Divulgación El quantum

[ignorante]

Hola amigos foreros. Les comparto la siguiente duda: ¿qué es un quantum? ¿una partícula, la mínima cantidad posible de energía, un fotón, una medición, otra cosa? Como siempre, gracias por sus respuestas.

[pod]

Re: El quantum

El término "cuanto" (podemos traducirlo así) es esencialmente un vestigio de los primeros trabajos en cuántica. Hoy en día no se utiliza tanto, excepto para hacer divulgación (en mi humilde opinión es un problema que, a menudo, la divulgación se queda estancada en terminología algo en desuso; no sólo pasa en cuántica, también en relatividad con la famosa discusión de qué es la masa... pero esto es otra historia).

Básicamente, en mecánica cuántica muchos sistemas (no todos) tienen energía discreta. Eso quiere decir que su energía no puede tomar cualquier valor, sino que queda restringido a algunas cifras concretas. El salto entre estos niveles es un "cuanto de energía".

Relacionado con esto, quizá el uso más conocido del término, son los cuantos de luz (aunque lo mismo es aplicable a cualquier radiación o partícula). Resulta que la luz monocromática está dividida en muchos fotones que tienen todos la misma energía. Por lo tanto, la energía total del rayo de luz siempre es un multiplo entero de la energía de esos fotones (los "cuantos de luz").

Pero en ningún caso, ninguno de estos significados significa "la mínima cantidad posible de energía". Porque puede haber sistemas en que la energía no sea discreta, y por lo tanto pueda tomar cualquier valor. Y el en caso de la luz, podemos tener otro rayo de luz de un color diferente, y los fotones de esta onda serán menos energéticos que los de la primera: un fotón puede tener cualquier energía, dependiendo de su energía corresponderá a un "color" u a otro. Sólo podemos hablar de paquetes (fotones) de la misma energía si tenemos luz monocromática.

[ignorante]

Re: El quantum

Gracias por tu respuesta pod, pero todavía me quedan algunas dudas. La primera:

Eso quiere decir que su energía no puede tomar cualquier valor, sino que queda restringido a algunas cifras concretas. El salto entre estos niveles es un "cuanto de energía".

Resulta que la luz monocromática está dividida en muchos fotones que tienen todos la misma energía. Por lo tanto, la energía total del rayo de luz siempre es un multiplo entero de la energía de esos fotones (los "cuantos de luz").

¿Esto significa que, hablando de luz monocromática, quantum (cuanto) es lo mismo que fotón?

[guibix]

Re: El quantum

¿Esto significa que, hablando de luz monocromática, quantum (cuanto) es lo mismo que fotón?

Sí, si hablas de luz, un cuanto de luz es un fotón, y la energía total de un fotón depende únicamente de su frecuencia.

[ignorante]

Re: El quantum

Sí, si hablas de luz, un cuanto de luz es un fotón, y la energía total de un fotón depende únicamente de su frecuencia.

Gracias guibix. Pero, si hablo de otra "cosa" que no sea luz (ni radiación electromagnética en general), ¿qué es un quantum? ¿Puede haber quantum que no sea de luz?

[xXminombreXx]

Re: El quantum

¿En qué sistemas la energía puede tomar valores continuos y no hay un mínimo cuantizado?

[guibix]

Re: El quantum

¿En qué sistemas la energía puede tomar valores continuos y no hay un mínimo cuantizado?

En realidad lo de cuantizar no significa que pases de un valor de energía a otro sin intermedios, ni de que tengas un mínimo de energía posible. Lo que significa es que un cuanto (en el caso de la luz), es un paquete concreto que sólo depende de la frecuencia y no puedes coger dos fotones y fusionarlos en uno, ni coger uno y dividirlo en dos. Por esto está "cuantizado". En cualquier otro tipo de onda, se pueden sumar las amplitudes y obtener nuevas ondas, pero para la luz no.

Para un solo fotón la energía es $E=hf$, fíjate que $h$ es una constante y $f$ puede adquirir cualquier valor, tan grande, pequeño o intermedio como quieras, pero para un fotón dado, solo hay una energía dada.

[pod]

Re: El quantum

¿Esto significa que, hablando de luz monocromática, quantum (cuanto) es lo mismo que fotón?

