El empleo de los conocimientos cuánticos en la vida diaria es vasto, se encuentra en la fabricación de bisturí láser, innovaciones en la detección de cáncer y otras aplicaciones más. Descubre aquí todo sobre la teoría cuántica de Max Planck, ¿cuáles fueron sus aportaciones?, el modelo atómico y mucho más.
¿Qué es?
Max Planck con su Teoría Cuántica, logra sentar las bases de los que es hoy en día la física moderna. Por lo tanto, en ella se recopila un número importante de datos y conceptos matemáticos.
Con la fusión de viejas ideas y esquemas científicos, logró el engranaje de nuevas propuestas, que permitieron dar respuestas a un conjunto de pensamientos e interrogantes. Las cuales no habían podido ser puestas en práctica.
Ante el deseo de encontrar las respuestas a las múltiples ineficiencias de postulados inconclusos. Surge pues la motivación de la Planck en tratar de solventar ese comportamiento errático de la física clásica.
Muchos de los estudios que se habían hechos de manera informal, no habían podido ser abordados de manera científica. Producto de la inexistencia de teorías que lograran encontrar una explicación válida.
Los exponentes de la física clásica, opusieron resistencia, ante el surgimiento de nuevas corrientes del pensamiento. Por lo tanto, la teoría cuántica se vio disminuida, ante la falta de visión futurista por parte de otros científicos de la época.
Cuerpo negro
La teoría de Planck o teoría cuántica lo que trata de explicar es el fenómeno de la radiación del cuerpo negro.
El cuerpo negro, es un objeto que solo puede usarse con fines teóricos, ya que no se puede palpar. El enunciado afirma, que dicho cuerpo absorbe la luz y la energía que cae sobre él. Sin que este sea atravesado.
El fenómeno descrito por Planck, refiere que existe una especie de relación simbiótica entre la materia y la radiación. Por tal razón, la materia canjea su energía con un suministro de radiación.
Ese proceso por el cual la materia cede su energía, puede ser en forma de emisión o absorción de la radiación.
Entre Wien y Rayleigh – Jeans existieron discrepancias en torno a la frecuencia de la radiación. Por un lado Wien esgrimía que era válido su planteamiento de fallas en baja frecuencia, cuando la frecuencia de la radiación era elevada.
Mientras que Rayleigh – Jeans, afirmaba que si se encontraban ante la presencia de una frecuencia de radiación baja, las frecuencias en lata fallarían.
De acuerdo a las investigaciones científicas, se determinó que la frecuencia es un rasgo que determina la radiación o algún otro evento en donde estén presentes las ondas.
Las frecuencias, las identifican por la cantidad de vibraciones que pueden sufrir en un determinado periodo de tiempo. De allí el interés de Planck, en estudiar el abanico de frecuencias.
Teoría Cuántica de Planck, la suposición
Lo primero es mencionar que Planck con este revolucionario planteamiento teórico, rompe con lo instituido hasta el momento por parte de la física clásica.
La hipótesis supone que, el canje de energía, que involucra a la radiación y la materia, se produce mediante un evento constante, en donde la radiación de frecuencia, consigue entregar una determinada cantidad de energía, una vez que había sido incorporada a la materia.
La propuesta que pretendía Max Planck, al momento de presentar su ley, era que el único modo de alcanzar un modelo o ecuación, que pudiera considerase correcta de manera empírica.
Era a través, del canje de energía producto de la salida y entrada de cantidades muy pequeñas de energía. Dichas porciones de energía, se les denomina quantums de radiación.
Ecuación de quantums de radiación
La ecuación que se desprende de la cantidad de energía E, característico de un quantum de radiación de frecuencia. Se puede representar de la siguiente forma:
E = h x f
Siendo los datos:
- E: energía.
- H: es una constante establecida por Planck.
- F: es la frecuencia de las radiaciones.
Dicha ecuación puede interpretarse como que toda radiación que tenga una frecuencia f, actúa como un flujo de partículas. Mientras que los quantums pueden trasladar una carga de energía del tipo E = h x f.
