Tema 5: Los números Cuánticos y la Configuración Electrónica

 

El gato de Schrödinger

Cuando se habla de el «gato de Schrödinger» se está haciendo referencia a una paradoja que surge de un célebre experimento imaginario propuesto por Erwin Schrödinger en el año 1937 para ilustrar las diferencias entre interacción y medida en el campo de la mecánica cuántica.

El experimento mental consiste en imaginar a un gato metido dentro de una caja que también contiene un curioso y peligroso dispositivo. 

Este dispositivo está formado por una ampolla de vidrio que contiene un veneno muy volátil y por un martillo sujeto sobre la ampolla de forma que si cae sobre ella la rompe y se escapa el veneno con lo que el gato moriría. El martillo está conectado a un mecanismo detector de partículas alfa; si llega una partícula alfa el martillo cae rompiendo la ampolla con lo que el gato muere, por el contrario, si no llega no ocurre nada y el gato continua vivo.Cuando todo el dispositivo está preparado, se realiza el experimento. 

Al lado del detector se sitúa un átomo radiactivo con unas determinadas características: tiene un 50% de probabilidades de emitir una partícula alfa en una hora. Evidentemente, al cabo de una hora habrá ocurrido uno de los dos sucesos posibles: el átomo ha emitido una partícula alfa o no la ha emitido (la probabilidad de que ocurra una cosa o la otra es la misma). Como resultado de la interacción, en el interior de la caja, el gato está vivo o está muerto. 

Pero no podemos saberlo si no la abrimos para comprobarlo.Si lo que ocurre en el interior de la caja lo intentamos describir aplicando las leyes de la mecánica cuántica, llegamos a una conclusión muy extraña. El gato vendrá descrito por una función de onda extremadamente compleja resultado de la superposición de dos estados combinados al cincuenta por ciento: «gato vivo» y «gato muerto». 

Es decir, aplicando el formalismo cuántico, el gato estaría a la vez vivo y muerto; se trataría de dos estados indistinguibles.La única forma de averiguar qué ha ocurrido con el gato es realizar una medida: abrir la caja y mirar dentro. En unos casos nos encontraremos al gato vivo y en otros muerto. Pero, ¿qué ha ocurrido? Al realizar la medida, el observador interactúa con el sistema y lo altera, rompe la superposición de estados y el sistema se decanta por uno de sus dos estados posibles.El sentido común nos indica que el gato no puede estar vivo y muerto a la vez. Pero la mecánica cuántica dice que mientras nadie mire en el interior de la caja el gato se encuentra en una superposición de los dos estados: vivo y muerto.

Esta superposición de estados es una consecuencia de la naturaleza ondulatoria de la materia y su aplicación a la descripción mecanocuántica de los sistemas físicos, lo que permite explicar el comportamiento de las partículas elementales y de los átomos. 

La aplicación a sistemas macroscópicos como el gato o, incluso, si así se prefiere, cualquier profesor de física, nos llevaría a la paradoja que nos propone Schrödinger.En algunos libros modernos de física, para colaborar en la lucha por los derechos de los animales, en el dispositivo experimental (por supuesto, hipotético) se sustituye la ampolla de veneno por una botella de leche que al volcarse o romperse permite que el gato pueda beber. 

Los dos estados posibles ahora son: «gato bien alimentado» o «gato hambriento». Lo que también tiene su punto de crueldad.

LA CORTEZA ATÓMICA

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Los electrones (-10e) se distribuyen alrededor del núcleo, girando en trayectorias complejas, formando la llamada corteza o envoltura electrónica. En ella reside la carga eléctrica negativa del átomo. En un átomo neutro, el número de electrones de la corteza es igual al número de protones del núcleo.

Los electrones de los átomos se distribuyen en niveles o pisos, cada uno con sus diferentes subniveles y orbitales. Esta disposición condiciona las propiedades físicas y químicas de los elementos (Figura inferior) y permite su clasificación en el Sistema Periódico. En este sistema, los átomos se ordenan por número atómico creciente y se pasa de un período a otro cuando los electrones se sitúan en un nivel superior.

Hay leyes muy precisas que regulan esta distribución de los electrones y su estudio es objeto de la física-química. La posición de cada electrón viene determinada por los cuatro números cuánticos: n, l, m y s.