L'ús dels coneixements quàntics a la vida diària és vast, es troba en la fabricació de bisturí làser, innovacions en la detecció de càncer i altres aplicacions més. Descobreix aquí tot sobre la teoria quàntica de Max Planck , quines van ser les seves aportacions?, el model atòmic i molt més.
Què és?
Max Planck amb la seva Teoria Quàntica, assenta les bases dels que és avui dia la física moderna. Per tant, s'hi recopila un nombre important de dades i conceptes matemàtics.
Amb la fusió de velles idees i esquemes científics, va aconseguir l'engranatge de noves propostes que van permetre donar respostes a un conjunt de pensaments i interrogants. Les quals no havien pogut ser posades en pràctica.
Davant del desig de trobar les respostes a les múltiples ineficiències de postulats inconclusos. Sorgeix doncs la motivació de la Planck a intentar solucionar aquest comportament erràtic de la física clàssica.
Molts dels estudis que s'havien fet de manera informal no havien pogut ser abordats de manera científica. Producte de la inexistència de teories que aconseguiran trobar una explicació vàlida.
Els exponents de la física clàssica, van oposar resistència, davant del sorgiment de nous corrents del pensament. Per tant, la teoria quàntica es va veure disminuïda, davant de la manca de visió futurista per part d'altres científics de l'època.
Cos negre
La teoria de Planck o teoria quàntica el que tracta d'explicar és el fenomen de la radiació del cos negre.
El cos negre és un objecte que només es pot utilitzar amb finalitats teòriques, ja que no es pot palpar. L'enunciat afirma que aquest cos absorbeix la llum i l'energia que hi cau. Sense que aquest sigui travessat.
El fenomen descrit per Planck refereix que existeix una mena de relació simbiòtica entre la matèria i la radiació. Per això, la matèria canvia la seva energia amb un subministrament de radiació.
Aquest procés pel qual la matèria cedeix la seva energia, pot ser en forma d‟emissió o absorció de la radiació.
Entre Wien i Rayleigh – Jeans van existir discrepàncies al voltant de la freqüència de la radiació. D'una banda, Wien esgrimia que era vàlid el seu plantejament de falles en baixa freqüència, quan la freqüència de la radiació era elevada.
Mentre que Rayleigh – Jeans, afirmava que si es trobaven davant de la presència d'una freqüència de radiació baixa, les freqüències en llauna fallarien.
D'acord amb les investigacions científiques, es va determinar que la freqüència és un tret que determina la radiació o algun altre esdeveniment on siguin les ones.
Les freqüències les identifiquen per la quantitat de vibracions que poden patir en un determinat període de temps. D?aquí l?interès de Planck, a estudiar el ventall de freqüències.
Teoria Quàntica de Planck, la suposició
El primer és esmentar que Planck amb aquest revolucionari plantejament teòric, trenca amb allò instituït fins ara per part de la física clàssica.
La hipòtesi suposa que, el canvi d'energia, que involucra la radiació i la matèria , es produeix mitjançant un esdeveniment constant, on la radiació de freqüència aconsegueix lliurar una determinada quantitat d'energia, una vegada que havia estat incorporada a la matèria.
La proposta que pretenia Max Planck, en el moment de presentar la seva llei, era que l'única manera d'assolir un model o equació, que es pogués considerar correcta de manera empírica.
Era a través, del bescanvi denergia producte de la sortida i entrada de quantitats molt petites denergia. Aquestes porcions d'energia se'ls anomena quantums de radiació.
Equació de quantums de radiació
L'equació que es desprèn de la quantitat d'energia E, característica d'un quantum de radiació de freqüència. Es pot representar de la manera següent:
E = hxf
Les dades són:
- E: energia.
- H: és una constant establerta per Planck.
- F: és la freqüència de les radiacions.
Aquesta equació es pot interpretar com que tota radiació que tingui una freqüència f , actua com un flux de partícules. Mentre que els quantums poden traslladar una càrrega denergia del tipus E = hx f.
