| FÍSICA CUÁNTICA -CAP 2- | |||||||
2.1 Entramos pues sin demora, en el mundo atómico y su energía: En el capítulo 1 mencionamos que en 1911 Ernest Rutheford dio un paso crucial para poder conocer la estructura del átomo, al descubrir la existencia de un núcleo central. Pero el modelo que el propuso, el cual se parecía al funcionamiento de nuestro sistema solar no era muy convincente. Pues bien, vamos a utilizar unas analogías que te pueden ser útiles para entender el funcionamiento de las energías de este sub-micromundo. Olvidemos por unos instantes la idea abstracta del átomo. Vamos a lo tangible a lo más evidente, y conocido por todos. Imaginemos unas galerías subterráneas, las cuales alcanzan una gran profundidad en el subsuelo. A diferentes alturas se encuentran unos pasillos que forman una galería de túneles (grafico.1). En los gráficos se pueden ver una serie de denominaciones planta -1, planta -2, etc. En estas plantas trabajan funcionarios y científicos de una base secreta (cómo el secreto del átomo, que aquí vamos a descubrir. Los secretos deberían dejar de existir, no...). Continuo, dichos funcionarios pueden estar en diferentes plantas. Vamos a declarar dos supuestos: todos los funcionarios tienen el mismo peso y la energía de un funcionario vendrá dada por la requerida para elevarle desde la planta donde se encuentre hasta la superficie de la base secreta. Una evidencia es que si todos los funcionarios pesan lo mismo, entonces la energía que se necesita para llevarlo a la superficie es siempre la misma para un nivel en concreto, y es mayor a medida que las plantas se hallen a mayor profundidad.
Gráfico1. Esta instalación subterránea cuenta con diez niveles de profundidad. En este gráfico tenemos un cuadrado negro colgado, el cual es el ascensor para que puedan desplazarse los funcionarios. La distáncia entre plantas es de 1 Kilómetro. En la planta 0 o superior está el edificio que pertenece a la base secreta (pero nadie lo sabe y la mayoría de empleados tampoco). Pero en este centro la actividad es opuesta al del centro soterrado. Su función es divulgativa. Abierta a científicos, técnicos, estudiantes y público en general, su actividad no es secreta, todo lo contrario. Estableceremos una escala de energías: los funcionarios que están en la superficie tiene una cantidad 0 (cero) de energía. Los que están en plantas inferiores por ejemplo la planta -7 (Gráfico1): el funcionario de dicha planta tendrá 7 veces menos energía, que el de la planta 0 (la superficie).
Gráfico 2 Lo explicado en estos párrafos anteriores tiene una relación con el átomo, que ahora voy aclarar. Se puede asignar también a cada uno de los electrones del átomo un valor determinado de energía al igual que a los funcionarios de la base secreta. Se pueden calcular estos valores, midiendo la cantidad de energía necesaria para extraer cada electrón del átomo. Si afirmamos que un electrón tiene una cantidad nula si se encuentra a una gran distancia del núcleo del átomo y que los electrones más cercanos al núcleo del átomo tendrán energías negativas, pues esa es la energía que se ahorra por estar unido al núcleo, a eso se le llama energía de enlace del electrón, dichos electrones son más difíciles de liberarse de la atracción del núcleo. Los electrones que se hallan muy lejos del núcleo, en orbitas exteriores son más susceptibles de liberarse de dicho átomo. Al igual que los funcionarios: los que están en la superficie de la base tienen los accesos más libres para salir a la calle. En cambio los que están en plantas inferiores Gráfico 3. Por ejemplo la -10, le haría falta mucha energía para subir a la superficie y abandonar la base. Si cada planta estuviera separada por 1 kilómetro, serían 10 kilómetros de tramo de ascenso hacia la superficie; mayores dificultades para abandonar la planta: más tiempo y energía.
Gráfico 3
Por lo dicho anteriormente, se entiende que los electrones en las orbitas más cercanas al núcleo son los que están fuertemente unidos. Entonces se puede ordenar los electrones en un diagrama similar a los funcionarios de la base secreta: los niveles más bajos corresponden a los electrones en órbitas más próximas al núcleo y los más altos corresponden a orbitas cada vez mayores. Sin correr el riesgo de entender que el átomo se comporta de forma parecida al sistema solar. Voy a utilizar un ejemplo que se basa en el uso de los planetas para que se comprenda mejor lo que he explicado en los apartados anteriores: Construiremos un esquema de energías para el sistema solar en miniatura. Para obtener una mayor similitud con el átomo, vamos a suponer que todos los planetas tienen la misma masa; ahora añadamos una nave espacial de gran potencia, por supuesto; tiene que ser capaz de arrastrar una serie de planetas y alejarlos de sus órbitas alrededor del Sol (Gráfico 4). El planeta Plutón como es el más distante del sistema solar, seria el más fácil de separar del sistema solar; por lo tanto ocuparía un nivel alto de energía necesario para escapar de la atadura del sistema solar; la nave tendría que gastar menos energía para separarlo. Los planetas Neptuno, Urano, Saturno, Júpiter, Marte, La Tierra, Venus y Mercurio. Los planetas se han mencionado desde la orbita más exterior, con Plutón, hasta al más cercano al Sol, Mercurio. Entonces Mercurio estaría a un nivel más bajo de energía; lo cual se necesitaría mucha más potencia de la nave para extraerlo de la atracción del Sol. También al alejarlo, se podría dejarlo estacionado en una orbita cercana o alejada, a cientos de miles de kilómetros. Podríamos jugar con la disposición de los planetas, y eso daría lugar a cambios en la representación de energías.
