Física

Modelo atómico de Schrödinger

 
Victoria Munilla Giménez
Por Victoria Munilla Giménez. Actualizado: 23 marzo 2023
Modelo atómico de Schrödinger

La observación de la naturaleza ha propiciado su estudio a diferentes escalas, algunas tan minúsculas que han desembocado en el modelo atómico de Schrödinger. Su contribución a la mecánica cuántica ha permitido entender con mayor detalle la configuración de las partículas más pequeñas y estables de la materia: los átomos. Aunque existen muchas incógnitas en este campo, las aportaciones del modelo atómico de Schrödinger han supuesto un avance científico de gran importancia, lo que conlleva una serie de implicaciones. ¡No te pierdas el siguiente artículo de GEOenciclopedia!

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Índice

  1. Qué es el modelo atómico de Schrödinger y sus características
  2. La ecuación de Schrödinger
  3. Las aportaciones del modelo atómico de Schrödinger
  4. Postulados del modelo atómico actual de Schrödinger
  5. Quién fue Erwin Schrödinger
  6. Utilidad práctica del modelo de Schrödinger a la Geología

Qué es el modelo atómico de Schrödinger y sus características

Los avances científicos se basan en estudiar los antecedentes para dar el siguiente paso. Schrödinger se apoyó en las hipótesis de otros científicos para confeccionar sus propias teorías. Por tanto, puede definirse el modelo atómico de Schrödinger como un escalón de conocimiento añadido a los preexistentes que conviene abarcar por partes.

La aportación de otros profesionales al modelo de Schrödinger

Basándose en un fundamento matemático, desarrolló dos ecuaciones que pretendían averiguar la probabilidad de encontrar una partícula dentro del átomo, tal como había planteado Marx Born. Esto lo desarrollaría hacia un cálculo más preciso acuñando el término orbital, es decir, región con mayor probabilidad de encontrar electrones.

Para ello, adoptó las aportaciones de Bohr, defensor de una energía atómica cuantizada, en la que cualquier cambio orbital del electrón implica emisión o absorción de fotones, asociados a un diferencial energético. De Broglie, apoyó la dualidad de onda y partícula de los electrones y admitió el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Todo ello afianzó su idea del área de probabilidad en lugar de la posición y trayectoria del electrón. Lo que nos conduce directamente a la conclusión de las teorías publicadas en 1926 que le hicieron ganar el Premio Nobel de Física.

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La ecuación de Schrödinger

Los modelos matemáticos de Schrödinger se diferencian entre sí, planteando la evolución del espacio cuántico con o sin la variable tiempo (t). De esta manera, desveló la ecuación simplificada independiente de t, donde la onda no se mueve, sino que actúa de eje para que la estructura lo haga.

  • H ᴪ = E ᴪ

Las aportaciones del modelo atómico de Schrödinger pretenden despejar la incógnita ᴪ conocida como función de onda. Esta incógnita contiene toda la información teórica sobre el sistema cuántico y nos permite describir el comportamiento de las partículas que forman el átomo.

Por otro lado, la H u operador hamiltoniano, es una función equivalente a la energía mecánica, por lo que es variable según el sistema, tal como demostró el experimento de la doble rendija de Thomas Young. Esto debe dar una idea de que cada átomo arrojará una solución distinta, siendo el hidrógeno el más simple y el único que tiene un valor exacto. Los demás átomos, debido a su mayor complejidad elemental, aportan resultados aproximados con una variable de error cada vez mayor.

Por último, E se define como una constante de proporcionalidad, es decir, la energía asociada a la función de onda. Además, sirve para establecer una correspondencia del valor entre diferentes sistemas, derivada de las aportaciones de Planck y Einstein a la mecánica cuántica.

Modelo atómico de Schrödinger - La ecuación de Schrödinger

Las aportaciones del modelo atómico de Schrödinger

Como consecuencia, Schrödinger llegó a lo que se conoce como modelo cuántico ondulatorio, afirmando la dualidad onda-partícula de los electrones dispuestos en diferentes niveles energéticos, que describen ondas estacionarias alrededor del núcleo. Por ende, no se podían catalogar como partículas fijas con posiciones determinadas, sino como elementos en constante movimiento.