L'energia produïda a partir de tot aquest procés són irradiades o incorporades pel cos de la matèria.
La suposició o hipòtesi de Max Planck confereix una condició de massa diminuta, a un esdeveniment que habitualment està relacionat amb els moviments ondulatoris, tipus radiacions.
Una altra de les ruptures que va generar aquesta teoria va ser que va trencar amb els paradigmes del pensament on tot ha d'estar centrat en alguna cosa i passa a la noció d'obertura dels sabers i les investigacions.
Es potencia l'estudi dels àtoms i la conformació de la seva estructura on és l'actor principal de tot l'univers.
Aquesta hipòtesi va ser confirmada amb l'experimentació de l'esdeveniment que incloïa la radiació que interactuava amb el cos negre. A més que va ser abrigada pels experiments dels processos Fotoelèctrics i també de l' Efecte Compton.
La Teoria Quàntica, a través de la història
Corrien els primers anys del segle XX, moment en què les ments més brillants de la ciència, abraçaven la idea d'haver estudiat i comprès, tot allò que es trobava al seu voltant.
El pensament sagaç de molts científics, tenien la concepció que els àtoms formaven part dels fonaments de tot allò tangible. Per a molts, les lleis de Newton havien resolt i explicat tot.
Però, a mesura que es van anar desllastrant d'aquests pensaments tancats, van poder trobar alternatives a les teories ja establertes.
A partir d'aquest fet, queda en evidència que l'explicació de la naturalesa de les coses estava força incompleta. Amb les experiències en l'àrea de la teoria quàntica de Planck , es van produir grans aportacions a la física.
Seguidament podeu trobar, un passeig pels fets més destacats d'aquesta època daurada de les innovacions en el pensament humà.
Cronologia
- Estudi sobre el Caràcter corpuscular de la radiació. Atribuït a Max Planck, a la seva preposició de la teoria quàntica, l'any 1900.
- Justificació del Efecte Fotoelèctric. El desenvolupa Albert Einstein, l'any 1905, valent-se de l'estudi de Planck.
- Plantejament de l'àtom, com a model orbital que està constituït pels protons, que fan les vegades del nucli i els electrons que conformen les òrbites exteriors. L'estudi va ser dut a terme l'any 1911 per Ernest Rutherford.
- Presentació del , per part de Niels Bohr. Aquest estudi, pren en compte tot allò desenvolupat per Ernest Rutherford, però inclou la teoria quàntica desenvolupada per Planck. Aquest fet va tenir lloc l'any 1913, tenint com a aportació fonamental per al coneixement humà, que els electrons només podien ser presents en un mateix nivell i òrbita, desconnectats de la resta del sistema.
- Nou estudi per comprovar la preposició quàntica de Max Planck. Arthur Compton, desenvolupa un mètode de comprovació de la teoria quàntica. L'any 1923 queda establert l'Efecte Compton.
- Louis-Víctor de Broglie, presenta la seva hipòtesi l'any 1924. Hi estableix, l'associació que existeix entre cadascuna de les partícules que componen a una ona.
- Werner Heisenberg, desenvolupa un sistema matemàtic el 1925. Amb aquest sistema, es podien fer els càlculs de les ones experimentals, presents als estats quàntics.
- Equació Ondulatòria, postulada per Erwin Schrödinger el 1926. Amb aquesta equació, se'n va poder saber més, respecte a les ones.
- Cinquè Congrés Solvay, el 1927. El tema central del qual va ser Electrons i fotons.
- Va ser una conferència molt particular, ja que hi va haver una controvèrsia entre dues eminències científiques, Einstein i Bohr, en relació amb tot el que es plantejava a la teoria de Planck.
- Assajos amb la Dualitat dels electrons. Presentat per Augustin-Jean Fresnel, l'any 1928. Aquest experiment planteja les característiques de les ones, lligades a les partícules.
- Arguments de la Teoria Quàntica, presentat per John Von Neumann, el 1932.
