Estado fundamental (física) para niños
El estado fundamental de un sistema en mecánica cuántica es su estado de energía más bajo posible. Imagina que es como el escalón más bajo de una escalera: un objeto no puede bajar más. La energía de este estado se llama también energía de punto cero.
Por otro lado, un estado excitado es cualquier estado que tiene más energía que el estado fundamental. Es como si el objeto estuviera en un escalón más alto de la escalera.
En la teoría cuántica de campos, el estado fundamental se conoce a menudo como vacío cuántico o simplemente vacío.
A veces, un sistema puede tener más de un estado fundamental. Esto significa que hay diferentes maneras en que el sistema puede estar en su nivel de energía más bajo. Por ejemplo, el átomo de hidrógeno puede tener estados fundamentales así.
Según una regla de la termodinámica (la tercera ley), un sistema que está a una temperatura de cero absoluto (el punto más frío posible) se encuentra en su estado fundamental. Esto es porque a esa temperatura, las partículas tienen la menor energía posible. Muchos sistemas, como un cristal perfecto, tienen un solo estado fundamental, lo que significa que están muy ordenados a cero absoluto.
Contenido
¿Qué es el Condensado de Bose-Einstein?
Un nuevo estado de la materia
En 1995, los científicos Wolfgang Ketterle, E.A. Cornell y C.E. Wieman lograron crear un estado de la materia muy especial llamado Condensado de Bose-Einstein (a menudo abreviado como BEC). Lo hicieron enfriando átomos a temperaturas extremadamente bajas, casi al cero absoluto. Por este descubrimiento, recibieron el Premio Nobel de Física en 2001.
La predicción de Einstein
La idea del Condensado de Bose-Einstein fue predicha por Albert Einstein en 1926. Él se inspiró en las investigaciones de Satyendra Nath Bose, quien estudiaba cómo la luz se comporta como pequeños paquetes de energía llamados "cuantos" o "fotones". Einstein pensó que estas mismas reglas podrían aplicarse a los átomos.
Lo que Einstein descubrió es que si los átomos se enfrían lo suficiente, algo muy extraño sucede: a temperaturas cercanas al cero absoluto, todos los átomos se vuelven idénticos. Pierden su "identidad individual" y se unen en una especie de "superátomo". Esto significa que todos los átomos están en su estado fundamental, el nivel de energía más bajo posible.
El estado fundamental en la mecánica cuántica
La base de la mecánica cuántica
El concepto de estado fundamental fue clave para el desarrollo de la mecánica cuántica a principios del siglo XX. Cuando los átomos pierden su identidad individual a temperaturas muy bajas, se comportan como si estuvieran en el mismo nivel cuántico.
La energía es fundamental aquí. A temperaturas muy bajas, los átomos tienen la menor energía posible, es decir, están en su estado fundamental. Pero a temperaturas normales, los átomos tienen más energía y se encuentran en diferentes estados excitados, vibrando y moviéndose.
Entendiendo el universo a pequeña escala
Todos los sistemas en mecánica cuántica tienen un estado fundamental. Este estado de mínima energía es lo que permite que existan todos los demás estados posibles. Cuando todas las partículas de un sistema están en sus estados fundamentales, el sistema está muy ordenado.
El estado fundamental es muy importante en la física experimental. Permite a los científicos crear estados cuánticos en objetos que podemos ver (macroscópicos). Esto abre la puerta a la creación de "máquinas cuánticas", que son objetos grandes que, además de seguir las reglas de nuestro mundo, también siguen las extrañas reglas de la mecánica cuántica.
Aplicaciones y el entrelazamiento cuántico
Entender el estado fundamental nos ayuda a comprender mejor cómo funcionan la materia y la energía a un nivel muy pequeño, el subatómico. Un ejemplo práctico es el entrelazamiento cuántico. Esto es cuando dos partículas están conectadas de tal manera que el estado de una afecta instantáneamente el estado de la otra, sin importar la distancia. Einstein lo llamó "acción fantasmal a distancia".
El estado fundamental es crucial porque nos permite observar el comportamiento de un sistema cuántico sin que sus propiedades especiales se vean afectadas por el calor o la vibración del entorno. Nos ayuda a entender el entrelazamiento cuántico, ya que el estado fundamental y un estado de mayor energía pueden representar los dos estados posibles (0 y 1) de un bit cuántico, o qubit, que son la base de la computación cuántica.
Ejemplos del estado fundamental
- Imagina una partícula atrapada en una caja muy pequeña. La forma en que se mueve la partícula en su estado fundamental es como una onda suave que va de un lado a otro de la caja. La energía de esta partícula depende de su masa y del tamaño de la caja. El estado fundamental es cuando la partícula tiene la menor energía posible en esa caja.
- En un átomo de hidrógeno, el estado fundamental del electrón es como una nube esférica alrededor del núcleo. Es más densa en el centro y se va haciendo más delgada a medida que te alejas. El electrón tiene más probabilidades de estar a una distancia específica del núcleo, conocida como el Radio de Bohr. Cuando un electrón está en el estado fundamental en un átomo de hidrógeno, tiene una energía de -13.6 eV.
- La definición de un segundo de tiempo se basa en el estado fundamental. Desde 1997, un segundo se define por la duración de 9,192,631,770 periodos de radiación que corresponden a la transición entre dos niveles muy específicos del estado fundamental de un átomo de cesio 133, que está en reposo y a una temperatura de 0 K. Esto muestra lo preciso que es el estado fundamental para la ciencia.
Galería de imágenes
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Niveles de energía de un electrón en un átomo: estado fundamental y estado excitado. Después de absorber energía, un electrón puede saltar desde el estado fundamental hacia un estado excitado de mayor energía.
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Funciones de onda iniciales de los cuatro primeros estados de una partícula de una dimensión en una caja
Véase también
En inglés: Ground state Facts for Kids
