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¿Qué narices es la Física Cuántica?

La Física es la ciencia que estudia las propiedades del espacio, el tiempo, la materia, la energía, y las interacciones entre éstas, como son la inercia, los campos gravitatorios, el movimiento, etc. La Física Cuántica es la parte de la física que explica aquellos fenómenos que no se pueden entender mediante las reglas de la física clásica, fenómenos para los que la Dinámica de Newton (¿recuerdas las tres leyes de Newton?) o el Electromagnetismo resultan teorías inútiles.

Esto es debido a que a distancias de millonésimas de centímetro, espacio, tiempo, materia y energía no se comportan igual que a distancias macroscópicas, por lo que las teorías clásicas no sirven. La Física Cuántica Teórica estudia los componentes más pequeños de la estructura de la materia para los cuales todas esas reglas son distintas, para procurar establecer unas ecuaciones válidas con las que comprender cuál es el orden que rige los elementos más básicos de la realidad, que son los átomos y sus componentes. Existen multitud de teorías cuánticas, todas ellas aplicadas a los diferentes ámbitos físicos: Electrodinámica Cuántica, Óptica Cuántica, Química Cuántica… sin embargo, todas ellas coinciden en los postulados y formulaciones elementales.

Primero: que la energía está cuantizada, (de ahí el nombre de cuántica) es decir, que toma únicamente valores determinados, que son múltiplos de una cantidad determinada.

Y segundo, que las partículas se comportan y se puede operar con ellas como si fueran ondas, y viceversa, es lo que se llama dualidad onda-partícula. Ambos principios cambian por completo la forma de comprender la Física, y son la única forma de explicar multitud de fenómenos que de otra forma resultarían totalmente absurdos o incomprensibles, como las propiedades de los quarks, o la posición de los electrones en una órbita atómica.

Os explicaré todo esto y mucho más en próximos artículos de Electrones Excitados.

Imagen de Catedratico.com.ar

Contando átomos

Científicos de los cinco continentes han trabajado juntos en un experimento de seis años de duración para determinar con más precisión que nunca una de las constantes físicas fundamentales: el número de Avogadro.

El número de Avogadro es el número de partículas que hay en un mol de cualquier sustancia. Quizás recordéis haberlo memorizado en el instituto: 6’023 x 10^^23*(casi un billón de billones de partículas). En un mol de helio hay 6’023 x 10^²³ átomos de helio, en un mol de agua, 6’023 x 10^²³ moléculas de agua y si tuviéramos en la cocina un mol de naranjas, tendríamos 6’023 x 10^²³ naranjas (y una cocina que ni la Preysler).

Determinarlo con precisión es importante para definir estándares tan importantes como la unidad de masa: el kilogramo.

Y os estaréis preguntando: «¿qué tiene esto que ver con contar átomos?». El caso es que, grosso modo, eso es lo que han hecho estos científicos. Han preparado esferas de cristales de silicio puro, elemento que es relativamente fácil de obtener a partir de gases como el cloruro y el hidruro de silicio.

Mapa de los residuos de óxido de silicio sobre las esferas de silicio puro

Una vez que tuvieron las esferas perfectas, se «contaron» los átomos que contenían. Se sabe que los átomos se disponen en el cristal celdillas de a 8. Luego, se midió el radio de los mismos y se determinaron la densidad, el volumen y la masa de las esferas con el menor error posible. Una vez obtenidos estos datos y conociendo masa atómica del silicio se calcula con una sencilla cuenta el número de Avogadro.

Los resultados son los más precisos hasta la fecha. Aseguran (con una incertidumbre de 3.0 x 10^^-8) que el número de Avogadro no es la cifra que nos estudiamos de memorieta en el cole sino 6’02214084 x 10^²³ partículas por mol.

*10^23 – El acento circunflejo representa «elevado a», una potencia. Es un símbolo utilizado en casos en los que no pueden utilizarse los superíndices.

Fuente: arxiv.org/abs/1010.2317: An Accurate Determination Of The Avogadro Constant By Counting The Atoms In A Si-28 Crystal. La imagen de Avogadro está tomada de Wikimedia.

Argón: el gas perezoso

El argón es un gas noble y como tal, poco reactivo y muy estable. Está presente en nuestra atmósfera siendo el gas más abundante tras nitrógeno (78%) y oxígeno (21%). Supone aproximadamente un 1% del aire que todos respiramos. Pero poco se supo de él hasta finales del siglo XIX.

En 1785, Cavendish, gran estudioso de los gases observó que había una sustancia más en el aire aparte de nitrógeno y oxígeno que no conseguía identificar, pero que no se quemaba como nitrógeno para dar vapores grises y cobrizos.

Más tarde, Lord Rayleigh (físico que trabajó en termodinámica, mecánica de fluidos, luz, magnetismo, transmisión del sonido…) estudió las densidades de muestras de nitrógeno de distinta procedencia. Una, nitrógeno aislado de la atmósfera (de la que se eliminaba el oxígeno con cobre al rojo vivo). Otra, nitrógeno obtenido por descomposición térmica de nitratos (al calentarse liberan el gas). Observó que las muestras de la atmósfera eran algo más densas que las obtenidas químicamente. Las segundas tenían que ser muy puras, porque sabía que al calentar las sales sólo se desprendía nitrógeno. Entonces, algo pesado aumentaba la densidad de las muestras atmosféricas. Identificó ese «algo» como argón, un gas inerte (que apenas reacciona) más pesado que el nitrógeno.

Su nombre procede del griego, significa «vago, perezoso» por su pereza a reaccionar con otras sustancias.

Aunque tras su descubrimiento los científicos se mostraron escépticos ante la existencia de un gas tan poco reactivo y sin embargo tan abundante, Lord Rayleigh recibió en 1904 el Premio Nóbel de Física por descubrir el argón y sus trabajos en el estudio de los gases inertes o «gases nobles«.