Àmbit de treball de la Teoria Quàntica de Planck
L'àrea d'utilitat, per a la teoria quàntica, està confinada tan sols als nivells de l'àtom i les seves estructures. A més dels estats del nucli, on és completament necessària.
És molt freqüent actualment que la teoria quàntica de Planck formi part d'altres àrees del coneixement i la innovació. Tal com passa amb l' electrònica.
L'àrea de l'electrònica s'ha valgut d'aquesta teoria, per poder dissenyar, dispositius electrònics com els microprocessadors, díodes, transistors, resistències i altres dispositius més, que van marcar un avenç significatiu en el desenvolupament d'aquest camp.
També va significar un avenç important en el camp de la física, amb la possibilitat de poder dissenyar i construir nous elements de transmissió. Com els conductors, semiconductors i superconductors.
A la medicina, va contribuir amb la incorporació de noves tecnologies mèdiques, com el bisturí làser, tomògrafs, equips per a tractaments del càncer, entre d'altres.
Va significar un gran avenç, per a les àrees de protecció de documents, a través de la criptografia. També va ser de gran ajuda per entendre com es comportava l'univers.
Com podeu notar, amb el descobriment de Max Planck, es va poder abastar un radi més ampli en el coneixement humà.
Impediment de la Teoria Clàssica, en donar respostes
És important assenyalar que a causa del pensament centralista de les teories clàssiques, aquestes es van veure impossibilitades a donar respostes als fenòmens naturals que sortien del seu àmbit.
Des de sempre va existir un món molt petit, que requeria ser exposat per al coneixement de la humanitat. La falla de la teoria clàssica no va estar en si les escales dels fenòmens era micro o macro. Es va tractar, de la seva incapacitat de poder imaginar un món més enllà, del que en aquell moment se'ls presentava davant dels ulls.
Imagineu-vos per un instant que són uns científics i requereixen realitzar un determinat experiment. És necessari que expandeixin la seva ment i acceptin les variacions en les proporcions del fenomen que pretenen estudiar.
Així, per exemple, si voleu fer un estudi de la dinàmica dels fluids, referent al moviment dels oceans.
El necessari per a la investigació
Serà necessari que construeixin una maqueta on estiguin inclosos tots els elements i variables que intervenen en aquest fenomen marí. L'objectiu de dissenyar aquest model és poder veure amb prou amplitud tots els fets.
La situació anterior, descriu un estudi del moviment dels Mars i oceans , a una escala mitjana. Però si el que volen és conèixer, el que passa a nivell de micropartícules, caldrà aplicar altres estratègies.
A mesura que es redueixen les mides dels fenòmens a estudiar, han de deixar de banda les teories clàssiques i utilitzar teories de tipus molecular o quàntica.
Continuen enfocats en el tema dels moviments dels oceans. Però ara, volen anar una mica més enllà i saber què passa a cada molècula d'aigua.
Per a aquest cas, i en la mesura que vulguin anar més enllà del plantejament actual. Caldrà enfocaments molt més minuciosos.
Per aquestes raons, va ser que la teoria clàssica es va veure sobrepassada en la idea de donar respostes a molt dels fenòmens. No va aconseguir expandir-ne la capacitat per descompondre els objectes d'estudis. I poder anar al que és medul·lar de les coses.
Característiques bàsiques de la Teoria Quàntica
Les característiques potencialment innovadores que es van generar a partir del postulat de la teoria quàntica són:
- Naturalesa diminuta de la radiació.
- Element d'ones, de les partícules.
- Realitat de les mesures físiques.
Cadascun daquests punts serà desenvolupat, perquè tinguin una millor idea de què tracta cada un.
Natura diminuta de la radiació
Tal fet, va ser desenvolupat per Max Planck, en el seu postulat de la teoria quàntica.
Freqüentment se'l considerava el fenomen de la radiació, com un fet ondulatori. En el model atòmic de Max Planck , es planteja que la radiació era un moviment de partícules petitíssimes, a les quals va anomenar Partícules Quantums.
Aleshores sorgeix la interrogant de com és la radiació? Doncs bé, l'essència de la radiació és fluctuant o ondulatòria. A més de posseir petitíssimes parts o ser corpuscular.
