Història de la mecànica quàntica

Història de la mecànica quàntica

El model quàntic de l'àtom de Niels Bohr desenrollat en 1913, el qual va incorporar una explicació a la fòrmula de Johannes Rydberg de 1888; l'hipòtesis quàntica de Max Planck de 1900, açò és, que els radiadors d'energia atòmica tenen valors d'energia discreta ($ϵ=hf$); el modele de J. J. Thomson en 1904, el postulat de llum quàntica d'Albert Einstein en 1905 i el descobriment en 1907 del núcleu atòmic positiu fet per Ernest Rutherford.

La història de la mecànica quàntica comença essencialment en l'introducció de l'expressió cos negre per Gustav Kirchhoff en l'hivern de 1859-1860, la sugerència feta per Ludwig Boltzmann en 1877 sobre que els estats d'energia d'un sistema físic deurien ser discrets, i l'hipòtesis quàntica de Max Planck en el 1900, qui dia que qualsevol sistema de radiació d'energia atòmica podia teòricament ser dividit en un número d'elements d'energia discrets $E$, tal que cada u d'estos elements d'energia siga proporcional a la freqüència $\nu$, en les que cada u podia de manera individual irradiar energia, com ho mostra la següent fòrmula:$E=h\nu$

a on $h$ és un valor numèric cridat constant de Planck.

En 1905, per a explicar l'efecte fotoeléctrico (1839), açò és, l'expulsió d'electrons en certs materials per l'incidència de llum sobre els mateixos, Albert Einstein va postular –basant-se en l'hipòtesis quàntica de Planck– que la llum està composta de partícules quàntiques individuals, les que més vesprada varen ser cridades fotons (1926).

El terme «mecànica quàntica» va ser usat per primera volta en l'escrit de Max Born cridat Zur Quantenmechanik (La Mecànica Quàntica). En els anys que seguixen, esta base teòrica va començar llentament a ser aplicada a estructures, reaccions i enllaços químics.

Descripció

En 1900 el físic alemà Max Planck va introduir l'idea de que l'energia estava «cuantizada», en la finalitat de derivar una fòrmula per a la dependència de la freqüència observada en l'energia emesa per un cos negre. En 1905, Einstein va explicar l'efecte fotoeléctrico en un postulat sobre que llum –o més específicament tota la radiació electromagnètica– pot ser dividida en un número finito de «quants d'energia», que són localisats com a punts en l'espai. De l'introducció de l'escrit de quàntica On a heuristic viewpoint concerning the emission and transformation of light (Un punt de vista heurístic relacionat en l'emissió i transformació de la llum) de març de 1905:

"D'acort a les suposicions a ser contemplades ací, quan un raig de llum s'està propagant des d'un punt, l'energia no està distribuïda contínuament sobre espais cada volta més grans, pero [sino que] està constituïda d'un número finito de quants d'energia que són localisats en punts en l'espai, movent-se sense dividir-se i podent ser absorbits o generats només en el seu conjunt."

Albert Einstein

Esta sentència ha segut cridada la sentència més revolucionària escrita per un físic en el sigle vint. Estos «quants d'energia» serien cridats més tarde fotons, un terme introduït per Gilbert N. Lewis en 1926. L'idea que cada fotó tenia que consistir d'energia en térmens de quants va anar un notable guany, ya que va eliminar la possibilitat de que la radiació d'un cos negre alcançara energia infinita, lo que es va explicar en térmens de formes d'ona solament. En 1913, Bohr va explicar les llínees espectrals del àtom d'hidrogen, novament utilisant «cuantización», en el seu escrit On the Constitution of Atoms and Molecules (Sobre la Constitució d'Àtoms i Molècules), publicat en juliol de 1913.

Estes teories, encara que exitoses, varen anar estrictament fenomenológicas: no hi ha justificació rigorosa per a la cuantización (de costat, potser, per a la discussió d'Henri Poincaré sobre la teoria de Planck en el seu artícul de 1912, Sur la théorie dones quanta (Sobre la teoria quàntica)). Són conegudes mundialment com la teoria quàntica antiga.

