Asdrúbal Valencia Giraldo - Ciencia de los metales

Figura 1.3 La familia de los cuarks

Figura 1.4 El protón y el neutrón están constituidos por cuarks

El electrón (del griego ἤλεκτρον, ámbar), representado por el símbolo e−, es una partícula subatómica o partícula elemental (véase figura 1.5). Los electrones tienen una masa pequeña respecto al protón, y su movimiento genera corriente eléctrica y flujo de calor en la mayoría de los metales. Desempeñan un papel primordial en la química, ya que definen las atracciones con otros átomos.

Figura 1.5 Un electrón en movimiento

La grabación muestra un electrón en un haz de luz después de haber sido arrancado de un átomo. Lo que se ve en la película es el patrón que muestra los puntos en los que el electrón golpea la placa detectora en cada ciclo del pulso de luz.

Fuente: Microsiervos (s. f.).

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La picoestructura de los metales

Teoría cuántica y teoría del electrón libre

2.1. Teoría cuántica del átomo

A fines del siglo xix se distinguían en el universo dos entidades físicas: la materia y la radiación. La primera se consideraba compuesta de partículas dotadas de masa, que obedecían a las leyes de Newton, o sea que el estado de cada partícula estaba definido en cada instante por sus variables dinámicas: posición y velocidad. Esta fue la teoría corpuscular de la materia cuyo resultado más acabado fue la teoría cinética de los gases.

En cuanto a la segunda, la radiación, en 1855, James Clerk Maxwell (1831-1879) (véase figura 2.1) había demostrado que estaba constituida por ondas electromagnéticas o vibraciones en los campos eléctricos y magnéticos que se propagaban de acuerdo con las leyes del electromagnetismo (véase figura 2.2).

Figura 2.1 James Clerk Maxwell, autor de la teoría ondulatoria de la radiación

Tal teoría ondulatoria de la radiación explica los fenómenos luminosos, incluidos la óptica geométrica y la interferencia, estudiadas antes por Augustin Jean Fresnel (1788-1827) (véase figura 2.3).

Esta síntesis entre la óptica y la electricidad fue confirmada por Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) (véase figura 2.4), al descubrir las ondas radioeléctricas.

De este modo, la concepción física del universo parecía haber llegado a la máxima perfección posible.

Figura 2.2 Espectro electromagnético

Figura 2.3 Augustin Jean Fresnel

Este físico estudió la óptica geométrica y la interferencia, consistente con la teoría ondulatoria de la radiación.

Figura 2.4 Heinrich Rudolf Hertz. Descubrió las ondas radioelectrónicas

Fuente: Wikipedia (s. f. 2).

Sin embargo, a principios del siglo xx surgieron otras ideas. En 1900, Max Planck (1858-1947) (véase figura 2.5) señaló que el transporte de energía luminosa no ocurría de manera continua como en la propagación de una onda, sino que se daba en forma de incrementos finitos, pequeños paquetes o cuantos indivisibles.

Figura 2.5 Max Planck. Formuló la teoría cuántica

Fuente: Aprende a usar la tecnología (s. f.).

Y en 1905 Albert Einstein (1879-1955), usando la hipótesis de Planck, dio una explicación del efecto fotoeléctrico, señalando el carácter cuántico de la energía de radiación y estableciendo el doble carácter (ondulatorio y corpuscular) de la luz. Esta idea fue llevada más allá por Louis de Broglie (1892-1987) (véase figura 2.6), quien, en 1924, sugirió que las partículas reales de materia (los electrones) podrían presentar también un carácter ondulatorio, y propuso su mecánica ondulatoria.

Figura 2.6 Louis de Broglie. Formuló la mecánica ondulatoria de la materia

Entre 1925 y 1926, el alemán Werner Heisenberg (1901-1976) y el austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961) propusieron independientemente dos variantes de la nueva mecánica, las cuales los llevó al mismo resultado. Sin embargo, el método de Schrödinger se encontró más conveniente para los cálculos y de ahí la popularidad de la ecuación de este autor.

Otros científicos, como Max Born y Paul Dirac, dieron forma final a esta nueva mecánica cuántica.

La aplicación de estos conceptos a la estructura de los metales dio nacimiento a la moderna metalurgia física, la verdadera ciencia de los metales, y de esa manera un arte empírico y milenario se convirtió en ciencia con sólidas bases teóricas.

En resumen, la idea de Planck es condensada en la ecuación de Einstein:

ΔE = E2 – E1 = hν,

donde E: energía de un electrón, hν: cuanto de energía, h: constante de Planck (6,63 × 10-34 J.s) y ν: frecuencia.

Es decir, un electrón sólo puede tener ciertas energías y no otras, entre los valores permitidos. Si un electrón con energía E1 pasa a otro estado con energía E2, debe dar un salto cuántico ΔE absorbiendo o emitiendo energía radiante con una frecuencia ν.

Además, un fotón, cuando se comporta como partícula, tendrá un momento p dado por:

p = mc,

donde c: velocidad del fotón y m: masa equivalente que resulta de la energía cinética del fotón.

En reposo, el fotón tiene una masa cero y su energía total es:

E = mc2.

Como la energía total del fotón también está dada por E = hν, el momento del fotón es:

p = mc = (E/c2)c = E/c = hν/c.

Pero se sabe que la longitud de onda es λ = c/ν, o sea que:

p = h/λ. (2.1)

De Broglie afirmaba que la ecuación 2.1 se puede aplicar no solo a los fotones de la radiación luminosa, sino también a las partículas materiales (electrones). Esto fue confirmado por Clinton Joseph Davisson y Lester Germer (véase figura 2.7), en el sentido de que el movimiento de los electrones está descrito por las ecuaciones del movimiento ondulatorio, aunque el electrón mismo no es una onda. Esto también se ha confirmado para neutrones, átomos y moléculas.

Figura 2.7 Clinton Joseph Davisson (izquierda) y Lester Germer (derecha). Físicos estadounidenses que confirmaron la teoría ondulatoria para el electrón