Ondas y corpúsculos. Nubes de probabilidad

Transcribo a continuación los dos primeros apartados del capítulo «Las leyes del mundo submicroscópico», del volumen «Los átomos» [texto de Amadeo Montoto. Ed.Salvat. Grandes temas. 1973].



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1. Ondas y corpúsculos

Los conocimientos actuales sobre la estructura del átomo son siempre de origen indirecto.
Los modelos acerca de la organización de los electrones corticales han sido elaborados a partir de los datos proporcionados por los espectros, y el conocimiento del núcleo deriva de la observación de sus propiedades radiactivas, o bien de la observación de los fenómenos que se producen cuando se le somete a un bombardeo con partículas. En todos los casos, al interpretar lo observado se tiende a usar las imágenes que proporciona la experiencia cotidiana. Los protones, neutrones y electrones son imaginados como pequeñas bolitas extraordinariamente diminutas, el núcleo viene a resultar un agregado, supuestamente ordenado, de éstas, y para describir el movimiento de los electrones se acude a imágenes como la del sistema solar.
Pudiera esperarse que aumentando la potencia de los microscopios se consigan ver, o por lo menos fotografiar, los átomos. Sin embargo, esto es imposible. A partir de cierto límite la única forma de hacer más potente un microscopio es usar radiaciones cuya longitud de onda sea cada vez menor, lo que supone usar fotones cada vez más energéticos. Para llegar a individualizar un átomo se tendrían que usar rayos y de energía elevadísima, o recurrir a microscopios electrónicos o protónicos.
Con ello, se obtendrían precisamente resultados contrarios al buscado: tales radiaciones arrancarían los electrones corticales y probablemente provocarían la destrucción del núcleo. La situación sería muy similar a la que se produciría si, para averiguar lo que hay en el interior de un edificio, se empezara por dinamitarlo, procediendo luego a investigar sus escombros. Ciertamente, se averiguarían muchas cosas, pero escasas conclusiones podrían extraerse acerca de la organización que existía cuando el edificio estaba intacto.
Al hablar de los fotones se ha visto que es imposible explicar su comportamiento, a menos que se le imagine unas veces como ondas y otras como corpúsculos. Con los electrones y demás partículas subatómicas sucede exactamente lo mismo. La observación de un destello luminoso en una pantalla de sulfuro de cinc hace pensar inmediatamente en que algo ha chocado contra la misma, una partícula α o quizás un protón. De la misma forma la fotografía de las trayectorias en una cámara de Wilson sólo puede explicarse pensando que correspondan a las trazas dejadas por algún objeto material. Sin embargo, existen fenómenos en los cuales las partículas subatómicas tienen un comportamiento que sólo puede explicarse si se supone que son ondas en movimiento. Ahora bien, un corpúsculo está localizado en el espacio y en el tiempo, mientras que una onda es extensa y dispersa. ¿Cómo compaginar ambos hechos? La respuesta admitida por la mayoría de los científicos podría expresarse afirmando que “de ninguna forma”. La medida de cualquier magnitud física exige un aparato adecuado, y la operación de medir supone una interferencia entre el aparato de medida y el objeto a observar. Cuando se opera con grandes agrupamientos de materia (macrocosmos) la interferencia resulta despreciable, pero a nivel atómico o subatómico (microcosmos) esto no es cierto.
No es correcto, por tanto, decir que una partícula se comporta como una onda o como un
corpúsculo, sino que el comportamiento observado, en unas determinadas condiciones, es éste o aquél. Onda y corpúsculo son aspectos complementarios, imágenes de una misma realidad inasequible, que la mente humana construye a partir de percepciones macroscópicas.
No faltan contradictores acerca de esta cuestión. Para algunos científicos la dualidad onda-corpúsculo quedaría eliminada introduciendo determinadas hipótesis: los fotones serían siempre ondas y los electrones y demás partículas con masa serían corpúsculos. Para otros se trata de un problema de parámetros, de variables desconocidas a nivel macroscópico, cuya introducción podría solventar tales problemas. Finalmente, para otros se trataría de asignar a cada corpúsculo una onda, algo semejante a la estela que acompaña a un buque que se mueve sobre el agua.



2. ¿Describen órbitas los electrones?

Una de las consecuencias de la interacción entre los aparatos de medida y los objetos de la medición es la imposibilidad de determinar simultáneamente y con precisión la posición y la velocidad de una partícula subatómica (principio de indeterminación de Heisenberg).
Una medida exacta de la posición de un electrón, por ejemplo, supone una perturbación tal de su velocidad que hace imposible conocer su valor. Lo mismo sucede con la posición cuando lo que se mide es la velocidad. De aquí se sigue la imposibilidad de hablar de trayectorias: una trayectoria significa el conocimiento simultáneo de la posición de una partícula, en cada instante, y de la velocidad correspondiente a cada posición. Con esta óptica, los modelos de Bohr y Sommerfeld, muy intuitivos, han de parecer forzosamente limitados.
La hipótesis ondulatoria de la materia, propuesta por De Broglie en 1924, y el principio de indeterminación, formulado por Heisenberg en 1927, alteraron los conceptos de posición, velocidad y orbital electrónico. La solución de los problemas planteados tenía que venir por vías de una innovación, capaz de asociar los nuevos hechos con los resultados positivos de los primeros modelos atómicos. Nació así un nuevo dominio de la física, la mecánica cuántica, que explica coherentemente los fenómenos del microcosmos.
El estado de una partícula o de un sistema subatómico se describe mediante la llamada función de onda, que obedece a la ecuación de Schrödinger, postulada en 1926. Por la resolución de esta ecuación se obtiene en cada caso una función de onda que proporciona información respecto al sistema sometido a estudio. En el caso del átomo de hidrógeno la ecuación de Schrödinger reproduce los niveles de energía de Bohr, pero nada aporta acerca de las trayectorias. La información contenida en la función de onda es de carácter estadístico; para cada nivel de energía, lo único que permite deducir es la probabilidad que los electrones estén en una o en otra posición. Las órbitas electrónicas quedan sustituidas por nubes de probabilidad distribuidas alrededor del núcleo. Todavía se pueden forzar imágenes intuitivas, aunque ello es poco correcto, y pensar que estas nubes son los propios electrones, distribuidos en una zona extensa (imagen ondulatoria), o suponer que representan simplemente las posiciones posibles de un electrón en continuo movimiento,muy densas en las posiciones más probables y difusas en las otras (imagen corpuscular).




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