La física cuántica es una rama de la física que estudia los fenómenos a muy pequeña escala, como los átomos y subatómicos. Uno de sus postulados es que la energía se encuentra cuantizada, lo que significa que no puede tener cualquier valor, sino que solo puede tomar valores discretos. Pero, ¿por qué se llegó a esta teoría? En este artículo vamos a explorar los orígenes de esta idea y cómo la experimentación y el pensamiento de grandes científicos como Max Planck nos permitieron llegar a este concepto revolucionario de la física.
Los problemas con la física clásica
En la última parte del siglo XIX, los científicos se encontraban con problemas en la explicación de ciertos fenómenos, como la radiación del cuerpo negro (que es la radiación emitida por un objeto oscuro) y la catástrofe ultravioleta que se observaba cuando se estudiaba la emisión de luz por el cuerpo negro. La física clásica no podía dar una explicación satisfactoria a estos problemas.
La propuesta de Max Planck
En el año 1900, Max Planck, un físico alemán, hizo una propuesta revolucionaria: que la energía de las ondas electromagnéticas, como la luz, no era continua, sino que estaba compuesta de pequeñas cantidades discretas, que se denominaron cuantos. De acuerdo con su propuesta, la energía solo podía ser liberada o absorbida por los átomos y moléculas en los múltiplos enteros de estas unidades discretas de energía. Fue esta teoría la que dio origen al concepto de cuantización.
La teoría atómica moderna
La cuantización de la energía no solo fue un avance en la explicación de ciertos fenómenos, sino que también condujo a la teoría atómica moderna. A principios del siglo XX, diversos científicos comenzaron a estudiar los átomos y moléculas con base en esta nueva teoría.
El experimento Franck-Hertz
En 1914, James Franck y Gustav Hertz realizaron un experimento que confirmó la teoría de la cuantización de la energía. El experimento consistió en enviar electrones a través de un tubo lleno de gas a baja presión. Los electrones, al chocar con los átomos del gas, perdían energía, pero solo en cantidades discretas, que coincidían con los múltiplos enteros de los cuantos de energía postulados por Planck. Esto demostraba que la energía solo podía ser intercambiada en estos múltiplos.
Los multiples ejemplos de cuantización
La idea de la cuantización se encuentra presente en diversos fenómenos, desde la música hasta la carga eléctrica. Por ejemplo, en la música, las notas se dividen en frecuencias discretas, que solo pueden ser combinadas siguiendo ciertas reglas. O en el caso de la carga eléctrica, solo puede ser intercambiada en múltiplos de la carga del electrón.
Las aportaciones de Bohr y otros investigadores
Otro científico, Niels Bohr, llevó la cuantización un paso más allá con su modelo atómico en 1913. Él propuso que los electrones en el átomo solo podían orbitar en ciertos niveles de energía discretos alrededor del núcleo atómico. Los electrones podían saltar entre niveles mediante la absorción o emisión de un cuanto de energía, lo que permitía explicar la emisión de energía por los átomos en forma cuantificada. Otros investigadores, como Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger, desarrollaron la mecánica cuántica para dar explicaciones más detalladas de los fenómenos cuánticos.
La ecuación propuesta por Planck
La ecuación propuesta por Planck es uno de los pilares de la física cuántica. Esta ecuación establece que la energía de un cuanto de luz (o de cualquier onda electromagnética) es igual al producto de una constante, conocida como constante de Planck y representada por h, por la frecuencia de la onda, denotada por la letra griega ν. Esta fórmula es crucial en la explicación de muchos fenómenos de la física cuántica.
La importancia del experimento Franck-Hertz
El experimento Franck-Hertz fue fundamental en la historia de la física. Este experimento permitió confirmar la teoría de la cuantización de la energía, lo que fue un paso importante en la comprensión de la física cuántica. Fue uno de los primeros experimentos que demostraron cómo la física cuántica puede explicar fenómenos que la física clásica no puede. En resumen, el experimento Franck-Hertz abrió la puerta a una nueva forma de entender el universo a nivel subatómico.
Cómo el experimento Franck-Hertz influyó en la tecnología
Además de su importancia histórica, el experimento Franck-Hertz tuvo repercusiones prácticas. Este experimento fue uno de los primeros pasos que condujeron a la tecnología de la electrónica cuántica. Muchos de los dispositivos electrónicos que usamos hoy, como los transistores y los diodos, operan con base en los principios de la física cuántica que se investigaron en el experimento Franck-Hertz.
Curiosidades sobre Max Planck
Max Planck era un científico polifacético. Su interés no se limitaba a la física, pues también era pianista y poeta. Es conocido como el “padre de la física cuántica” y se convirtió en un referente para muchos otros científicos posteriores. En su honor, se creó la Sociedad Max Planck, que es una de las organizaciones de investigación científica más prestigiosas del mundo y que lleva su nombre.
Conclusión
La cuantización de la energía es uno de los conceptos fundamentales de la física cuántica. A través de los siglos, los científicos han hecho numerosos descubrimientos que han llevado a nuestra comprensión actual de la física cuántica, incluyendo el experimento Franck-Hertz y la teoría del átomo de Bohr. Entender la cuantización de la energía es fundamental para nuestra comprensión de muchos fenómenos en el mundo en que vivimos, desde la emisión de luz hasta las reacciones químicas. La física cuántica es un campo fascinante que sigue desafiando nuestra comprensión del universo y del mundo que nos rodea.
