Contexto
La definición de quantum de Dictionary.com es «la cantidad más pequeña de energía radiante, igual a la constante de Planck por la frecuencia de la radiación asociada». Esta definición se refiere esencialmente a la ecuación de la relación de Planck (E=hf) que fue definida por Max Planck. Más tarde ganó el premio Nobel en 1918 por su trabajo sobre los cuantos de energía.
Lo que descubrió Planck fue que los fotones (incluida la luz) son «paquetes» de energía, como él los llamó, y no una onda continua. Numerosos físicos se referían a este haz de energía como quanta (plural de quantum) a principios del siglo XX y ahora se suele denominar así.
Cuando los fotones viajan en ondas, son haces discretos de energía: quantum. Cuando un electrón está en órbita alrededor de un átomo, se encuentra en niveles de energía cuántica. El electrón sólo puede estar en determinados orbitales (niveles de energía). Cuando el electrón realiza una transición entre orbitales, se habla de un salto cuántico. La relación entre que el electrón de un átomo esté en niveles de energía cuánticos y que el fotón sea un paquete cuántico de energía no es sorprendente. La transición del electrón a orbitales inferiores es lo que crea un fotón.
Explicación
La cuántica es difícil de comprender porque la explicación actual del mundo subatómico es muy diferente del mundo más grande que el átomo. Actualmente se cree que el mundo cuántico tiene un conjunto diferente de reglas en el universo. Sin embargo, con un ligero cambio en nuestra forma de pensar, el puente entre el mundo cuántico y el mundo en el que vemos se hace evidente. Ambos viven bajo las mismas reglas de la física.
Para cambiar nuestra forma de pensar, tenemos que considerar que el protón tiene una carga de atracción y otra de repulsión. Los componentes del protón y cómo puede ocurrir esto se presenta en una página que explica el protón. Todavía es difícil de comprender, por lo que se utilizará una analogía para explicar la cuántica.
Imagina un secador de pelo y una pelota de ping pong. El secador está a baja velocidad y apuntando hacia arriba y una pelota de ping pong se coloca en la corriente de aire que sopla hacia arriba. La pelota de ping pong vibra y se coloca en el aire. La pelota de ping pong es atraída al suelo por la fuerza de la gravedad, pero el aire forzado del secador la mantiene suspendida en el aire. Este experimento puede intentarse en casa. Un ejemplo es el siguiente…
Credit: Orboloops2 on Imgur.com
En la analogía, la pelota de ping pong es un electrón en una órbita alrededor de un único protón. El protón tiene una fuerza de atracción (la gravedad de la Tierra en este caso) y una fuerza de repulsión (el aire forzado). El malentendido del protón y esta propiedad de ser atractivo y repulsivo es lo que lleva a la confusión de la cuántica.
Antes de explicar la cuántica utilizando la teoría de ondas de energía, se proporcionan algunos escenarios más para el experimento de la pelota de ping pong para entender los orbitales:
- Imagina el mismo experimento realizado en un planeta más pesado con una gravedad más fuerte. La pelota de ping pong estará más cerca del secador cuando se asiente en su posición. Esto equivale a más protones en un átomo.
- Imagina el mismo experimento con el secador de pelo en posición alta (en lugar de baja). El aire más fuerte obliga a la pelota de ping pong a subir más, pero sólo hay ciertos ajustes en el secador de pelo. Esto es el equivalente a más protones alineados en el átomo que provocan saltos orbitales.
- Imagina el mismo experimento con secadores de pelo adicionales apuntando a la pelota de ping pong desde otros ángulos y distancias. Esto hará que la pelota de ping pong tenga una nueva ubicación donde pueda descansar. Esto equivale a electrones adicionales en el átomo que tienen fuerzas de repulsión, cambiando las distancias orbitales.
Orbital atómico – Niveles de energía cuántica
Los escenarios de la pelota de ping pong son la mejor manera de explicar las fuerzas de un electrón en un átomo. Hay suficientes pruebas de este modelo a partir de la teoría de las ondas de energía: 1) la estructura del protón coincide con los experimentos de desintegración beta, 2) las distancias orbitales fueron calculadas con precisión y 3) las energías de ionización del electrón fueron calculadas para los primeros veinte elementos. A continuación se ilustra un ejemplo del átomo y la fuerza de atracción (F1) y la fuerza de repulsión (F2). El punto donde las fuerzas son iguales se convierte en un orbital. Cada orbital tiene un nivel de energía asociado que coincide con la fuerza atractiva y eléctrica para el electrón a esa distancia.
Orbital atómico
La explicación del protón sólo resuelve una parte del misterio cuántico. Explica cómo un electrón se mantiene en órbita alrededor de un protón cuando no hace lo mismo con un positrón. Explica cómo un átomo estable puede tener diferentes orbitales dependiendo de la configuración de su núcleo. Pero no ha explicado (aún) el fotón.
Emisión de fotones – Creación de energía cuántica
La energía se conserva siempre pero cambia de forma. Cuando un electrón es capturado en un orbital más cercano al núcleo atómico, vibra y crea una onda transversal. Está transfiriendo energía de onda longitudinal a energía de onda transversal. El fotón es una onda transversal. Cuando se crea a partir de un electrón en un átomo, es una vibración de corta duración, por lo que se convierte en un paquete discreto (quantum) de energía de onda transversal. Esto es el fotón y sus propiedades se pueden modelar en la teoría de ondas de energía con una ecuación de energía transversal, en la que la energía ganada es exactamente igual a la energía perdida en el cálculo usando la ecuación de energía longitudinal.
Un electrón puede ser capturado desde fuera del átomo, o puede cambiar entre orbitales, como la ilustración de abajo. Pero como se explica en la estructura del protón en el ejemplo de la pelota de ping pong, hay distancias específicas donde las fuerzas serán nulas que actúan sobre el electrón, dependiendo del número de protones y la colocación de otros electrones en el átomo. A continuación se muestra uno de los ejemplos de la creación del fotón a partir de la vibración del electrón.
Absorción de fotones – Absorción de energía cuántica
La energía cuántica del fotón también puede ser absorbida, convirtiendo la energía de onda transversal de nuevo en energía de onda longitudinal. Los detalles de cómo los fotones a frecuencias específicas son absorbidos por los electrones se proporcionan en la página de interacciones fotónicas. En resumen, las ondas transversales provocan un giro más rápido del electrón, aumentando la amplitud de la onda longitudinal entre el núcleo. Esto obliga al electrón a alejarse del núcleo, pero al final vuelve al estado básico ya que la ganancia de amplitud es temporal.
El quantum no debería ser un fenómeno misterioso que sólo se aplica a las partículas subatómicas. Los niveles de energía son el resultado de múltiples fuerzas en el átomo que actúan sobre un electrón, y el movimiento del electrón convierte la energía entre dos formas de onda diferentes: longitudinal y transversal.