Paul Dirac: Invenciones, ecuaciones y modelo atómico

Paul Dirac

Paul Dirac

Paul Dirac fue un famoso físico y matemático que hizo numerosas contribuciones al campo de la física. Es más conocido por sus contribuciones a la rama de la física llamada mecánica cuántica y por fundar lo que ahora se llama electrodinámica cuántica . Además, hizo muchas otras contribuciones, incluida la ecuación de Dirac, que predijo la existencia de antimateria . Esta lección presentará y discutirá brevemente estas famosas contribuciones y por qué fueron tan importantes para la física.

El modelo atómico y la mecánica cuántica

Desde la niñez, Paul Dirac había demostrado su genio en matemáticas y física en la escuela. Después de obtener una licenciatura en ingeniería eléctrica, Dirac decidió regresar a la Universidad de Bristol; dos años después, en 1923, se graduó con un título adicional en matemáticas. Después de obtener sus dos títulos en la Universidad de Bristol, Dirac asistió al prestigioso St. John’s College de la Universidad de Cambridge y se graduó con su doctorado en física en 1926. Sin embargo, las importantes contribuciones de Dirac al campo de la física comenzaron mucho antes de recibir su título. doctorado.

Cuando Paul Dirac comenzó sus estudios de doctorado en física en la Universidad de Cambridge, el modelo atómico de Niels Bohr fue visto como la versión más completa y precisa en ese momento. Niels Bohr, otro físico famoso, había creado un modelo atómico que colocaba electrones en órbitas circulares alrededor del núcleo. Estas órbitas tenían diferentes niveles de energía y los electrones podían saltar a niveles de energía más altos o caer a niveles de energía más bajos dependiendo de si el átomo estaba recibiendo energía de las partículas de luz entrantes o fotones. Sin embargo, muchos otros físicos destacados en ese momento estaban descontentos con el modelo atómico de Bohr, incluido Dirac. En ese momento, el campo de la mecánica cuántica, o el estudio de la física de partículas a nivel atómico y subatómico, se había creado recientemente y ya estaba en pleno apogeo. Por lo tanto, Dirac se propuso crear una versión mejor. Junto con Werner Heisenberg y Erwin Schrodinger, Dirac pudo teorizar un nuevo modelo atómico que representaba los electrones no como un solo número, sino como una matriz de números. Además, durante este trabajo, Paul Dirac creó una nueva terminología matemática para representar estados cuánticos, llamada notación bra-ket , que todavía se usa en la actualidad.

Electrodinámica cuántica

Paul Dirac también es famoso por la creación del campo de la electrodinámica cuántica . La electrodinámica cuántica (generalmente abreviada QED) es el estudio de cómo la luz interactúa con la materia. Paul Dirac fundó el campo de la QED con su artículo The Quantum Theory of the Emission and Absorption of Radiationpublicado en 1927. La QED de Paul Dirac relacionó la luz (electromagnetismo) con el mundo cuántico e ilustró cómo estas partículas (electrones y fotones) interactuaban entre sí. Desde entonces, la electrodinámica cuántica se ha utilizado para explicar muchas cosas en nuestro mundo moderno, desde cómo el suelo es sólido, hasta láseres, computadoras personales, por nombrar solo algunos ejemplos. Aunque Paul Dirac ya había cambiado el rostro de la física con su trabajo sobre mecánica cuántica y electrodinámica cuántica, las contribuciones de Dirac al campo de la física aún no estaban terminadas.

La ecuación de Dirac y la antimateria

El trabajo de Dirac, Heisenberg y Schrodinger sobre la mecánica cuántica proporcionó un modelo mucho mejor para el electrón que el modelo atómico de Bohr. Sin embargo, todavía existía un problema: su modelo de electrones solo funcionaba para electrones que se movían relativamente lentamente; no funcionó para los electrones que se mueven rápidamente, o para los electrones que se mueven cerca de la velocidad de la luz. Paul Dirac no quedó satisfecho con esto. Por lo tanto, se propuso crear una nueva ecuación, una que crearía un modelo de electrones dentro de la mecánica cuántica pero que también abarcaría la teoría de la relatividad general de Albert Einstein para los electrones que se mueven cerca de la velocidad de la luz. También tendría en cuenta el giro de un electrón, que el famoso físico Wolfgang Pauli había descubierto poco antes. Abarcando todos estos elementos,, una ecuación de movimiento para la función de onda del electrón, para todas las velocidades. Una vez que se publicó la ecuación de Dirac en 1928, la comunidad física quedó asombrada. Todavía se considera uno de los mejores artículos de física jamás escritos.

Sin embargo, la ecuación de Dirac produjo un resultado confuso. Aunque matemáticamente perfecta, la ecuación de Dirac había producido el doble de electrones que la cantidad que se pensaba anteriormente. Dirac, aunque perplejo, confió en las matemáticas en su teoría y predijo la existencia de antimateria , y en este caso la existencia de un positiron , una partícula que tenía exactamente la misma masa y características de un electrón pero con carga positiva. La existencia de antimateria , o antiprotones, antineutrones y positrones, fue probada experimentalmente solo unos años más tarde en 1932 por el físico Carl Anderson.

Debido a todas sus contribuciones significativas al campo de la física, Paul Dirac fue galardonado con el Premio Nobel de Física con Erwin Schrodinger en 1933 por su estudio de la teoría atómica. Paul Dirac publicó numerosos libros a lo largo de su vida, muchos de los cuales todavía se consideran hoy como los textos abanderados en el campo de la física. Sus libros más famosos son:

• Teoría cuántica del electrón (1928)
• Los principios de la mecánica cuántica (1930)
• Conferencias sobre mecánica cuántica (1966)
• Spinors en Hilbert Space (1974)
• Teoría general de la relatividad (1975)

Resumen de la lección

Paul Dirac fue un famoso físico y brillante matemático que hizo contribuciones revolucionarias y significativas al campo de la física. Dirac hizo contribuciones significativas al campo de la mecánica cuántica al ayudar a desarrollar una teoría cuántica del campo atómico y al desarrollar un mejor modelo para los electrones en el modelo atómico, todo antes de recibir su doctorado en física en 1926. Además, en 1927, Paul Dirac creó el campo de la electrodinámica cuántica , o la teoría que describe cómo la luz interactúa con la materia, que hoy es una de las ramas más importantes de la física. En 1928 Dirac, insatisfecho con cómo el modelo cuántico actual no funcionaba cuando los electrones se movían cerca de la velocidad de la luz, creó la famosa Ecuación de Dirac.que describió el movimiento relativista de la función de onda del electrón y predijo inadvertidamente la existencia de antimateria . Paul Dirac fue galardonado con el Premio Nobel de Física con Erwin Schrodinger en 1933 por su estudio de la teoría atómica.

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