El fotón es el cuanto de luz. El gravitón es el cuanto de onda gravitatoria. El gluón es el cuanto de onda "fuerte", etc.

¿En qué sistemas la energía puede tomar valores continuos y no hay un mínimo cuantizado?

Hay un teorema (no recuerdo el nombre) que viene a decir que un sistema tendrá energía cuantizada si está (clásicamente) confinado en el espacio. Por ejemplo, un electrón en un átomo de hidrógeno está confinado por la atracción culombiana, clásicamente no podría alejarse, por lo tanto su energía está discretizada. Ese mismo electrón pero libre (lejos de cualquier núcleo) no está confiando y por lo tanto puede tomar cualquier valor energético.

[ignorante]

Re: El quantum

Hay un teorema (no recuerdo el nombre) que viene a decir que un sistema tendrá energía cuantizada si está (clásicamente) confinado en el espacio. Por ejemplo, un electrón en un átomo de hidrógeno está confinado por la atracción culombiana, clásicamente no podría alejarse, por lo tanto su energía está discretizada. Ese mismo electrón pero libre (lejos de cualquier núcleo) no está confiando y por lo tanto puede tomar cualquier valor energético.

Hola pod. Esto que dices también me lo explicaba carroza en otro hilo (http://forum.lawebdefisica.com/threa...ica-del-fotón), pero aún me queda una duda: si entiendo bien, un fotón "libre" no está confinado (ligado dice carroza), por lo tanto, no tendría una energía cuantizada. ¿Pero no se dijo ya que el fotón es precisamente el quantum de luz? ¿No es esto contradictorio? Estoy embrollado. Solicito su ayuda para desembrollarme. Gracias.

[pod]

Re: El quantum

Hola pod. Esto que dices también me lo explicaba carroza en otro hilo (http://forum.lawebdefisica.com/threa...ica-del-fotón), pero aún me queda una duda: si entiendo bien, un fotón "libre" no está confinado (ligado dice carroza), por lo tanto, no tendría una energía cuantizada. ¿Pero no se dijo ya que el fotón es precisamente el quantum de luz? ¿No es esto contradictorio? Estoy embrollado. Solicito su ayuda para desembrollarme. Gracias.

Eso está respondido en los mensajes #2 y #7.

Un fotón puede tener cualquier energía, no está cuantizada. Pero dos fotones de dos energías diferentes tienen "colores" diferentes. Es la luz monocromática la que está formada por muchos paquetes discretos (que son iguales entre si).

[ignorante]

Re: El quantum

Gracias pod, pero sigo embrollado. Trataré de desembrollarme escribiendo a continuación lo que creo haber entendido, y si algo entendí mal, te pido por favor me corrijas:

1. La luz "policromática" (que incluye muchas frecuencias distintas) no está cuantizada, ya que los fotones que la integran pueden ser de cualquier "tamaño" (energía).

2. La luz monocromática (de una sola frecuencia) sí está cuantizada, ya que los fotones que la integran tienen un sólo "tamaño" (energía).

3. Sin embargo, tanto la luz "policromática" como la luz monocromática, están formadas por "cuantos" de energía (fotones), y en ese sentido, ambas están "cuantizadas".

[pod]

Re: El quantum

Gracias pod, pero sigo embrollado. Trataré de desembrollarme escribiendo a continuación lo que creo haber entendido, y si algo entendí mal, te pido por favor me corrijas:

1. La luz "policromática" (que incluye muchas frecuencias distintas) no está cuantizada, ya que los fotones que la integran pueden ser de cualquier "tamaño" (energía).

2. La luz monocromática (de una sola frecuencia) sí está cuantizada, ya que los fotones que la integran tienen un sólo "tamaño" (energía).

3. Sin embargo, tanto la luz "policromática" como la luz monocromática, están formadas por "cuantos" de energía (fotones), y en ese sentido, ambas están "cuantizadas".

Así es. Toda la luz está formada por fotones, paquetes. Lo que pasa es que si la luz es policromática los paquetes son de diferente tamaño. En general, uno siempre puede considerar la luz policromática como una mezcla de varios rayos monocromáticos (por eso al final siempre consideramos luz monocromática, no perdemos demasiada generalidad).