La energía producida a partir de todo este proceso, son irradiadas o incorporadas por el cuerpo de la materia.
La suposición o hipótesis de Max Planck, confiere una condición de masa diminuta, a un evento que habitualmente está relacionado con los movimientos ondulatorios, tipo radiaciones.
Otra de las rupturas que generó esta teoría fue, que rompió con los paradigmas del pensamiento donde todo debe estar centrado en algo y pasa a la noción de apertura de los saberes y las investigaciones.
Se potencia el estudio de los átomos y la conformación d su estructura, en donde es el actor principal de todo el universo.
Esta hipótesis, fue confirmada, con la experimentación del evento que incluía la radiación que interactuaba con el cuerpo negro. Además de que fue abrigada por los experimentos de los procesos Fotoeléctricos y también del Efecto Compton.
La Teoría Cuántica, a través de la historia
Corrían los primeros años del siglo XX, momento en que las mentes más brillantes de la ciencia, abrazaban la idea de haber estudiado y comprendido, todo lo que se encontraba a su alrededor.
El pensamiento sagaz de muchos científicos, tenían la concepción de que los átomos formaban parte de los cimientos de todo lo tangible. Para muchos de ellos, las leyes de Newton habían resuelto y explicado todo.
Pero, a medida que se fueron deslastrando de esos pensamientos cerrados, pudieron encontrar alternativas a las teorías, ya establecidas.
A partir de este hecho, queda en evidencia, que la explicación de la naturaleza de las cosas, estaba bastante incompleta. Con las experiencias en el área de la teoría cuántica de Planck, se produjeron grandes aportes a la física.
Seguidamente pueden encontrar, un paseo por los hechos más sobresalientes de esa época dorada de las innovaciones en el pensamiento humano.
Cronología
- Estudio sobre el Carácter corpuscular de la radiación. Atribuido a Max Planck, en su preposición de la teoría cuántica, en el año 1900.
- Justificación del Efecto Fotoeléctrico. Lo desarrolla Albert Einstein, en el año 1905, valiéndose del estudio de Planck.
- Planteamiento del átomo, como un modelo orbital que está constituido por los protones, que hacen las veces del núcleo y los electrones que conforman las órbitas exteriores. El estudio fue llevado a cabo en el año 1911, por Ernest Rutherford.
- Presentación del Modelo Atómico, por parte de Niels Bohr. Este estudio, toma en cuenta todo lo desarrollado por Ernest Rutherford, pero incluye la teoría cuántica desarrollada por Planck. Este hecho tuvo lugar en el año 1913, teniendo como aporte fundamental para el conocimiento humano, que los electrones, solo podían estar presentes en un mismo nivel y órbita, desconectados del resto del sistema.
- Nuevo estudio para comprobar la preposición cuántica de Max Planck. Arthur Compton, desarrolla un método de comprobación de la teoría cuántica. En el año 1923, queda establecido el Efecto Compton.
- Louis-Víctor de Broglie, presenta su hipótesis en el año 1924. En ella establece, la asociación que existe entre cada una de las partículas que componen a una onda.
- Werner Heisenberg, desarrolla un sistema matemático en 1925. Con este sistema, se podían hacer los cálculos de las ondas experimentales, presentes en los estados cuánticos.
- Ecuación Ondulatoria, postulada por Erwin Schrödinger en 1926. Con dicha ecuación, se pudo saber más, respecto a las ondas.
- Quinto Congreso Solvay, en 1927. Cuyo tema central fue Electrones y fotones.
- Fue una conferencia muy particular, ya que hubo una controversia entre dos eminencias científicas, Einstein y Bohr, en relación a todo lo que se planteaba en la teoría de Planck.
- Ensayos con la Dualidad de los electrones. Presentado por Augustin-Jean Fresnel, en el año 1928. Tal experimento, plantea las características de las ondas, ligadas a las partículas.
- Argumentos de la Teoría Cuántica, presentado por John Von Neumann, en 1932.
