos y llegó a la conclusión que las canicas voladoras tenían carga negativa. Pero eso no fue todo, sino que también consiguió MEDIR el peso de esas mini canicas y se dio cuenta de que pesaban como mil veces menos que una canica de hidrógeno, por lo que no podían ser átomos del elemento del que estuviera fabricado el electrodo, el hierro en este caso, porque el hidrógeno es el elemento más ligero, y si las canicas voladoras era más ligeras todavía, eso no tenía sentido.
Debía ser algo mucho más pequeño. Como no sabía lo que era, llamó a esas minicanicas voladoras corpúsculos. Como crepúsculo, pero corpúsculo.
Y dedujo también que esos corpúsculos procedían de los átomos del electrodo. Eran como pequeños trozos de esos átomos. Claro, Thomson pensó de forma muy razonable que si esas porciones tenían carga negativa, pero el átomo en general no tenía carga, significa que tiene que haber otra parte de la canica con carga positiva para que se anularan y no haya carga en total.
Thomson ideó entonces lo que hoy conocemos como el MODELO ATÓMICO DE THOMSON, donde los átomos (las canicas) en realidad tenían una carga positiva pero llevaban incrustadas esas mini partículas con carga negativa (lo que él llamaba corpúsculos) y por eso en total se anulaba. En este modelo las cargas tienen una distribución uniforme, están repartidas por todo el átomo, y por eso a este modelo se le conoce normalmente como el modelo del pastel de pasas. No me negarás que no se parece a un pastel de pasas.
Como el corpúsculo había resultado ser una carga eléctrica en movimiento, lo llamarón ELECTRÓN. Claro aquí hay un pequeño inciso lingüístico. Como la palabra átomo si os acordáis en griego significaba indivisible, pero resulta que sí se podía dividir, al electrón se le consideró la primera partícula SUB-ATÓMICA, porque era como más pequeña que el átomo.
Claro la idea de un átomo con forma de pastel de pasas, digamos que tenía algunas lagunas. En 1909 uno de los estudiantes de Thomson llamado Ernest Rutherford hizo más experimentos para intentar comprender la distribución de las cargas dentro del átomo. Rutheford se dio cuenta de que la gran parte de la carga positiva estaba concentrada justo en el centro de la canica en lugar de estar repartida de forma homogénea como se pensaba el señor de las pasas.
Rutherford había descubierto el NÚCLEO de los átomos. Rutherford se dio cuenta por fin de que los átomos no eran canicas como tal, sino que estaban compuestos por una región en el centro con carga positiva y los electrones, mucho más lejos con carga negativa, aunque para él los electrones seguían siendo minicanicas. El tema canica lo llevaban aquí dentro.
Esto dio lugar al MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD, que se asemejaba a un modelo planetario, con un núcleo que alojaba casi toda la masa y unos electrones orbitando dicho núcleo. Este modelo es el culpable de que mucha gente piense a día de hoy que el átomo es como un sistema solar en miniatura, pero esto NO ES ASÍ, como ahora veremos. Pero Rutherford era un crack y además hizo otros descubrimientos importantes.
Él se dio cuenta de que si aplicaba una mayor cantidad de energía a cualquier tipo de átomo, se desprendían partes del núcleo mucho más grandes que los electrones y además estas partes desprendidas tenían carga positiva. AE: Protón, calienta que sales. Y así es, lo que Rutherford había descubierto era el PROTÓN.
Lo que estaba pasando es que de igual forma que con los rayos catódicos se disparaban electrones, aplicando una mayor energía se desprendían los protones del núcleo. Pero los avances de Rutherford no acaban aquí. Este señor también observó que el núcleo de cada átomo tenía más masa que la suma de sus protones por separado, lo cual implicaba que debía de haber otras partículas en el núcleo -además de los protones-.
Eso sí, esas partículas no debían tener carga eléctrica, porque la carga neta del átomo ya era neutra, dado que la carga positiva de los protones y la negativa de los electrones ya se estaba anulando. Rutherford había descubierto el NEUTRÓN, que se llamó así porque tenía carga neutra y la misma masa que el protón. El neutrón es como un protón descafeinado.
Hello George. Así las cosas, los átomos pasaban de ser canicas místicas a tener unos electrones orbitando un núcleo formado por protones y neutrones. Si además el átomo era neutro, tendría la misma cantidad de protones que de electrones, para que la carga se anule.
Y ahora diréis: “Bueno, pues ya está. Éste es el átomo conforme lo conocemos hoy en día” Este modelo tenía dos problemas. El primero es que cuando tenemos una corriente eléctrica, que recordad que no es más que electrones en movimiento, se genera una radiación electromagnética.