L'expressió «física quàntica» va ser usada per primera volta en The Universe in Light of Modern Physics (L'Univers baix la llum de la Física Moderna), de Max Planck en 1931.

En 1924, el físic francés Louis-Victor de Broglie presenta la seua teoria d'ones de matèria, per la que s'indica que les partícules poden exhibir característiques d'ona i viceversa. Esta teoria va ser per a una partícula simple i derivada de la teoria especial de la relativitat. Basant-se en el plantejament de Broglie, va nàixer la mecànica quàntica moderna en 1925, quan els físics alemans Werner Heisenberg i Max Born varen desenrollar la mecànica matricial i el físic austríac Erwin Schrödinger va inventar la mecànica d'ones i l'equació de Schrödinger no relativista com una aproximació al cas generalisat de la teoria de Broglie. Schrödinger posteriorment va demostrar que abdós enfocaments eren equivalents.

Heisenberg va formular el seu principi d'incertitut en 1927, i l'interpretació de Copenhague comença a prendre forma prop de la mateixa data. A partir de 1927, Paul Dirac comença el procés d'unificació de la mecànica quàntica en la relativitat especial proponent l'equació de Dirac per al electró. L'equació de Dirac alcança la descripció relativista de la funció d'ona d'un electró que Schrödinger no va poder obtindre. Prediu l'espin electrònic i ajuda a predir l'existència del positrón. Va ser pioner també en l'us de la teoria de l'operador, incloent l'influent notació Bra-Ket descrit en el seu famós llibre de 1930. Durant el mateix periodo, el matemàtic hongarés John von Neumann va formular la rigorosa base matemàtica per a la mecànica quàntica de la teoria dels operadors llineals en els espais de Hilbert, descrit en el seu igualment famós llibre de 1932. Estos, com a molts atres treballs del periodo fundacional encara seguixen en peu, i són altament utilisades.

En el camp de la química quàntica varen ser pioners els físics Walter Heitler i Fritz London, els qui varen publicar un estudi dels enllaços covalente de la molècula d'hidrogen en 1927. La química quàntica va ser posteriorment desenrollada per un gran número de científics, incloent el teòric químic nortamericà de Calç Tech Linus Pauling, i a John C. Slater en vàries teories tals com la teoria del orbital molecular o teoria de valència.

A partir de 1927, es va intentar aplicar la mecànica quàntica als camps en lloc de partícules simples, resultant que varen ser conegudes les teories quàntiques de camp. Els primers que varen treballar en esta àrea varen ser Dirac, Pauli, Weisskopf i Jordan. Esta àrea d'investigació va culminar en la formulació de l'electrodinàmica quàntica per Feynman, Dyson, Schwinger i Tomonaga durant els 40'. L'electrodinàmica quàntica és una teoria quàntica d'electrons, positrones i camp electromagnètic, i va servir com un model per a posteriors teories de camp quàntic. La teoria de la cromodinámica quàntica va ser formulada al començament dels 60'. La teoria com la coneixem hui en dia va ser formulada per Politzer, Gross i Wilczek en 1975. Basant-se en el treball pioner de Schwinger, Higgs, Goldstone, Glashow, Weinberg i Salam, independentment varen mostrar cóm la força nuclear dèbil i l'electrodinàmica quàntica podien fusionar-se en una sola força electrodébil.

Cronologia

La següent taula mostra els passos i persones claus en el desenroll de la teoria quàntica:

