Experiencias relevantes La ecuación de Schrödinger
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| La introducción de la Mecánica Cuántica se lleva a cabo con toda naturalidad en Química, pero no se llega a introducir en la Física salvo en aquellos centros de Ingeniería Superior que tienen una asignatura denominada Ampliación de la Física. Mediante programas interactivos se puede introducir las ideas básicas de la Mecánica Cuántica. Desde que el ordenador ha empezado a usarse como herramienta didáctica, los distintos temas de la Mecánica Cuántica ha sido los favoritos de los profesores - programadores, por que son los más complejos desde el punto de vista matemático, y más alejados de la experiencia cotidiana. Los programas de ordenador proporcionan una descripción cualitativa de las distintas situaciones o fenómenos, mediante representaciones gráficas y/o animaciones, muy difíciles de conseguir por los procedimientos tradicionales de enseñanza. En Mecánica Cuántica son muy pocas las experiencias relevantes que puede realizarse en el laboratorio escolar. Las complejidades de las experiencias reales, y los tiempos normalmente cortos en los que ocurren, ocultan el proceso físico. Mediante simulaciones en el ordenador se puede prescindir de los aparatos de medida y del exterior al sistema en estudio, visualizándose el proceso físico, acelerándose o retardándose según convenga. El primer capítulo de esta unidad, está dedicado a la dispersión de partículas, y puede estudiarse en la Mecánica, en el capítulo dedicado a las fuerzas centrales y conservativas, y también, en el estudio de la interacción eléctrica. Sin embargo, por la trascendencia histórica de la experiencia de Rutherford en el descubrimiento de la estructura atómica se suele colocar al principio del estudio del átomo. Hace ahora cien años Max Planck introducía los denominados cuantos de energía, modificando radicalmente la historia precedente de la Física. La aparición de elementos discretos de energía vino asociada al descubrimiento de una ley para la distribución de la densidad de energía de la radiación de un cuerpo negro. Continuamos con experiencias claves que ayudaron a establecer las teorías modernas del átomo: El efecto fotoeléctrico y la explicación que dio Einstein del mismo, el efecto Compton, la experiencia de Frank-Hertz, la difracción de electrones y la experiencia de Stern-Gerlach. Se estudian algunas soluciones simples de la ecuación de Schrödinger: el escalón de potencial, la barrera de potencial, el efecto túnel. Se estudia un modelo simple de núcleo radioactivo para explicar la desintegración alfa. Finalmente, verificamos la ley exponencial decreciente de la desintegración, con una muestra formada por un número pequeño pero suficiente de núcleos radioactivos. El objetivo que se pretende alcanzar con la ayuda de los applets que se han diseñado es que no podemos predecir la conducta de una micropartícula en el dominio cuántico, pero podemos predecir la conducta de un número grande de partículas idénticas. A continuación, se estudia la cuantización de la energía de las partículas confinadas en una cierta región: la caja de potencial y el pozo de potencial. Finalmente, se han creado varios applets que calculan y representan los niveles de energía de un conjunto de pozos de potencial, a fin de que los estudiantes conozcan las características esenciales de un átomo, de una molécula, y de un sólido lineal. Una vez que a los estudiantes de los cursos introductorios de Física se les ha explicado los fundamentos básicos de la Mecánica Cuántica, se puede proseguir con las actividades propuestas en forma de programas interactivos. El estudio formal de la Mecánica Cuántica necesita bastante tiempo debido al nivel de los conocimientos matemáticos que se requieren, pero es posible proporcionar al estudiante, mediante estos programas interactivos, una idea intuitiva del fenómeno o situación física que se trate. |
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