Recordad que la corriente no son más que electrones en movimiento. Claro, si los electrones estuvieran orbitando el núcleo debería haber una radiación electromagnética, ¿no? AE: Claro Y no la hay.
AE: No A ver hasta ahora más o menos todo lo que os he contado tiene sentido. Es entendible y tiene cierta lógica. Pero atentos porque en el año 1900 se produjo EL GRAN DESCUBRIMIENTO que revolucionó la física.
No, no fue Albert Einstein. Por favor, poneos en pie para recibir… a Max Planck. En el año 1900 este señor apuesto llamado Max Planck hizo EL DESCUBRIMIENTO que CAMBIÓ PARA SIEMPRE LA FORMA que tenemos de entender la física.
Planck se dio cuenta de que la energía que tiene una onda electromagnética está relacionada con la frecuencia a la que vibra, de forma que cuanto mayor es la frecuencia de una onda, mayor es la energía que transporta. Y lo más importante, se dio cuenta que dicha relación es LA MISMA SIEMPRE sin importar la frecuencia que elijas. ¿Y cómo se llama algo que es lo mismo siempre?
AE: Una constante. Planck demostró que la energía de una onda electromagnética se relaciona con la frecuencia a través de una CONSTANTE UNIVERSAL, que llamaron, por supuesto…. La Constante de Planck.
Igual os suena de algo (bienvenidos a la constante de Planck (repetidos de distintos videos)). AE: Vale, creo que ha quedado claro. Aquí hay que hacer un inciso.
Una onda electromagnética cualquiera está compuesta por un conjunto de paquetitos de energía. Como si la onda EM fuera un camión de Amazon y los paquetes fueran porciones de energía que transporta la onda. Como hemos explicado muchas veces en el canal, la luz visible también es una onda EM.
Cuando hablamos de una onda EM de luz visible a esos paquetitos de energía que componen la onda los llamamos fotones. Es decir, una onda EM de LUZ VISIBLE es una onda electromagnética que está compuesta por uno o más FOTONES que, dependiendo de su frecuencia, tendrá un COLOR u OTRO. Pensad que un fotón es una onda que ilumina muy, muy, MUY poquito.
Si tienes una luz súper brillante por ejemplo de color rojo, es porque esa onda electromagnética contiene muchos fotones, todos ellos de la misma frecuencia del color rojo. Si tienes una luz roja pero muy tenue, esa onda EM llevará el mismo tipo de fotones pero una menor cantidad de ellos. ¿Y qué energía tiene esta onda que lleva tantos fotones y da una luz tan brillante?
Pues tendrá la suma de las energías de cada fotón, por supuesto, ES DECIR, y aquí viene lo ROMPEDOR: LA ENERGÍA TOTAL DE ESA ONDA NO PUEDE TENER CUALQUIER VALOR, SINO QUE SOLO PUEDE TENER CIERTOS VALORES CONCRETOS. Es decir, no puedes tener un fotón y medio. Tendrás o un fotón o dos fotones.
Y por tanto la energía total de esa onda no puede tener cualquier valor, tendrá la energía de uno, O la de dos fotones. (o la de los fotones que sea). A cada uno de esos escalones de energía, Planck los denominó… QUANTUMS… (creepy con truenos y oscuridad).
En español, se traduce como cuantos de energía. Esto dio origen al concepto de FÍSICA CUÁNTICA. Editor de sonido (OS): “Ay, si, perdón” Es decir, la física cuántica es la física una vez entendemos que las ondas electromagnéticas están compuestas de un número concreto de FOTONES, cada uno de los cuales tiene una energía dependiendo únicamente de su frecuencia, por lo que la onda en su conjunto no puede tener cualquier valor de energía, sino únicamente múltiplos de la energía de un fotón.
La energía de los fotones la medimos en una unidad que se llama electrón-voltio. Esto a modo de chascarrillo porque es totalmente irrelevante para el resto del vídeo. AE: ¿Y cómo aplica esto al modelo atómico?
Once años después del descubrimiento de Max Planck, en 1911 el científico danés Niels Bohr y un compañero suyo de la Carlsberg Foundation (sí, la marca de cerveza), viajaron a Inglaterra para intentar hacerse un nombre en la física, ya que todos los avances se estaban realizado allí. Bohr se puso a indagar por qué los electrones no se caían hacia el núcleo si debería haber una atracción porque el núcleo y los electrones tienen diferente carga. Apoyándose en los descubrimientos de Max Planck se dio cuenta de que realmente los electrones no orbitaban por ahí a boleo de cualquier modo, sino que estaban ubicados en unas órbitas muy concretas.