Ámbito de empleo de la Teoría Cuántica de Planck
El área de utilidad, para la teoría cuántica está confinada tan solo, a los niveles del átomo y sus estructuras. Además de los estados del núcleo, en donde es completamente necesaria.
Es muy frecuente actualmente que la teoría cuántica de Planck, forme parte de otras áreas del conocimiento y la innovación. Tal como ocurre con la electrónica.
El área de la electrónica se ha valido de esta teoría, para poder diseñar, dispositivos electrónicos como los microprocesadores, diodos, transistores, resistencias y otros tantos dispositivos más, que marcaron un avance significativo en el desarrollo de este campo.
También significó un avance importante en el campo de la física, con la posibilidad de poder diseñar y construir, nuevos elementos de transmisión. Como los conductores, semiconductores y superconductores.
En la medicina, contribuyó con la incorporación de nuevas tecnologías médicas, como el bisturí láser, tomógrafos, equipos para tratamientos del cáncer, entre otros.
Significó un gran avance, para las áreas de protección de documentos, a través de la criptografía. También fue de gran ayuda, para entender cómo se comportaba el universo.
Como pueden notar, con el descubrimiento de Max Planck, se pudo abarcar un radio más amplio en el conocimiento humano.
Impedimento de la Teoría Clásica, en dar respuestas
Es importante señalar que debido al pensamiento centralista de las teorías clásicas, estas se vieron imposibilitadas a dar respuestas a los fenómenos naturales que se salían de su ámbito.
Desde siempre existió un mundo muy pequeño, que requería ser expuesto para el conocimiento de la humanidad. La falla de la teoría clásica, no estuvo en si las escalas de los fenómenos era micro o macro. Se trató, de su incapacidad de poder imaginar un mundo más allá, del que en ese momento se les presentaba ante sus ojos.
Imagínense por un instante que son unos científicos y requieren realizar un determinado experimento. Es necesario, que expandan su mente y acepten las variaciones en las proporciones del fenómeno que pretenden estudiar.
Así, por ejemplo, si desean hacer un estudio de la dinámica de los fluidos, referente al movimiento de los océanos.
Lo necesario para la investigación
Será necesario, que construyan una maqueta en donde estén incluidos todos los elementos y variables que intervienen en este fenómeno marino. El objetivo de diseñar ese modelo, es poder ver con suficiente amplitud, todos los hechos.
La situación anterior, describe un estudio del movimiento de los Mares y océanos, a una escala media. Pero si lo que desean es conocer, lo que sucede a nivel de micropartículas, habrá que aplicar otras estrategias.
A medida que se reducen los tamaños de los fenómenos a estudiar, tienen que dejar a un lado las teorías clásicas y utilizar teorías de tipo molecular o cuántica.
Continúen enfocados en el tema de los movimientos de los océanos. Pero ahora, desean ir un poco más allá y saber lo que ocurre en cada molécula de agua.
Para este caso, y en la medida que quieran ir más allá del actual planteamiento. Se necesitará de enfoques mucho más minuciosos.
Por estas razones, fue que la teoría clásica, se vio sobrepasada en la idea de dar respuestas a mucho de los fenómenos. No consiguió, expandir su capacidad para descomponer los objetos de estudios. Y poder ir a lo medular de las cosas.
Características básicas de la Teoría Cuántica
Las características potencialmente innovadoras que se generaron a partir del postulado de la teoría cuántica son:
- Naturaleza diminuta de la radiación.
- Elemento de ondas, de las partículas.
- Realidad de las medidas físicas.
Cada uno de estos puntos será desarrollado, para que tengan una mejor idea de que trata cada uno.
Naturaleza diminuta de la radiación
Tal hecho, fue desarrollado por Max Planck, en su postulado de la teoría cuántica.
Frecuentemente se le consideraba al fenómeno de la radiación, como un hecho ondulatorio. En el modelo atómico de Max Planck, se plantea que la radiación era un movimiento de partículas pequeñísimas, a las que llamó Partículas Quantums.