El modelo atómico de Schrödinger pretende dilucidar el movimiento del electrón y su distribución en términos de probabilidad, pero no contempla asuntos como la estabilidad del átomo o sus partes. Siguiendo la ecuación de Schrödinger se obtienen valores discretos de energía si el electrón se desplaza en un espacio delimitado. Mientras que emitirá intervalos continuos de energía al moverse con libertad.

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Postulados del modelo atómico actual de Schrödinger

Ante la coherencia de las ecuaciones de Schrödinger para explicar la configuración del átomo y la imposibilidad de desecharlas experimentalmente, los postulados del modelo atómico de Schrödinger siguen siendo válidos en la actualidad.

Por ello, a partir de las consideraciones de los puntos anteriores se determina que los electrones se desplazan alrededor del núcleo describiendo orbitales y comportándose como ondas estacionarias directamente proporcionales al cuadrado de la función de onda. Los estudios de Schrödinger nos aportan una pista más sobre las propiedades periódicas de los átomos, que determinan los enlaces químicos posibles.

De esta manera se pueden determinar los números cuánticos de cada elemento químico de la tabla periódica. Con estas pistas sobre la energía de cada orbital, su forma, tamaño y orientación se puede predecir aproximadamente, como evoluciona la nube de electrones en los diferentes enlaces químicos.

Sin embargo, la ecuación de Schrödinger no contempla el número cuántico de spín, que determina el sentido de giro del campo magnético. Por ello, el modelo es inviable para explicar por qué en algunos casos el electrón decae a un estado cuántico menor habiendo espacio libre. Inconveniente resuelto por una ampliación de la fórmula promovida por Paul Dirac. Además, no puede usarse en modelos relativistas donde la velocidad del electrón se acerca a la velocidad de la luz, como ocurre en átomos pesados como el plomo.

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Quién fue Erwin Schrödinger

Erwin Schrödinger nació en el año 1887 en Viena, en el seno de una familia adinerada. Comenzó su carrera universitaria en 1906 entusiasmado por el estudio de la física. En 1920, participó como combatiente en la Primera Guerra Mundial hasta que un año después se trasladó a Zurich. Sería durante un retiro en un balneario en Arosa, donde las aportaciones del modelo atómico de Schrödinger se desarrollarían hasta su publicación en 1926 en una serie de artículos de importante transcendencia.

A nivel personal, Schrödinger se casó en 1920 con Annemarie Bertel con la que tuvo una hija, aunque tendría descendencia a raíz de otras relaciones. Se le conocerían otras aventuras extramaritales y algunos romances con varias alumnas. Una dinámica amorosa que sería una constante durante toda su vida. Sus contemporáneos le describen como un hombre carismático, muy querido e inclinado al ocio.

Después de la interpretación de Copenhague, aceptó la cátedra de la Universidad de Berlín para sustituir a Max Planck. En este lugar conocería a físicos de la talla de Einstein, con quién compartió una extensa correspondencia.

En 1933 se le otorgó, junto al científico Paul Dirac, el Premio Nobel de Física. En 1935 inició la publicación de varios artículos que se recordarían como la paradoja del gato de Schrödinger, una teoría que iba encaminada a atacar las conclusiones de Copenhague y que le costó algunos enfrentamientos con Albert Einstein. Como científico reconocido, fue invitado a varias conferencias por Ortega y Gasset que no pudieron realizarse por el inicio de la Guerra Civil Española.

Estando en Austria, la invasión nazi le convenció para abandonar el país, viajando de incógnito por diferentes partes de Europa hasta instalarse en Dublín en 1940, donde siguió impartiendo clase alejado de la guerra y escribió su libro de divulgación científica "¿Qué es la vida?".

Siguió impartiendo clase, pero su declaración forzosa de apoyo al nazismo y disculpa de sus críticas al régimen durante la invasión de Austria le hicieron viajar temporalmente a Bélgica, donde conoció a Georges Lemaître, precursor de la teoría del Big Bang. Finalmente, a sus 69 años, regresó a Viena hasta su muerte en Erdberg en 1961.

Modelo atómico de Schrödinger - Quién fue Erwin Schrödinger

Utilidad práctica del modelo de Schrödinger a la Geología

Aunque enfocado a la física, las aportaciones del modelo atómico de Schrödinger comprenden aspectos primordiales relacionados con otras competencias, incluyendo las ciencias geológicas.