Es decir, lo que propuso Bohr es que las órbitas estaban CUANTIZADAS, es decir que un electrón solo podía estar en una de las órbitas disponibles y por eso no se caían ni se movían libremente. Así nació el MODELO ATÓMICO DE BOHR, donde los electrones podían estar en una órbita o en la otra, pero no entre medias. Bohr planteó que los electrones podían saltar de una órbita a otra cuando absorben la energía de un fotón.
También demostró que los electrones pueden bajar de orbita desprendiéndose de la misma cantidad de energía que tomaron para subir. Es decir, los niveles de ENERGÍA necesarios para cada nivel están CUANTIZADOS, por lo que un electrón NO PUEDE subir de orbital si el fotón que lo alcanza NO TIENE ENERGÍA SUFICIENTE. Simplemente lo deja pasar y ya está.
Si el fotón tiene energía suficiente, el electrón la absorberá y se quedará en el nivel más alto al que llegue con esa energía que ahora posee. De esto se deduce que si un fotón tiene MUCHA energía, es posible que el electrón se libere por completo del átomo y se vaya a vivir por ahí su vida, que es lo que le pasaba a Rutherford con los electrodos de los rayos catódicos, que se le emancipaban de la mamá átomo y se perdían. ESTO ES LA SÍNTESIS DE LA FÍSICA CUÁNTICA.
LOS CUANTOS SON LOS NIVELES DE ENERGÍA NECESARIA PARA QUE UN ELECTRÓN SUBA DE ÓRBITA ABSORBIENDO LA ENERGÍA DE UN FOTÓN. Uff, vale, ya está. Respirad.
Habéis entendido el FUNDAMENTO de la FÍSICA CUÁNTICA. Ya podéis sentiros orgullosos. Ahora, vamos con lo complicado.
Naah, lo complicado era eso, solo queda una pequeña mejora. Cuando parecía que teníamos el modelo del átomo definitivo, con las órbitas CUANTIZADAS en unos niveles de energía concretos, llegó el jefe de la física cuántica: un señor llamado ERWIN SCHRODINGER. Mundialmente conocido por su analogía de El gato de Schrödinger -no confundir con La Gata de Schrödinger, que es una persona distinta-, este científico alemán mejoró el modelo de Bohr, creando el modelo definitivo hasta la fecha: El MODELO ATÓMICO DE SHRÖDINGER.
Schrodinger planteó que algunos de los problemas de la física cuántica se solucionaban si considerábamos al electrón NO como una canica, POR FIN, sino como una onda en sí mismo. No more canicas. Schrodinger es mundialmente famoso por haber descubierto la ecuación matemática que describe la órbita de un electrón como una onda de materia, que hoy conocemos como Ecuación de Shrodinger.
Lo que Schrodinger planteó es que el electrón no era una partícula que estaba en una órbita concreta, como sugería Bohr, sino que en realidad el electrón era una ONDA que tenía una probabilidad de estar en unas regiones concretas del átomo, y no una órbita exacta como decía Bohr, sino más bien ciertas ZONAS con cierta INCERTIDUMBRE. A cada una de estas zonas las llamó ORBITALES. Y no eran zonas necesariamente esféricas como en los modelos anteriores, sino que los orbitales pueden tomar formas muy bizarras dependiendo del átomo que fuera.
Claro ahora el hecho de que un electrón pueda absorber la energía de un fotón tiene algo más de sentido, porque realmente ambas cosas son ondas, y ya vimos en el vídeo de cómo funciona la cancelación de ruido que, aunque en ese caso eran ondas acústica a aquí son ondas EM, las ondas pueden interaccionar. Las aportaciones de Schrodinger es un tema muy denso que sin duda explicaré en otro vídeo, pero hay fenómenos -como el experimento de la doble rendija-, que NO tienen explicación si consideramos los electrones como partículas. Schrodinger planteó que los fotones a veces se comportan como luz y otras como partículas, dependiendo de cómo se hayan levantado ese día.
No es así pero ya lo explicaremos. Y hasta aquí el vídeo de hoy, espero de corazón que hayáis entendido el fundamento de la física cuántica. Sé que es un tema complejo, hablaremos más veces de esto en el canal, sobre todo de la parte de Schrödinger.
Obviamente esto es más complejo de lo que os muestro aquí pero es más que suficiente para que entendáis algo como la física cuántica que mucha gente no comprende. Dicho esto, nos vemos en el siguiente vídeo ¡Adios!