La radiació, per comptar amb aquesta dualitat, abasta múltiples elements que no es poden deixar de banda, dins del mètode quàntic.
Així, cal, la radiació presentarà trets fluctuants o corpusculars, d'acord amb la freqüència a què és sotmesa.
Davant la presència de freqüències altes, la radiació adopta característiques corpusculars, que és igual a petitíssimes parts. Tot això passa a l'àrea gamma de l'espectre lumínic. Per contra, si la radiació és davant, freqüències baixes. Assumeix característiques d'ones, a l'espectre lumínic.
Elements d'ona, de les partícules
Les característiques ondulatòries de les partícules, va ser proposat per Louis de Broglie. S'hi establia la dualitat de la llum, en què pot ser una ona, com també, un conjunt de partícules anomenades fotons.
Aquest científic, va poder demostrar a través dexperiments, la desviació dels electrons i neutrons. Podent concloure, que hi havia un tipus d'ones que podien acompanyar el moviment de les partícules.
El resultat d‟aquest experiment, va poder deixar evidència de la capacitat que tenen les partícules d‟intercanviar el seu estat, d‟acord a la dualitat. Podent, en conseqüència, tenir propietats ondulatòries i corpusculars.
Aquest fenomen no és només característic d'un ambient micro. És possible aconseguir-ho a grans escales. Tanmateix, l'ona i la longitud associada al fenomen són tan petites que resultaria imperceptible a l'ull humà i, per tant, pràcticament inútil la seva comprovació.
Realitat de les mesures físiques
Això planteja que, hi ha mesures físiques les ones electromagnètiques de les quals presenten valors en intervals.
Tal com va ser descrit per Bohr, al seu model. Específicament, va descriure l'àtom d'hidrogen, en el qual s'aprecia clarament un nucli i al voltant d'aquest, gira un electró a la seva òrbita.
Deixa exposat, que tots els electrons, es desplacen a les seves pròpies òrbites, tractant d'ocupar la que menys energia posseeixi i amb això es pot aconseguir l'estabilitat del sistema.
https://www.youtube.com/watch?v=xIGDkFRqGEQ
Moment d'actuar la teoria quàntica
La teoria quàntica de Planck, posa molt èmfasi en el diminut que resulten els sistemes i més, els elements que el componen. És important que assumeixin la premissa de com de petit és el sistema, als quals se sotmet a comprovació, a través, de la teoria quàntica.
Igual que la potència, la temperatura, el corrent elèctric i la força. També hi ha l'acció, com una unitat física per mesurar. L'acció és un indici per establir si s'està davant de la presència d'una teoria clàssica o quàntica.
Exemples d'acció a la teoria quàntica
Aquí te'ls expliquem:
Àtom d'hidrogen
Si decidiu analitzar l'acció que és present en un àtom d'hidrogen, d'acord amb allò descrit al model de Bohr. Obtindran que es tracta d'un sistema equilibrat, constituït per un electró i protó.
Aquest electró, arriba a ubicar-se en un grup indeterminat, però que alhora es troba en nivells orbitals, l'energia dels quals no es genera o es produeix freqüentment. D'allà, el terme discontinu als nivells orbitals.
Si aquest mateix electró, volgués pujar a una altra òrbita, només n'hi ha prou que absorbeixi o lliuri una quantitat petita de radiació. Aquesta quantitat ha de ser idèntica a la desigualtat denergia entre els nivells.
Funció de l'ona
La funció de l'ona ve donada per la ubicació que hi ha una sobre una altra de l'estat de l'electró. És a dir, cada electró d'hidrogen assumirà les càrregues que siguin necessàries o possibles per poder ocupar una òrbita.
Els estats dels electrons, mai no podran veure'ls col·locant-se els uns sobre l'altre. Sempre estaran presents, com una característica del propi sistema.
No són les funcions d'ona, una qualitat que estigui lligada a un altre tipus d'ones físiques, com ara ones elèctriques o ones electromagnètiques.