Configuración electrónica del electrón y su distribución orbital

Un enlace químico implica una redistribución de electrones, por lo que conocer la configuración electrónica del átomo es esencial para comprender dichas reacciones. Teniendo en cuenta que la naturaleza tiende a adoptar el sistema de menor energía, puede determinarse el tipo de reacciones químicas con mayor probabilidad de darse en un medio concreto.

De gran importancia para describir ambientes de alteración, incluidos aquellos relacionados con la meteorización química. Esta información permite anticiparse a la degradación de edificios y previene su conservación. Además, entender los lugares donde hay mayor probabilidad de encontrar ciertos minerales, algunos de ellos de enorme importancia económica, supone una considerable ventaja. Te recomendamos leer este artículo sobre la Meteorización o intemperismo: qué es, tipos y ejemplos.

Sensor cuántico para la prospección geológica

Gracias a la dualidad onda-partícula, los átomos son especialmente sensibles a los cambios en las propiedades físicas. Por tanto, crean un patrón de interferencia dibujando un mapa de su distribución espacial. A través de las anomalías físicas en estos mapas se puede hacer una correlación para determinar el tipo material que lo causa.

Cada cuerpo geológico causará una anomalía determinada en respuesta a parámetros como la gravedad, entre otros. Los átomos actúan como un sensor cuántico advirtiendo de la presencia de diferentes tipos de formaciones geológicas. Nos permite localizar los yacimientos minerales sin necesidad de gastar muchos recursos. Así, la prospección geofísica permite una reconstrucción en 3D a fin de determinar la localización, tamaño y distribución del yacimiento.

Prevención de riesgo sísmico y vulcanológico

Debido a las propiedades que la mecánica cuántica atribuye al átomo, este elemento fundamental de la materia es muy sensible a las vibraciones. Por tanto, permite detectar con bastante precisión el origen y desplazamiento de las ondas sísmicas. Facilitando la prevención del riesgo y la evacuación. Te puede interesar conocer cuáles son Los volcanes más peligrosos del mundo.

Lo mismo ocurre con la actividad volcánica precedida siempre por la vibración del terreno en respuesta a la ascensión del magma. Sin embargo, existen otros ejemplos aplicables a escala local, como pueden ser los deslizamientos de tierra o los desprendimientos en carreteras.

Comprensión y estudio del campo magnético

Algunos minerales poseen elementos químicos cuyos átomos les otorgan propiedades magnéticas. De esta manera, durante la cristalización del mineral, su eje magnético se orienta hacia el norte magnético de la Tierra. Con esta información puede determinarse no solo la edad de la roca, sino identificar la posición del eje magnético en ese periodo.

Estos datos permiten estudiar el fenómeno del campo magnético terrestre, indispensable como escudo contra la radiación solar, y entender la evolución del planeta. Además, las propiedades magnéticas son infinitamente útiles a nivel industrial, tanto para fabricar todo tipo de componentes como separar minerales y detectar yacimientos metalíferos.

Las aportaciones del modelo atómico de Schrödinger suponen una base de conocimiento básico para comprender la mecánica cuántica, de la que se derivan numerosas ramas científicas, incluida la geología.

Ahora que ya sabes qué es el Modelo atómico de Schrödinger, te invitamos a leer estos otros artículos de GEOenciclopedia sobre el Modelo atómico de Rutherford y el Modelo atómico de Thomson.

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Bibliografía
  • UNAM. 2016. Estructura Atómica con ejemplos y aplicaciones en las Ciencias de la Tierra. Disponible en: http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/10612/Fundamentos%20del%20tema%20de%20Qu%c3%admica%20Estructura%20At%c3%b3mica%20con%20ejemplos%20y%20aplicaciones%20en%20las%20Ciencias%20de%20la%20Tierra.pdf?sequence=1&isAllowed=y
  • Levante. Un sensor cuántico revoluciona la arqueología, la geología y la seguridad. Disponible en: https://www.levante-emv.com/tendencias21/2022/03/01/sensor-cuantico-revoluciona-arqueologia-geologia-63293428.html
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  • UNIVERSITAM. Los efectos relativistas presentes en los atomos pesados. Disponible en: https://universitam.com/academicos/noticias/los-efectos-relativista-presentes-en-los-atomos-pesados/
  • Universidad de Granada. 2013. Estudio computacional de las reacciones de adsorción y deshidroxilación en modelos de esmectita. Disponible en: https://digibug.ugr.es/handle/10481/23767
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