Història de la mecànica quàntica

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
El model quàntic de l'àtom de Niels Bohr desenvolupat a 1913, que va incorporar una explicació a la fórmula de Johannes Rydberg de 1888; la hipòtesi quàntica de Max Planck de 1900, és a dir, que els radiadors d'energia atòmica tenen valors d'energia discreta ( \epsilon = hf ), el model de J. J. Thomson a 1904, el postulat de llum quàntica de Albert Einstein a 1905 i el descobriment en 1907 del nucli atòmic positiu fet per Ernest Rutherford.

La història de la mecànica quàntica entrellaçada amb la història de la química quàntica comença essencialment amb el descobriment dels raigs catòdics a 1838 realitzat per Michael Faraday, la introducció del terme cos negre per Gustav Kirchhoff l'hivern de 1859-1860, el suggeriment feta per Ludwig Boltzmann a 1877 sobre que els estats d'energia d'un sistema físic haurien de ser discrets, i la hipòtesi quàntica de Max Planck el 1900, que deia que qualsevol sistema de radiació d'energia atòmica podia teòricament ser dividit en un nombre d'elements d'energia discrets  E\, , tal que cada un d'aquests elements d'energia sigui proporcional a la freqüència \nu\, , amb les que cada un podia de manera individual irradiar energia, com ho mostra la següent fórmula:  E = h\nu\,

on  h\, és un valor numèric anomenat constant de Planck. Llavors, en 1905, per explicar l'efecte fotoelèctric (1839), és a dir, que la llum brillant en certs materials pot funcionar per expulsar electrons del material, Albert Einstein va postular basat en la hipòtesi quàntica de Planck, que la llum en si està composta de partícules quàntiques individuals, les quals més tard van ser anomenades fotons (1926). La frase "mecànica quàntica" va ser usada per primera vegada en el paper de Max Born anomenat Zur Quantenmechanik (La Mecànica Quàntica). En els anys que segueixen, aquesta base teòrica lentament va començar a ser aplicada a estructures, reaccions i enllaços químics.

Història[modifica | modifica el codi]

En 1900 el físic alemany Max Planck va introduir la idea que l'energia estava quantitzada, a fi de derivar una fórmula per la dependència de la freqüència observada amb l'energia emesa per un cos negre. El 1905, Einstein va explicar l'efecte fotoelèctric per un postulat sobre que llum, o més específicament tota la radiació electromagnètica, pot ser dividida en un nombre finit de "quants d'energia", que són localitzats com a punts en l'espai. De la introducció del paper de quàntica On a heuristic viewpoint concerning the emission and transformation of light (Un punt de vista heurístic relacionat amb l'emissió i transformació de la llum) de març de 1905:

« D'acord amb els supòsits a ser contemplades aquí, quan un raig de llum s'està propagant des d'un punt, l'energia no està distribuïda contínuament sobre espais cada vegada més grans, però està constituïda d'un nombre finit de quants d'energia que són localitzats en punts en l'espai, movent-se sense dividir-se i podent ser absorbits o generats només en el seu conjunt. »
— Albert Einstein

Aquesta sentència ha estat anomenada la sentència més revolucionària escrita per un físic en el segle vint.[1] Aquests quants d'energia serien anomenats més tard fotons, un terme introduït per Gilbert N. Lewis a 1926. La idea que cada fotó havia de consistir d'energia en termes de quants va ser un notable èxit, ja que efectivament va eliminar la possibilitat que la radiació d'un cos negre arribés energia infinita, el que es va explicar en termes de formes d'ona només. El 1913, Bohr va explicar les línies espectrals de àtom d'hidrogen, novament utilitzant quantització, en el seu paper On the Constitution of Atoms and Molecules (Sobre la Constitució de Àtoms i Molècules ), publicat a juliol de 1913.

Aquestes teories, encara que reeixides, van ser estrictament fenomenològiques: no hi ha justificació rigorosa per a la quantització (de costat, potser, per a la discussió de Henri Poincaré sobre la teoria de Planck en el seu paper de 1912, Sur la théorie des quanta (Sobre la teoria quàntica)). Són conegudes mundialment com la antiga teoria quàntica .

La frase "física quàntica" va ser usada per primera vegada en Planck's Universe in Light of Modern Physics (L'Univers a Luz de la Física Moderna de Planck), de Johnston a 1931.