Teoria Quàntica i la probabilitat
En essència la teoria quàntica és completament probabilística. Refereix més aviat, de la possibilitat que un esdeveniment es produeixi en un temps precís, sense que això signifiqui quan passarà.
Molts científics, van qüestionar l'alta concurrència del fet probabilístic, com ho va plantejar a les Aportacions de Blaise Pascal , dins de la teoria quàntica. Sota l'argument que la convertia en un postulat incomplet, fàcilment canviable per una teoria hipotètica.
Albert Einstein, va proposar que per consolidar la teoria quàntica, calia donar-li robustesa, mitjançant la incorporació d'elements reals. Als quals va denominar variables ocultes , que van ser obviades per la teoria quàntica.
Einstein, considerava que, incorporant aquests elements de realitat. Es transformarien aquestes projeccions probabilístiques, en projeccions deterministes.
Biografia de Max Planck
Va ser un prominent científic alemany, al qual se'l considera el pare de la teoria quàntica. Es compta entre els homes de més influència a la seva època.
Va ser un revolucionari de la física, tot i tenir un desmotivador consell, que ja no hi havia res a descobrir. Fet ocorregut, abans de començar els estudis.
La seva infància i estudis
Max Planck, va néixer a Kiel una ciutat d'Alemanya, el 1858. Els seus pares van ser prominents intel·lectuals. Diversos familiars van estar lligats al camp de l'educació, tal és el cas del seu avi, que era professor de teologia.
La seva família es va veure obligada a emigrar a Munic, l'any 1867. Lloc on l'inscriuen a l'escola de gimnàstica Maximilians . Max Planck, des de molt primerenca edat, va tenir una empatia amb la música, la mecànica i altres àrees del coneixement, lligades a les ciències.
Tenint només disset anys, culmina els seus estudis de nivell mitjà, per començar els seus estudis de física teòrica, a la Universitat de Munic, carrera que va concloure.
Després continua estudis, a la Universitat Friedrich Wilhelms a Berlín, es fa molt amic de Hermann Von Helmholtz. Del qual rebria una gran influència, per a les seves futures investigacions, al camp de la Termodinàmica.
El seu treball de defensa de grau, va tenir lloc en 1879. El títol de la seva investigació era Segona Llei de la Termodinàmica.
Invencions sense fama
Per molt de temps, Planck va gaudir d'alguns períodes en què va passar desapercebut. Els que va aprofitar per investigar a l'àrea de l'Entropia o Desordre Molecular dels Sistemes.
És aquest període molt oportú, per fer importants troballes, que li van valer un reconeixement a la seva genialitat. Tal és el cas, del Tractat de Termodinàmica que fa públic el 1897.
Es converteix en professor l'any 1885, a la Universitat de Kiel. Al marge de continuar estudis de física química i sistemes de calor.
Corria l'any 1889, quan torna a la Universitat Friedrich Wilhelms a Berlín, per assumir-ne el càrrec de professor. Lloc on va romandre fins a 1926, moment del seu retir.
La radiació del cos fosc
Max Planck, també va tenir el seu passeig pels càrrecs governamentals, on va formar part de la Comissió de Companyies Elèctriques, el 1894. On va tenir la tasca de trobar la manera com les companyies que fabricaven bombets, poguessin millorar la seva qualitat.
Per aquell llavors Planck, comença una investigació per tractar de trobar solució al problema de la radiació de cos fosc. Ja que alguns físics tenien inconvenients a donar-li explicació de com la magnitud de la radiació, absorbida per un cos fosc, depenia de la temperatura del cos.
Malgrat la genialitat de Max, sens dubte era un investigador força conservador. Que de vegades arribava a tenir dubtes, pel que fa a les seves pròpies teories.
Amb moltes pors d'inconsistència, aconsegueix trobar la resposta a aquest inconvenient de la radiació. I abrigava l'esperança d'estar equivocat i que altres científics els ho demostressin.