Data	Persona	Contribució
1771	Luigi Galvani	Va notar que els músculs de les granotes mortes es movien llaugerament quan els colpejava en un descargador elèctric, a lo que es va referir com "electricitat animal".
1800	Alessandro Volta	Va inventar la pila voltaica o bateria, específicament per a refutar la teoria de l'electricitat animal de Galvani.
1807	John Dalton	La principal aportació de John Dalton va ser la seua teoria atòmica la qual va ser represa des de les creades per Leucipo i Demócrito en l'antiguetat. -En 1803 va formular la teoria de que la matèria està composta d'àtoms de diferents masses, que es combinen en proporcions senzilles per a formar composts.
1838	Michael Faraday	Usant la bateria de Volta va descobrir els rajos catódicos quan, durant un experiment va passar corrent a través d'un tubo de vidre ple d'un aire enrarit i va notar un estrany arc de llum començant en l'ànodo (electrodo positiu) i finalisant en el càtodo (electrodo negatiu).
1852	Edward Frankland	Va iniciar la teoria de valència, proponent que cada element anara una específica "combinació de poder". Per eixemple, alguns elements com el nitrogen tendixen a combinar-se en atres tres elements (i.g. $N{O}_3$), mentres que uns atres podrien tendir a combinar-se en cinc ($P{O}_5$), i que cada element que s'esforça per complir en la seua quota de combinació de poder (valència) para aixina satisfer les seues afinitats.
1859	Gustav Kirchhoff	Va declarar el "problema del cos negre": ¿cóm l'intensitat de la radiació electromagnètica emesa per un cos negre depén de la freqüència de la radiació i de la temperatura del cos?
1877	Ludwig Boltzmann	Va sugerir que els estats d'energia d'un sistema físic deurien ser discrets.
1879	William Crookes	Va mostrar que els rajos catódicos (1838), a diferència dels rajos de llum, poden ser doblats en un camp magnètic.
1885	Johann Jakob Balmer	Va descobrir que les quatre llínees visibles de l'espectre de l'hidrogen podien ser assignades sanceres a una série.
1888	Johannes Rydberg	Va modificar la fòrmula de Balmer per a incloure les atres séries de llínees i produir la fòrmula de Rydberg.
1891	Alfred Werner	Va propondre una teoria d'afinitat i valència en la qual l'afinitat és una emissió de força atractiva del centre de l'àtom la qual actua uniformemente des d'allí cap a totes les parts de la superfície esfèrica de l'àtom central.
1892	Heinrich Rudolf Hertz	Va mostrar que els rajos catódicos (1838) podien passar a través de fulls prims de làmines d'or i produir una apreciable lluminositat dels cristals darrere d'ells.
1896	Henri Becquerel	Va descobrir la "radiactivitat", un procés en el qual, per la desintegració nuclear, certs elements o isòtops espontàneament 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 rajos catódicos (1838) es curven baix l'influència d'un camp elèctric i un camp magnètic i per a explicar açò el va sugerir que els rajos catódicos estan negativament carregats de partícules elèctriques subatòmiques o corpúsculs" (electrons), trets de l'àtom; i en 1904 va propondre el model de el "budín de pruna, en el qual els àtoms tenen una massa amorfa (budín) positivament carregada com un cos empotrat en electrons negativament carregats (prunes) dispersos en la seua totalitat en la forma d'anells rotando de manera no aleatòria.
1900	Max Planck	Per a explicar la radiació de cos negre, va sugerir que l'energia electromagnètica podria ser emesa només en forma cuantizada, açò és, l'energia només podria ser un múltiple d'una unitat elemental de $E=hf$, a on $h$ és la constant de Planck i $f$ la freqüència de la radiació.
1902	Gilbert N. Lewis	Per a explicar la regla de l'octet (1893), va desenrollar el model de l'àtom cúbic, en el qual els electrons estaven ubicats en els vèrtiços d'una gaveta i va sugerir 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) entre abdós àtoms (1916).
1904	Richard Abegg	Va notar l'existència d'un patró en la diferència numèrica entre la màxima valència positiva d'un element, com +6 per a $H_{2}S{O}_4$, i la seua màxima valència negativa, com -2 per a $H_{2}S$, que tendix a ser de huit (regla de Abegg).
1905	Albert Einstein	Per a explicar l'efecte fotoeléctrico, és dir, l'emissió d'electrons per un material quan se li allumena en radiació electromagnètica, va postular que la llum està formada per partícules quàntiques individuals (fotons), basant-se en l'hipòtesis quàntica de Planck (1900).