En 1924, el físic francès Louis-Victor de Broglie presenta la seva teoria d'ones de matèria, per la qual s'indica que les partícules poden exhibir característiques d'ona i viceversa. Aquesta teoria va ser per a una partícula simple i derivada de la teoria especial de la relativitat. Basant-se en el plantejament de de Broglie, va néixer la mecànica quàntica moderna en 1925, quan els físics alemanys Werner Heisenberg i Max Born desenvolupar la mecànica matricial i el físic austríac Erwin Schrödinger inventar l'mecànica d'ones i l'equació de Schrödinger no relativista com una aproximació al cas generalitzat de la teoria de Broglie.[2] Schrödinger posteriorment va demostrar que ambdós enfocaments eren equivalents.

Heisenberg va formular el seu principi d'incertesa a 1927, i la interpretació de Copenhaguen comença a prendre forma a prop de la mateixa data. A partir de 1927, Paul Dirac comença el procés d'unificació de la mecànica quàntica amb la relativitat especial proposant l'equació de Dirac pel electró. L'equació de Dirac arriba a la descripció relativista de la funció d'ona d'un electró que Schrödinger no va poder obtenir. Prediu el espín electrònic i ajuda a predir l'existència del positró. Va ser pioner també en l'ús de la teoria de l'operador, incloent la influent notació cor-Chete descrit en el seu famós llibre de 1930. Durant el mateix període, el matemàtic hongarès John von Neumann va formular la rigorosa base matemàtica per a la mecànica quàntica de la teoria dels operadors lineals en els espais de Hilbert, descrit en el seu igualment famós llibre de 1932. Aquests, com molts altres treballs del període fundacional encara segueixen en peu, i són altament utilitzades.

En el camp de la química quàntica van ser pioners els físics Walter Heitler i Fritz London, que van publicar un estudi dels enllaços covalents de la molècula de hidrogen a 1927. La química quàntica va ser posteriorment desenvolupada per un gran nombre de científics, incloent el teòric químic nord-americà de Cal Tech Linus Pauling, i John C. Slater en diverses teories com ara la teoria de l'orbital molecular o teoria de valències.

A partir de 1927, es va intentar aplicar la mecànica quàntica als camps en comptes de partícules simples, resultant en què van ser conegudes les teories quàntiques de camp. Els primers que van treballar en aquesta àrea van ser Dirac, Pauli, Weisskopf i Jordan. Aquesta àrea de recerca va culminar en la formulació de la electrodinàmica quàntica per Feynman, Dyson, Schwinger i Tomonaga durant els 40 '. L'electrodinàmica quàntica és una teoria quàntica de electrons, positrons i camp electromagnètic, i va servir com un model per a posteriors teories de camp quàntic. La teoria de la cromodinàmica quàntica va ser formulada al començament dels 60 '. La teoria com la coneixem avui en dia va ser formulada per Politzer, Gross i Wilczek a 1975. Basant-se en el treball pioner de Schwinger, Higgs, Goldstone, Glashow, Weinberg i Salam, independentment van mostrar com la força nuclear feble i l'electrodinàmica quàntica podien fusionar-se en una sola força electro-feble.

Cronologia[modifica | modifica el codi]

La següent taula mostra els passos i persones claus en el desenvolupament de la mecànica quàntica i la química quàntica:

Data Persona Contribució
1771 Luigi Galvani Va notar que els músculs de les granotes mortes es movien lleugerament quan els colpejava amb un descarregador elèctric, al que es va referir com "electricitat animal".
1800 Alessandro Volta Inventar la pila voltaica o bateria, específicament per refutar la teoria de l'electricitat animal de Galvani.
1838 Michael Faraday Usant la bateria de Volta va descobrir els raigs catòdics quan, durant un experiment va passar corrent a través d'un tub de vidre ple d'un aire enrarit i va notar un estrany arc de llum començant al ànode (elèctrode positiu) i finalitzant al càtode (elèctrode negatiu).
1852 Edward Frankland Va iniciar la teoria de valencia, proposant que cada element fos una específica "combinació de poder". Per exemple, alguns elements com el nitrogen tendeixen a combinar-se amb altres tres elements (per exemple  NO_3 ), mentre que altres podrien tendir a combinar-se amb cinc ( PO_5 ), i que cada element que s'esforça per complir amb la seva quota de combinació de poder (valencia) per tal de satisfer les seves afinitats.
1859 Gustav Kirchhoff Declarar el "problema del cos negre": com la intensitat de la radiació electromagnètica emesa per un cos negre depèn de la freqüència de la radiació i de la temperatura del cos?
1877 Ludwig Boltzmann Va suggerir que els estats d'energia d'un sistema físic haurien de ser discrtos.
1879 William Crookes Va mostrar que els raigs catòdics (1938), a diferència dels raigs de llum, poden ser doblats en un camp magnètic.
1885 Johann Jakob Balmer Va descobrir que les quatre línies visibles de l'espectre de l'hidrogen podien ser assignades senceres a una sèrie.
1888 Johannes Rydberg Va modificar la fórmula de Balmer per incloure les altres sèries de línies i produir la fórmula de Rydberg.
1891 Alfred Werner Va proposar una teoria de afinitat i valencia en la qual l'afinitat és una emissió de força atractiva del centre de l'àtom la qual actua uniformement des d'allà cap a totes les parts de la superfície esfèrica de l'àtom central.
1892 Heinrich Rudolf Hertz Va mostrar que els raigs catòdics (1838) podien passar a través de fulles primes de làmines d'or i produir una apreciable lluminositat dels cristalls darrere d'ells.
1896 Henri Becquerel Va descobrir la "radioactivitat", un procés en el qual, a causa de la desintegració nuclear, certs elements o isòtop s espontàniament emeten una de les tres entitats energètiques: partícules alfa (càrrega positiva), partícules beta (càrrega negativa) i partícules gamma (càrrega neutral).
1897 Joseph John Thomson Va mostrar que els raigs catòdics (1838) es corben sota la influència d'un camp elèctric i un camp magnètic i per explicar això el va suggerir que els raigs catòdics estan negativament carregats de partícules elèctriques subatòmiques o corpuscles " (electrons), trets de l'àtom, i en 1904 va proposar el model del "púding de pruna, en el qual els àtoms tenen una massa amorfa (púding ) positivament carregada com un cos encastat amb electrons negativament carregats (prunes) dispersos en la seva totalitat en la forma d'anells rotant de manera no aleatòria.
1900 Max Planck Per explicar la radiació de cos negre, va suggerir que l'energia electromagnètica podria ser emesa només en forma quantitzada, és a dir, l'energia només podria ser un múltiple d'una unitat elemental de  E = hf , on  h és la constant de Planck i  f la freqüència de la radiació.
1902 Gilbert N. Lewis Per explicar la regla de l'octet (1893), ell va desenvolupar la teoria del àtom cúbic, en el qual els electrons en la forma de punts estaven posicionats a la cantonada d'un cub i va suggerir que els enllaços simples, dobles i triples es donen quan dos àtoms es mantenen units per múltiples parells d'electrons (un parell per cada enllaç) localitzat entre els dos àtoms (1916).
1904 Richard Abegg Va notar la existenacia d'un patró entre la diferència numèrica de la màxima valència positiva, com+6 per  H_2SO_4 , i la màxima valència negativa, com -2 per  H_2S , de un element que tendeix a ser de vuit (regla de Abegg).
1905 Albert Einstein Per explicar el efecte fotoelèctric, és a dir, l'emissió d'electrons per un material quan se li il·lumina amb radiació electromagnètica, va postular que la llum està formada per partícules quàntiques individuals (fotons), basant-se en la hipòtesi quàntica de Planck (1900).
1907 Ernest Rutherford Per testejar el model del púding de prunes (1904), ell va disparar partícules alfa (positivament carregades) en una làmina d'or i va notar que alguns es tornaven, la qual cosa demostra que els àtoms tenen un petit nucli atòmic carregat positivament en el seu centre.