Per contra, el que va estar totalment equivocat va ser ell. Ja que la seva revolucionària investigació, va generar un divorci de molts científics amb la física clàssica.
Es parla de mecànica quàntica
Amb l'arribada d'un altre segle, també arriba una altra genialitat a les ciències. Es tracta d'Albert Einstein, que fa grans aportacions i amb ells a donar més suport a la teoria quàntica de Planck.
Una altra de les aportacions que va fer Einstein, va ser la de com els cossos tenen comportaments estranys en escalfar-se a molt baixes temperatures.
Si bé Planck li havia reconegut l'avenç amb la teoria de la relativitat. Amb aquesta darrera proposta no hi va estar d'acord.
El 1911, juntament amb Walther Nernst, Planck van organitzar un congrés. S'hi reunirien els personatges més destacats del món de la ciència. Naixia el Congrés de Solvay.
Declaració dels 93
Tot i que Max Planck, no era un nacionalista extrem. El 1914, s'uneix al moviment de fervor nacionalista. I està inclòs al grup de 93 personalitats rellevants alemanys. Van signar un document, brindant-li suport a les accions bèl·liques d'Alemanya.
Després d'haver acabat la guerra, Planck era considerat una autoritat en el tema de la física. Es va convertir en el degà de la Universitat de Berlín, a més pertanyia a l'acadèmia Prusiana de ciències.
També va ser membre de la Societat de Física d'Alemanya, amb la qual cosa va poder aconseguir que s'invertissin recursos perquè es continuessin amb les investigacions científiques.
Durant el poder dels Nazis
El 1933, amb l'arribada dels nazis al poder, Planck va veure molt compromesa la seva tranquil·litat i seguretat. Van ser acomiadats molts científics i altres amics jueus.
Moltes personalitats van ser forçades a un èxode. Situació que va induir Max, a allunyar-se de la política. No per molt de temps, perquè davant l'assetjament a què van ser sotmesos molts dels seus col·legues, es va veure obligat a tornar-hi.
Tot i tants inconvenients, ell, al costat de la seva família va romandre a Alemanya. Però, el 1945 el seu fill va ser capturat i temps després va ser executat. Tal fet, va propiciar que Planck entrés en una terrible depressió de la qual mai no es va poder recuperar.
Defunció i herència
Aquest insigne home de ciència, mor a l'octubre de 1947 a la ciutat de Gotinga d'Alemanya. Al moment de la seva mort, tenia 89 anys. Deixant vídua la seva estimada esposa Marga von Hoesslin i un fill menor, de nom Hermann.
Es compta una vasta herència a favor de la ciència i contribucions invaluables per a l'avenç de la humanitat.
- Va rebre el Premi Nobel de la Física el 1918.
- Se'l va incloure a la Foreign Membership of the Royal Society, el 1926.
- Convidat d'honor, com a conferencista a la Universitat de Columbia, el 1909.
- Membre de l´Acadèmia Prusiana de Ciències.
- Membre de la Societat Kaiser Wilhelm.
- Inclòs a la Societat Física Alemanya.
- Honrat amb la Medalla Max Planck. Premi que va ser creat per ell mateix i que se la van atorgar el 1929.
Es crea la Societat Max Planck
Amb el propòsit d'honrar la memòria d'aquest científic abnegat. A la ciutat de Gotinga s'institueix la Societat Max Planck.
Amb el pas del temps, la Societat Max Planck, es va fusionar amb la Societat Kaiser Wilhem i totes les seves filials. Actualment, la reconeixen com una institució d'avantguarda a la ciència i les investigacions de tall tecnològic.
L'Agència Espacial Europea el 2009 va col·locar la sonda Planck, en òrbita. El seu objectiu era fer una observació espacial. Per poder analitzar lefecte de la radiació de les microones, en les freqüències infraroges.
Aquest dispositiu espacial va poder recollir entre el seu any de llançament i el 2013 importants dades referents a la densitat de la matèria fosca de l'univers . Que van contribuir a resoldre algunes interrogants respecte a l' Origen de l'Univers i la seva evolució.