Entonces surge la interrogante de ¿cómo es la radiación? Pues bien, la esencia de la radiación es, fluctuante u ondulatoria. Además de poseer pequeñísimas partes o ser corpuscular.
La radiación, por contar con esa dualidad, abarca múltiples elementos que no se pueden dejar de lado, dentro del método cuántico.
Así, se tiene que, la radiación presentará rasgos fluctuantes o corpusculares, de acuerdo a la frecuencia a la que es sometida.
Ante la presencia de frecuencias altas, la radiación adopta características corpusculares, que es igual a pequeñísimas partes. Todo esto sucede en el área gamma del espectro lumínico. Por el contrario, si la radiación está ante, frecuencias bajas. Asume características de ondas, en el espectro lumínico.
Elementos de onda, de las partículas
Las características ondulatorias de las partículas, fue propuesto por Louis de Broglie. En ella se establecía la dualidad de la luz, en la que puede ser una onda, como también, un conjunto de partículas llamadas fotones.
Este científico, pudo demostrar a través de experimentos, la desviación de los electrones y neutrones. Pudiendo concluir, en que había un tipo de ondas que podían acompañar el movimiento de las partículas.
El resultado de este experimento, pudo dejar evidencia de la capacidad que tienen las partículas de intercambiar su estado, de acuerdo a la dualidad. Pudiendo, en consecuencia, tener propiedades ondulatorias y corpusculares.
Este fenómeno, no sólo es característico de un ambiente micro. Es posible conseguirlo a grandes escalas. Sin embargo, la onda y la longitud asociada al fenómeno, son tan pequeñas que resultaría imperceptible al ojo humano y por tanto prácticamente, inútil su comprobación.
Realidad de las medidas físicas
Esto plantea que, hay medidas físicas cuyas ondas electromagnéticas, presentan valores en intervalos.
Tal como fue descrito por Bohr, en su modelo. Específicamente, describió el átomo de hidrógeno, en el cual se aprecia claramente un núcleo y alrededor de este, gira un electrón en su órbita.
Deja expuesto, que todos los electrones, se desplazan en sus propias órbitas, tratando de ocupar la que menos energía posea y con esto se puede lograr la estabilidad del sistema.
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Momento de actuar la teoría cuántica
La teoría cuántica de Planck, pone mucho énfasis en lo diminuto que resultan los sistemas y más, los elementos que lo componen. Es importante que asuman la premisa de cuan pequeño es el sistema, a los cuales se le somete a comprobación, a través, de la teoría cuántica.
Al igual que potencia, la temperatura, la corriente eléctrica y la fuerza. También existe la acción, como una unidad física para medir. La acción, es un indicio para establecer si se está ante la presencia de una teoría clásica o cuántica.
Ejemplos de acción en la teoría cuántica
Aquí te los explicamos:
Átomo de hidrógeno
Si deciden analizar la acción que está presente en un átomo de hidrógeno, de acuerdo a lo descrito en el modelo de Bohr. Obtendrán, que se trata de un sistema equilibrado, constituido por un electrón y protón.
Ese electrón, alcanza ubicarse en un grupo indeterminado, pero que a su vez se encuentra en niveles orbitales, cuya energía no se genera o se produce frecuentemente. De allí, el término discontinuo en los niveles orbitales.
Si ese mismo electrón, quisiera subir a otra órbita, solo basta con que absorba o entregue una cantidad pequeña de radiación. Dicha cantidad, debe ser idéntica a la desigualdad de energía entre los niveles.
Función de la onda
La función de la onda, viene dada por la ubicación que existe una sobre otra del estado del electrón. Es decir, cada electrón de hidrógeno asumirá las cargas que sean necesarias o posibles, para poder ocupar una órbita.
Los estados de los electrones, jamás podrán verlos colocándose unos encima del otro. Siempre estarán presentes, como una característica del propio sistema.
No son las funciones de onda, una cualidad que se encuentre ligada a otro tipo de ondas físicas, como por ejemplo, ondas eléctricas u ondas electromagnéticas.