1907	Ernest Rutherford	Para testear el model del budín 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 chicotet núcleu atòmic carregat positivament en el seu centre.
1913	Niels Bohr	Per a explicar la fòrmula de Rydberg (1888), la qual modela correctament l'espectre de l'emissió de llum de l'àtom d'hidrogen, va postular l'hipòtesis sobre que els electrons carregats negativament giren entorn a un núcleu positivament carregat en certes distàncies "quàntiques" fixes, i que cada u d'estes "òrbites esfèriques" tenen una energia específica associada de tal manera que els moviments d'electrons entre les òrbites requerix emissions "quàntiques" o absorció d'energia.
1916	Arnold Sommerfeld	Per a descriure l'efecte Zeeman, açò és, que l'absorció atòmica o emissió de llínees espectrals canvien quan la llum en primer lloc lluïx a través d'un camp magnètic, el va sugerir que allí podrien haver "òrbites elíptiques" en els àtoms ademés de les esfèriques.
1919	Irving Langmuir	Basant-se en el treball de Lewis (1916), el va falcar el terme "covalencia" i va postular que els enllaces de coordinació ocorren quan un parell d'electrons provenen de distint àtom.
1922	Stern i Gerlach	l'experiment de Stern i Gerlach detecta valors discrets de moments angulars per als àtoms en l'estat base passant a través d'un camp magnètic no homogéneu, conduint al descobriment del espin de l'electró.
1923	Louis-Victor de Broglie	Va postular que els electrons en moviment estan associats a llongituts 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	Va resumir la "regla de màxima multiplicitat", la qual establix que quan els electrons són agregats successivament a un àtom com a molts nivells o òrbites, són ocupats per separat abans de qualsevol emparejamiento d'electrons a diferència de lo que ocorre en l'espin, i fa la distinció que els electrons interns en les molècules permaneixen en els orbitales atòmics i només els electrons de valència són necessitats per a estar en els orbitales moleculars envolts en abdós núcleus.
1925	Wolfgang Ernst Pauli	Va resumir el "principi d'exclusió de Pauli", que diu que dos fermiones idèntics no poden ocupar el mateix estat quàntic de manera simultànea.
1926	Erwin Schrödinger	Usant el postulat de Broglie sobre les ones d'electrons (1924), va desenrollar una "equació d'ona" que representa matemàticament la distribució d'una càrrega d'un electró distribuït a través de l'espai, sent esféricamente simètrica o prominent en certes direccions, és dir, dirigida als enllaces de valència, la qual va donar el correcte valor per a les llínees espectrals de l'àtom d'hidrogen.
1927	Walter Heitler	Va usar l'equació d'ona de Schrödinger (1926) per a mostrar cóm dos àtoms d'hidrogen s'unixen en funció d'ones, en més, menys i térmens d'intercanvi, per a formar un enllaç covalente.
1927	Robert S. Mulliken	En 1927 Mulliken va treballar en conjunt en Hund per a desenrollar una teoria orbital molecular, a on els electrons són assignats als estats que s'estenen sobre tota la molècula, i en 1932 va introduir moltes noves terminologia de orbitales moleculars, com l'enllaç sigma, enllaç pi i enllace delta.
1928	Linus Pauling	Va resumir la naturalea del enllaç químic, usant el model de mecànica quàntic de l'enllaç covalente de Heitler (1927) per a assentar les bases de la mecànica quàntica para tots els tipos d'estructures i enllaços moleculars, i sugerir que diferents tipos d'enllaços en molècules poden ser igualats pel ràpit desplaçament d'electrons, un procés cridat "resonància" (1931), com les resonàncies híbrides contenint contribucions de diferents configuracions electròniques possibles.
1929	John Lennard-Jones	Va introduir una aproximació de la combinació llineal de orbitales atòmics per al càlcul d'orbitales moleculars.
1932	Werner Heisenberg	Va aplicar la teoria de destorbament per al problema dels dos electrons i va mostrar com derivats de la resonància de l'intercanvi d'electrons podia explicar l'interacció d'intercanvi.
1938	Charles Coulson	Va realisar el primer càlcul precís d'una funció d'ona de orbitales moleculars en la molècula d'hidrogen.
1951	Roothaan i Hall	Varen obtindre les equacions de Roothaan-Hall, colocant rigorosos métodos de orbitales moleculars sobre una sòlida base.