Grafíco
4: En ciencia
ficción te puedes permitir algunas licencias, y si es para comprender
un concepto, todavía con más motivo. Por eso me he dado
permiso para jugar con nuestro sistema planetario. Te recuerdo que en
este simil la masa de todos los planetas es la misma, en la realidad
no es así. Volvamos otra vez a la base secreta ( Gráfico 3 ) : Hay dos funcionarios que parten del mismo nivel de energía, el más bajo. Están en la planta -10, por eso tienen cada uno una energía de -10 unidades. Nos propondremos que uno de los dos se eleve hasta la planta -3, obteniendo así mayor energía. Si ahora quisiera desplazarlos a una planta intermedia, no podría. Por ejemplo: la planta -4,5. No pueden, no está excavado, no existe ningún túnel o pasillo. Se trata de una situación bastante diferente al ejemplo del sistema solar; podíamos variar la energía de los planetas en la cantidad que quisiéramos. Pero en el ejemplo de los funcionarios de la base secreta, están limitados a determinados valores discretos de energía, que corresponden a los niveles existentes en la base subterránea. No se admiten otros niveles intermedios. El científico danés Niels Bohr -año 1913- enunció que se podría aplicar una descripción bastante parecida del comportamiento de los electrones en el átomo. Rutheford y Bohr habían trabajado juntos en la Universidad de Manchester, con el fin de mejorar el modelo de átomo. En la versión, digamos, retocada, Bohr mantenía que un electrón en un átomo sólo puede admitir ciertas cantidades discretas de energía. Además, cada átomo de un mismo tipo tiene exactamente el mismo número de niveles de energía admisible. Volvemos a la pregunta que esta latente todavía, es la siguiente: ¿ de qué manera evita la interpretación, de la posibilidad de caída en espiral del electrón hacia el núcleo?. En el capítulo 1, ya lo mencionamos. Vamos a describir un poco el modelo de Bohr: un electrón no puede disminuir la velocidad y con ello pasar a una órbita ligeramente inferior, pues no existe el correspondiente nivel de energía. Postuló que, en estas órbitas específicamente permitidas, los electrones no emitían radiación, y por ello no perdían velocidad. Su explicación no era del todo satisfactoria, dado que no se comprendía con claridad por qué los electrones en sus órbitas atómicas debían comportarse de manera diferente a los electrones libres. Para dar una explicación más convincente Bohr tuvo que esperar más de diez años a que se desarrollara la mecánica cuántica. Pero no daré una explicación basada desde la mecánica cuántica ya que es temprano para entenderlo. Calculo que hacia el capítulo 5 o 6 si se podrá dar algún principio y formulación basada en la mecánica cuántica. Mientras tanto continuaremos con el modelo de Bohr y deduciremos una consecuencia de dicho modelo. Aunque un electrón en un átomo tiene vedado perder cantidades arbitrariamente pequeñas de energía, puede sin embargo moverse a otra órbita en caso de perder o ganar energía, exactamente la energía precisa para que pueda saltar de repente a la nueva orbita permitida. Si pasa desde un nivel de energía elevado hasta uno de baja energía, tendrá que desprenderse de la energía sobrante de alguna forma. La manera más idónea es la de convertir la energía en una rápida pulsación de luz (Gráfico 5). El color de la luz (longitud de onda) vendrá determinado por la cantidad de energía sobrante que interviene en el proceso de salto de un estado energético a otro de inferior nivel a una zona permitida. Por eso se deduce que cada elemento químico que tenga un tipo de átomo determinado, generará una luz con un espectro característico de color.
Gráfico 5 Eso se puede constatar con cierta facilidad; somos testimonios desde nuestra observación en el mundo de lo grande de dicho fenómeno. Por ejemplo: En una noche cuando paseamos o vamos algún sitio en concreto, lo más habitual es que tengamos unas farolas que iluminen nuestro camino. Normalmente no solemos fijarnos, pero si observas el color de la luz de la farola, puede ser que sea de color amarillento (Fotografía inferior). Entonces quiere decir que el ayuntamiento de nuestra localidad tiene instaladas farolas de sodio (consumen menos energía eléctrica y por ello es más ecológico su uso). ¿Porque nombro las farolas de sodio?, por la sencilla razón de que esa luz amarilla está producida por los electrones que, en multitud de átomos de sodio (todos a la vez por miles de billones en tiempos de nanosegundos) realizan un intercambio de energía, y en ese intercambio tan ínfimo se produce una pequeña pulsación de luz de una longitud de onda que corresponde al color amarillo; pero como es un número grandioso de miles de billones multiplicado por miles de billones en instantes de tiempo muy cortos, todos juntos, nos llegan a producir una luz suficiente para iluminar nuestros pasos por las calles de nuestra ciudad: es una aplicación de la física cuántica proyectable directamente a un uso práctico.
TIC3TAC_Jaime Lladó
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