Teoría Cuántica y la probabilidad
En esencia la teoría cuántica, es completamente probabilística. Refiere más bien, de la posibilidad de que un evento se produzca en un tiempo preciso, sin que eso signifique cuándo sucederá.
Muchos científicos, cuestionaron la alta concurrencia del hecho probabilístico, como lo planteó en las Aportaciones de Blaise Pascal , dentro de la teoría cuántica. Bajo el argumento, de que la convertía en un postulado incompleto, fácilmente cambiable por una teoría hipotética.
Albert Einstein, propuso que para consolidar la teoría cuántica, había que darle robustez, mediante la incorporación de elementos reales. A los cuales denominó variables ocultas, que fueron obviadas por la teoría cuántica.
Einstein, consideraba que, incorporando esos elementos de realidad. Se transformarían esas proyecciones probabilísticas, en proyecciones deterministas.
Biografía de Max Planck
Fue un prominente científico alemán, al cual se le considera el padre de la teoría cuántica. Se cuenta entre los hombres de mayor influencia en su época.
Fue un revolucionario de la física, aun teniendo un desmotivador consejo, de que ya no había nada que descubrir. Hecho ocurrido, antes de comenzar sus estudios.
Su infancia y estudios
Max Planck, nació en Kiel una ciudad de Alemania, en 1858. Sus padres fueron prominentes intelectuales. Varios de sus familiares estuvieron ligados al campo de la educación, tal es el caso de su abuelo, que era profesor de teología.
Su familia se vio obligada a emigrar a Múnich, en el año 1867. Lugar donde lo inscriben en la escuela de gimnasia Maximilians. Max Planck, desde muy temprana edad, tuvo una empatía con la música, la mecánica y otras áreas del conocimiento, ligadas a las ciencias.
Teniendo apenas diecisiete años, culmina sus estudios de nivel medio, para empezar sus estudios de física teórica, en la Universidad de Múnich, carrera que concluyó.
Luego continúa estudios, en la Universidad Friedrich Wilhelms en Berlín, se hace muy amigo de Hermann Von Helmholtz. Del cual recibiría una gran influencia, para sus futuras investigaciones, en el campo de la Termodinámica.
Su trabajo de defensa de grado, tuvo lugar en 1879. Cuyo título de su investigación era Segunda Ley de la Termodinámica.
Invenciones sin fama
Por mucho tiempo, Planck gozó de algunos periodos en los cuales pasó desapercibido. Los que aprovechó para investigar en el área de la Entropía o Desorden Molecular de los Sistemas.
Es este periodo muy oportuno, para realizar importantes hallazgos, que le valieron un reconocimiento a su genialidad. Tal es el caso, del Tratado de Termodinámica que hace público en 1897.
Se convierte en profesor en el año 1885, en la Universidad de Kiel. Al margen de continuar estudios de física química y sistemas de calor.
Corría el año 1889, cuando regresa a la Universidad Friedrich Wilhelms en Berlín, para asumir el cargo de profesor. Lugar donde permaneció hasta 1926, momento de su retiro.
La radiación del cuerpo oscuro
Max Planck, también tuvo su paseo por los cargos gubernamentales, donde formó parte de la Comisión de Compañías Eléctricas, en 1894. Donde tuvo la tarea de encontrar la forma en que las compañías que fabricaban bombillos, pudieran mejorar su calidad.
Para ese entonces Planck, empieza una investigación para tratar de encontrar solución al problema de la radiación de cuerpo oscuro. Ya que algunos físicos, tenían inconvenientes en darle explicación de cómo la magnitud de la radiación, absorbida por un cuerpo oscuro, dependía de la temperatura de ese cuerpo.
A pesar de la genialidad de Max, sin duda era un investigador bastante conservador. Que en ocasiones, llegaba a tener dudas, con respecto a sus propias teorías.
Con muchos temores de inconsistencia, logra encontrar la respuesta a ese inconveniente de la radiación. Y abrigaba la esperanza de estar equivocado y que otros científicos se lo demostraran.
