Max Planck y la teoría de los cuantos:

Cuando se sube por una calle inclinada, se puede ocupar cualquier posición; en cambio, si se sube por una escalera, solo se pueden alcanzar las posiciones de los consecutivos peldaños, como mínimo de uno en uno; no es posible subir ½ escalón o ¼ de escalón. Hasta el año 1900, y según la visión de la física clásica, se pensaba que la materia podía emitir o absorber una cantidad cualquiera de energía (similar a tomar cualquier posición al subir por una calle inclinada). Sin embargo, el físico alemán Max Planck, tratando de explicar la radiación del cuerpo negro y, según sus estudios sobre osciladores eléctricos (circuitos que son capaces de producir ondas electromagnéticas), pudo establecer una hipótesis respecto de la emisión de energía de la materia.

Su primer descubrimiento fue que la energía que podían emitir los osciladores se podía representar de la siguiente forma:

Donde E es la energía del oscilador, n es un número entero, f es la frecuencia del oscilador y h es un valor constante, conocido como la constante de Planck, cuyo valor es h= 6,626 x 10 ^-34 J·s.

Por lo tanto, la energía de un oscilador eléctrico puede tomar valores 1hf, 2hf, 3hf, etc. A estas cantidades de energía las llamó quántum de radiación, conocidas también como cuantos de energía. Este descubrimiento se conoce también como el primer postulado de Planck.

El segundo postulado tiene relación con la emisión y absorción de energía, y dice que un oscilador absorbe un cuanto de energía (radiación) solamente cuando pasa a un nivel superior de energía. A su vez, un oscilador emite un cuanto de energía cuando pasa a un nivel inferior de energía.

Estas ideas, a pesar de contradecir la física de la época, permitieron explicar algunos paradigmas existentes e incluso, algunos años después, le permitieron a Einstein explicar el efecto fotoeléctrico, o a Niels Bohr formular un nuevo modelo atómico.

Cuerpo Negro: Si pones al Sol una ropa negra y otra blanca, después de un momento, al tocar cada una, sentirás que la de color negro está a mayor temperatura; esto es porque el color negro absorbe mayor radiación; en cambio, el blanco la refleja. Un cuerpo negro ideal puede absorber toda la radiación que penetra en su interior. También, un cuerpo negro se enfría mucho más rápido.

En la concepción nueva de energía que propuso Planck, la energía solo puede tomar ciertos valores (b), en cambio en la energía clásica (a), la energía puede tomar cualquier valor.

Efecto Fotoeléctrico: Consiste en la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética.

El átomo de Bohr.

En el año 1913, el modelo atómico era el de Rutherford; se conocía la carga y la masa de las partículas fundamentales; sin embargo, había algunos fenómenos que este modelo no explicaba; ¿Por qué los electrones no caían al núcleo?

En ese año, el físico danés Niels Bohr propuso un nuevo modelo, aplicado al átomo de hidrógeno, y suponiendo que las leyes de Coulomb y de Newton eran aplicables a las órbitas de los electrones.

Bohr consideró que los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, y para explicar por qué no caen al núcleo recurrió a las nuevas ideas para aquel entonces de la cuantización de la energía de Planck.

Primer postulado de Bohr: Órbitas estacionarias. Un postulado es una proposición que se toma como punto de partida para un razonamiento. El modelo atómico de Bohr se basa principalmente en dos ideas. La primera (primer postulado de Bohr) es que solo están permitidas algunas órbitas del electrón en el espacio, es decir, los electrones solo pueden moverse alrededor del núcleo atómico, sin emitir energía, en “órbitas estacionarias”. Para determinarlas, y como segunda idea, Bohr postula que el momento angular

de los electrones (L= m·v·r) es un múltiplo entero de h/2π y de un valor de n, entero y mayor que cero, llamado número cuántico principal.

El valor n, al ir tomando distintos valores: 1, 2, 3,….n, determina órbitas cada vez más alejadas del núcleo.

Segundo Postulado de Bohr: Energía de las distintas órbitas.

En el movimiento circular de una partícula, la energía cinética es mayor si la masa o la velocidad es mayor, según la relación Ec = ½ m v²; además, la partícula cuando gira más alejada del núcleo posee más energía. Inicialmente, esto fue lo que encontró Bohr en el átomo de hidrógeno; es decir, que la energía cinética aumenta con la distancia al núcleo.

Pero no todo es tan simple, pues el átomo es mucho más complejo, porque también existe una interacción eléctrica y, por lo tanto, una energía de ligamento entre el electrón y el núcleo. A lo anterior, Bohr agrega que los intercambios de energía a un nivel atómico se hacen en cantidades discretas (con límite), según la expresión de Planck: E = h·f, donde f es la frecuencia de un fotón de luz, necesario para el intercambio energético (segundo postulado).

Lo anterior quiere decir que si el electrón salta de una órbita de energía inicial Ei, a una de energía final Ef, la energía del fotón intermediario es de:

Cuando un electrón salta de una órbita a otra, acercándose al núcleo, emite un fotón. Cuando salta, alejándose del núcleo, es porque ha absorbido un fotón, ubicándose en una órbita de mayor energía.