La química cuántica, una de las principales consecuencias de la mecánica cuántica
Algunos fenómenos encontrados en el siglo XIX, como la radiación del cuerpo negro o los espectros atómicos, no podían explicar las mecánicas clásicas ordenadas según las leyes de Newton y las leyes del electromagnetismo de Maxwell. En este sentido, se comenzó a construir lo que hoy conocemos como mecánica cuántica. En este proceso se establecieron algunos hitos importantes. La primera de ellas fue que Max Planck declarara en 1900 que la energía de la radiación electromagnética estaba cuantificada, es decir, que la energía de la radiación de una determinada longitud de onda o frecuencia no podía tomar cualquier valor, y que debía ser múltiplo de E=hνs (siendo h la constante de Planck y la frecuencia σ).
Posteriormente, en 1905, Albert Einstein expuso el efecto fotoeléctrico, es decir, afirmó que en algunos metales la radiación electromagnética podría provocar la liberación de algunos electrones, y que la radiación electromagnética estaba compuesta de fotones, y que cuando la luz atacaba la materia, cada electrón, tomando la energía de un fotón, podía salir de la estructura del metal, si esa energía era superior a un valor.
Finalmente, Louis De Broglie, en 1923, estableció el principio de doble condición de corpúsculo ondulatorio. Según este principio, los electrones y otras estructuras a nivel de átomo tenían al mismo tiempo la forma de onda y corpúsculo, y la longitud de onda depende del momento lineal m·v:
λ=h/mv
Este doble carácter permitía explicar todos los fenómenos que se producían en ellos. Por ejemplo, un hilo de electrones, al pasar por una ranura, daba patrones de difracción como la radiación.
Teniendo en cuenta estos principios, en 1925, Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger, cada uno por su lado, formularon las llamadas Mecánicas matriciales y Mecánica de las Ondas. Lucharon durante algún tiempo, queriendo cada uno defender lo suyo y devaluar lo que el otro había hecho. sin embargo, en 1926, el propio Erwin Schrödinger demostró que ambas expresiones eran compatibles.
Finalmente, en 1928, Paul Dirac unió la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad, haciendo así un hueco a la magnitud spin.
El origen de la química cuántica
Se puede decir que la química cuántica es una de las principales consecuencias o aplicaciones de la mecánica cuántica. De hecho, la ecuación de Schrodinger permite analizar la evolución de un sistema químico, sin entrar en un laboratorio. Esto permite analizar estructuras que todavía no se han sintetizado o analizar fenómenos que no se pueden obtener en el laboratorio y que se producen en condiciones extremas. Esta ecuación, sin embargo, sólo puede ser resuelta analíticamente para sistemas de un solo electrón. Para el resto de los casos se han desarrollado múltiples aproximaciones.
En este sentido, la Teoría de la Densidad Funcional (DFT) supuso un hito importante dentro de la química cuántica. a través del desarrollo de Kohn y Sham en 1965, la energía de todo el sistema se representa como funcional de la densidad electrónica, por lo que es suficiente conocer la densidad electrónica (según tres variables) en lugar de las coordenadas de todos los electrones (variable 3N). La cuestión es que no sabemos cómo es la forma concreta de esta densidad funcional, y hoy en día se utiliza un funcional diferente para cada tipo de sistema.
Con inteligencia artificial
Uno de los problemas de la química cuántica es que tiene un alto coste computacional. En definitiva, cuando se resuelven las ecuaciones de la mecánica cuántica, es necesario tener en cuenta explícitamente los electrones de los átomos. En este sentido, hoy en día, a través del aprendizaje automatizado, es posible conseguir áreas de fuerza con una precisión similar a la DFT. Esto ayuda mucho al estudio de los sistemas periódicos de estructuras sólidas, ya que además de permitir el análisis de superceldas más grandes, podrían simular intervalos de tiempo mucho más largos en dinámicas moleculares.
En definitiva, se considera que de esta manera se pueden obtener resultados de precisión similares a los de la mecánica cuántica con el coste computacional de la mecánica clásica.
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