Por el contrario, el que estuvo totalmente equivocado fue él. Ya que su revolucionaria investigación, generó un divorcio de muchos científicos con la física clásica.
Se habla de mecánica cuántica
Con la llegada de otro siglo, también llega otra genialidad en las ciencias. Se trata de Albert Einstein, quien hace grandes aportes y con ellos a darle mayor soporte a la teoría cuántica de Planck.
Otro de los aportes que hizo Einstein, fue el de cómo los cuerpos tienen comportamientos extraños al calentarse a muy bajas temperaturas.
Si bien, Planck le había reconocido el avance con la teoría de la relatividad. Con esta última propuesta no estuvo de acuerdo.
En 1911, junto a Walther Nernst, Planck organizaron un congreso. En el mismo se reunirían los personajes más destacados del mundo de la ciencia. Nacía el Congreso de Solvay.
Declaración de los 93
A pesar de que Max Planck, no era un nacionalista extremo. En 1914, se une al movimiento de fervor nacionalista. Y está incluido en el grupo de 93 personalidades relevantes alemanes. Firmaron un documento, brindándole apoyo a las acciones bélicas de Alemania.
Tras haber concluido la guerra, a Planck se le consideraba una autoridad en el tema de la física. Se convirtió en el decano de la Universidad de Berlín, además pertenecía a la academia Prusiana de ciencias.
También fue miembro de la Sociedad de Física de Alemania, con lo cual pudo conseguir que se invirtieran recursos, para que se continuarán con las investigaciones científicas.
Durante el poder de los Nazis
En 1933, con la llegada de los nazis al poder, Planck vio muy comprometida su tranquilidad y seguridad. Fueron despedidos muchos científicos y otros amigos judíos.
Muchas personalidades fueron forzadas a un éxodo. Situación que indujo a Max, a alejarse de la política. No por mucho tiempo, porque ante el acoso a que fueron sometidos muchos de sus colegas, se vio obligado a regresar.
A pesar de tantos inconvenientes, él, junto a su familia permaneció en Alemania. Pero, en 1945 su hijo fue apresado y tiempo después fue ejecutado. Tal hecho, propició que Planck entrara en una terrible depresión de la cual nunca pudo recuperarse.
Fallecimiento y herencia
Este insigne hombre de ciencia, muere en octubre de 1947 en la ciudad de Gotinga de Alemania. Al momento de su muerte, tenía 89 años de edad. Dejando viuda a su querida esposa Marga von Hoesslin y a un hijo menor, de nombre Hermann.
Se cuenta una vasta herencia en pro de la ciencia y contribuciones invaluables para el avance de la humanidad.
- Recibió el Premio Nobel de la Física en 1918.
- Se le incluyó en la Foreign Membership of the Royal Society, en 1926.
- Invitado de honor, como conferencista en la Universidad de Columbia, en 1909.
- Miembro de la Academia Prusiana de Ciencias.
- Miembro de la Sociedad Kaiser Wilhelm.
- Incluido en la Sociedad Física Alemana.
- Honrado con la Medalla Max Planck. Premio que fue creado por él mismo y que se la otorgaron en 1929.
Se crea la Sociedad Max Planck
Con el propósito de honrar la memoria de este abnegado científico. En la ciudad de Gotinga se instituye la Sociedad Max Planck.
Con el transcurrir del tiempo, la Sociedad Max Planck, se fusionó con la Sociedad Kaiser Wilhem y todas sus filiales. Actualmente, la reconocen como una institución de vanguardia en la ciencia y las investigaciones de corte tecnológico.
La Agencia Espacial Europea en el 2009, colocó la sonda Planck, en órbita. Cuyo objetivo era, hacer una observación espacial. Para poder analizar el efecto de la radiación de las microondas, en las frecuencias infrarrojas.
Este dispositivo espacial, pudo recoger entre su año de lanzamiento y el 2013, importantes datos, referentes a la densidad de la materia oscura del universo. Que contribuyeron, a resolver algunas interrogantes, respecto al Origen del Universo y su evolución.