1913 Niels Bohr Per explicar la fórmula de Rydberg (1888), la qual modela correctament l'espectre de l'emissió de llum de l'àtom d'hidrogen, va postular la hipòtesi sobre que els electrons carregats negativament giren al voltant d'un nucli postive carregat en certes distàncies "quàntiques" fixes, i que cada un d'aquestes "òrbites esfèriques" tenen una energia específica associada de tal manera que els moviments d'electrons entre les òrbites requereix emissions "quàntiques" o absorcions d'energia.
1916 Arnold Sommerfeld Per descriure el efecte Zeeman, és a dir, que l'absorció atòmica o emissió de línies espectrals canviïn quan la llum en primer lloc brilla a través d'un camp magnètic, el va suggerir que hi podrien haver "òrbites líptiques" en els àtoms més de les esfèriques.
1919 Irving Langmuir Basant-se en el treball de Lewis (1916), el va encunyar el terme "Covalència" i va postular que els enllaços de coordinació ocorren quan un parell d'electrons provenen del mateix àtom.
1922 Stern i Gerlach El experiment de Stern-Gerlach detecta valors discrets de moments angulars per als àtoms en l'estat base passant a través d'un camp magnètic no homogeni, conduint al descobriment del espín de l'electró.
1923 Louis-Victor de Broglie Postular que els electrons en moviment estan associats a longituds d'ona que estan donades per la constant de Planck  h dividida pel momentum de  mv = p del electró: \lambda = h/mv = h/p .
1925 Friedrich Hund Resumir la "regla de màxima multiplicitat", la qual estableix que quan els electrons són agregats successivament a un àtom com molts nivells o òrbites, són ocupats per separat abans de qualsevol aparellament d'electrons a diferència del que passa amb l'espín, i fa la distinció que els electrons interns en les molècules romanen en els orbitals atòmics i només els electrons de valència són necessitats per estar en els orbitals moleculars embolicats en ambdós nuclis.
1925 Wolfgang Pauli Resumir el "principi d'exclusió de Pauli", que diu que dos fermions idèntics no poden ocupar el mateix estat quàntic de manera simultània.
1926 Erwin Schrödinger Usant el postulat de de Broglie sobre les ones d'electrons (1924), va desenvolupar una "equació d'ona" que representa matemàticament la distribució d'una càrrega d'un electró distribuït a través de l'espai, sent esfèriques simètrica o prominent en certes direccions, és a dir, dirigida als enllaços de valència, la qual va donar el correcte valor per a les línies espectrals de l'àtom d'hidrogen.
1927 Walter Heitler Usà l'equació d'ona de Schrödinger (1926) per mostrar com dos àtoms hidrògens s'uneixen a funció d'ones, amb més, menys i termes d'intercanvi, per formar un enllaç covalent.
1927 Robert S. Mulliken El 1927 Mulliken treballar en conjunt amb Hund per desenvolupar una teoria orbital molecular, on els electrons són assignats als estats que s'estenen sobre tota la molècula, i el 1932 va introduir moltes noves terminologies d'orbitals moleculars, com el enllaç sigma, enllaç pi i enllaç delta.
1928 Linus Pauling Resumir la naturalesa del enllaç químic, utilitzant el model de mecànica quàntic de l'enllaç covalent de Heitler (1927) per establir les bases de la mecànica quàntica per a tot tipus d'estructures i enllaços moleculars, i suggerir que diferents tipus d'enllaços en molècules poden ser igualats pel ràpid desplaçament d'electrons, un procés anomenat "ressonància" (1931), com les resonacias híbrides contenint contribucions de diferents configuracions electròniques possibles.
1929 John Lennard-Jones Introduir una aproximació de la combinació lineal d'orbitals atòmics per al càlcul de orbitals moleculars.
1932 Werner Heisenberg Va aplicar la teoria de pertorbació per al porblema dels dos electrons i va mostrar com derivats de la ressonància de l'intercanvi d'electrons podia explicar la interacció d'intercanvi.
1938 Charles Coulson Va realitzar el primer càlcul precís d'una funció d'ona d'orbitals moleculars amb la molècula d'hidrogen.
1951 Roothaan i Hall Van obtenir les equacions de Roothaan-Hall, posant rigorosos mètodes d'orbitals moleculars sobre una sòlida base.

Primers experiments[modifica | modifica el codi]

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. Folsing, Albrecht (1997). Albert Einstein: A Biography . trans. Ewald Osers, Viking.
  2. Hanlan, PA (1977). Erwin Schrödinger's Reaction to Louis de Broglie's Thesis on the Quantum Theory . Isis, Vol 68, No 4 (Dec., 1977), pp. 606-609.
  3. html L'experiment de Davisson-Germer, que demostra la naturalesa d'ona de l'electró.

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]