Written by A raíz del exitoso desarrollo de la mecánica clásica, el electromagnetismo y la termodinámica, los físicos de principios del siglo XX buscaron resolver cuestiones cruciales que estaban en las fronteras de la ciencia en ese momento. El interés predominante se centró en obtener un modelo definitivo del átomo y en explicar fenómenos relacionados con la naturaleza de la luz. La efervescencia de la búsqueda de las respuestas correctas hizo que el primer cuarto del siglo pasado estuviera marcado por el nacimiento de uno de los mayores triunfos científicos de todos los tiempos: el física cuántica.
Uno de los principales problemas de la época consistía en explicar la forma en que se distribuía la energía de las radiaciones térmicas a lo largo de las distintas frecuencias del espectro electromagnético. La dificultad se resolvió en 1900, cuando el físico alemán Max Planck (1858-1947) asumió que la energía se liberaba de forma discreta en lugar de continua, en forma de varios pequeños «paquetes» con energía proporcional a la frecuencia de la radiación, a la que él llamado cuánto, plural de la palabra latina cuántico. La hipótesis demostró ser capaz de explicar la distribución matemáticamente y fue el paso principal en todo el desarrollo posterior. El siguiente paso, cinco años después, lo daría Albert Einstein (1879-1955).
Aunque en ese momento no se admitía otra forma de propagación de la luz que no fuera la forma de onda, la existencia de un fenómeno cuyo mecanismo no podía explicarse en términos de luz como onda era intrigante. El llamado efecto fotoeléctrico se verificó cuando una placa metálica fue bombardeada por un haz de luz y se le arrancaron electrones de su superficie. En 1905, Einstein explicó el efecto de un cambio de paradigma fundamental: según él, la luz misma consistía en cuánto, y fueron estas partículas de luz, más tarde llamadas fotones, las que interactuaron con los electrones del metal individual. Así, se descubrió la dualidad onda-partícula de la radiación electromagnética: dependiendo del experimento, la naturaleza de la luz podría percibirse como ondulatoria o corpuscular.
En 1913, el origen del tipo de luz emitida por los gases calientes aún era un misterio. Se sabía que el espectro resultante era discreto, con radiación emitida solo en ciertas frecuencias. La causa, sin embargo, era completamente desconocida. La solución al rompecabezas la dio Niels Bohr (1885-1962), quien desarrolló un nuevo modelo del átomo utilizando un enfoque cuántico. Según Bohr, los electrones orbitaban el núcleo atómico y solo podían ocupar determinadas órbitas, caracterizadas por cantidades específicas de energía. Los electrones incluso podrían rebotar de una órbita a otra a medida que perdían o ganaban energía, liberando o absorbiendo un fotón de energía equivalente. El modelo resultó extremadamente adecuado para explicar la extraña emisión: al calentar un gas, los electrones en sus átomos ganaron energía y dieron un salto cuántico a una órbita más alta; en el salto de regreso a la órbita original, liberaron un fotón con una energía igual a la recibida inicialmente.
La posterior realización del clásico experimento de doble rendija con electrones demostró que las partículas también podían presentar un comportamiento ondulatorio. No solo lo que siempre se había considerado una onda podría tener un comportamiento de partículas, como la luz, sino que las entidades clásicamente consideradas partículas podrían tener un comportamiento de onda, como los electrones. En la década de 1920, las interpretaciones del comportamiento ondulatorio de la materia y el formalismo matemático desarrollado condujeron a una formulación de la mecánica adecuada para el mundo microscópico, la mecánica cuántica, que delimitó decisivamente los umbrales revolucionarios de la física moderna.
Referencias bibliográficas:
EISBERG, R .; RESNICK, R. Física cuántica: átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas. Río de Janeiro: Elsevier, 1979. p. 19-42.
FEYNMAN, Lecciones de física de RP Feynman. Porto Alegre: Bookman, 2008. p. 1-12.
HEWITT, PG Física conceptual. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 582-610.
Exámenes de ingreso y exámenes
Pregunta 01: (FUVEST 2016)
El electrón y su antipartícula, el positrón, tienen masas iguales y cargas opuestas. En una reacción en la que el electrón en reposo y el positrón se aniquilan entre sí, se emiten dos fotones de la misma energía en direcciones opuestas. La energía de cada fotón producido es, en MeV, aproximadamente:
