Una farola de sodio emite casi toda su luz en dos rayas separadas 0,597 nanómetros, y ninguna otra sustancia del universo emite ese par exacto. De esa idea —cada elemento tiene su juego de colores— salen la identificación de los elementos, la composición del Sol, el reloj que define el segundo y la química entera. Atomario cubre la física atómica y molecular en tres niveles de profundidad: primero las ideas con números de verdad, luego la materia de la carrera, y al final el segundo ciclo en serio, con visualizaciones, ejemplos por todas partes y ejercicios resueltos.
Sexto sitio del programa Fisicario — la Licenciatura en Física, sitio a sitio. Hermano de Fotonario, Particulario, Mecanario, Termario y Cuantario.
Dónde empieza y dónde acaba este sitio. La mecánica cuántica de base no se funda aquí: se aplica. La fundan Cuantario y sus cuatro asignaturas del plan, y Atomario empieza donde ella ya ha dicho que los niveles existen. La óptica, y el láser como instrumento óptico, son de Fotonario; aquí se cubre la interacción entre el átomo y la luz — qué le pasa al átomo, no qué le pasa al haz. Y el núcleo es de Nucleario, que todavía no existe: cuando exista, se enlazará. Se enlaza en vez de duplicar, siempre al artículo concreto.
Lo que se entiende del átomo con números de verdad y sin cálculo: por qué cada elemento tiene sus colores, cómo se sabe de qué está hecho el Sol sin ir, qué distingue una farola de una aurora. Divulgación exigente — cifras y unidades, nunca analogías que haya que desaprender en el Nivel II. Cuatro módulos publicados de cinco previstos.
El espectro como documento de identidad: por qué cada elemento emite su propio juego de rayas, qué hace falta para separarlas, por qué una raya intensa no significa un elemento abundante, y cómo de ahí sale la composición del Sol. Termina en las farolas de sodio y en la raya verde de las auroras, que es imposible de reproducir en un laboratorio.
Tamaños y distancias reales, y el número que mató a la física clásica: un átomo de Rutherford dura 1,56 × 10⁻¹¹ segundos. De ahí a qué es un orbital y qué no —no es una órbita ni un dibujo de dónde está el electrón—, de dónde salen las capas, por qué la tabla periódica se repite cada 2, 8, 8, 18… y por qué, con el núcleo ocupando una parte en 10¹³ del volumen, no atraviesas la silla.
Por qué el cloro pesa 35,45 si ningún átomo de cloro pesa eso: isótopos por fuera y defecto de masa por dentro. Cómo se pesa un átomo sin balanza —curvándolo en un campo magnético— y por qué distinguir el CO del N₂ exige una resolución de 2490. El mol y el número de Avogadro desde su definición de 2019, la datación por carbono-14 con su límite real, y por qué separar isótopos costó un país entero.
Qué distingue de verdad a un láser de una farola: no la potencia —un puntero de 1 mW tiene veinte veces la radiancia de la superficie del Sol— sino que la emisión estimulada gane a la espontánea, cosa que a 300 K sólo ocurre por debajo de 69 µm. De ahí, frenar un átomo con 17 000 empujones de 2,95 cm/s, definir el segundo con los 9 192 631 770 saltos del cesio —y los 38,5 µs al día que eso le corrige al GPS— y enfriar un gas hasta 2,0 µK, donde los átomos se solapan y dejan de poder distinguirse.
Por qué dos átomos se pegan y a qué distancia, qué forma tienen las moléculas y por qué importa. El infrarrojo que absorben el CO₂ y el vapor de agua, con los números del efecto invernadero, y las más de trescientas moléculas identificadas en el medio interestelar.
La física atómica del primer ciclo, calibrada contra Foot, «Atomic Physics» (Oxford, 2005). Se usan derivadas, integrales y álgebra lineal básica. La mecánica cuántica de base se da por sabida: la funda Cuantario, y aquí se aplica. El salto desde el Nivel I es brusco a propósito: allí no hay una sola derivada y aquí se dan por sabidas, junto con las ecuaciones diferenciales, los números complejos y el momento angular. Cinco módulos previstos y el primero publicado.
Con ℏ, la masa del electrón y e²/4πε₀ sólo se puede construir una longitud —52,9177 pm—, una energía —27,2114 eV— y una velocidad, y el cociente de esa velocidad con la de la luz es 1/137,036: la constante de estructura fina, que es el parámetro en el que se desarrolla el nivel entero. De ahí, el hidrógeno resuelto de verdad y no citado: la separación radial-angular, la serie que hay que cortar para que la función de onda no explote, y los n² estados con la misma energía que ninguna simetría geométrica obliga. Después, qué cuantiza cada número cuántico —el 3s mide 13,5 a₀ y el 3d 10,5, y aun así los dos pesan lo mismo en el espectro— y qué rayas existen: el 2p dura 1,596 ns y el 2s, que está a su lado y a la misma energía, 0,1216 s. Con hoja de problemas, la primera del sitio.
Acoplamiento espín-órbita, corrección relativista y término de Darwin: las tres piezas del mismo orden α². El doblete del sodio en serio, la ecuación de Dirac como resultado y el desplazamiento de Lamb como lo que ella tampoco explica.
Dónde muere Bohr. Repulsión electrónica, integral de intercambio, orto y parahelio, apantallamiento y el método variacional que da 77,5 eV frente a los 79,0 medidos con una sola línea de cálculo.
Aproximación de campo central, principio de exclusión y configuraciones. Términos espectroscópicos ²ˢ⁺¹L_J, reglas de Hund y la explicación de por qué las energías de ionización suben y caen como lo hacen a lo largo de un periodo.
Efecto Zeeman normal y anómalo con el factor g de Landé, efecto Stark, y la estructura hiperfina del acoplamiento con el espín nuclear: el reloj de cesio y la raya de 21 cm con la que se cartografía la Vía Láctea.
El segundo ciclo y las optativas de Física Fundamental —Procesos Atómicos y Procesos Moleculares—, con Bransden & Joachain, «Physics of Atoms and Molecules», y Demtröder. Todo lo que exijan esos textos: teoría de perturbaciones dependiente del tiempo, secciones eficaces, Born-Oppenheimer.
Teoría de perturbaciones dependiente del tiempo y regla de oro: de dónde sale la tasa de emisión que el II.1 usa como dato. El átomo de dos niveles y las oscilaciones de Rabi, los coeficientes A y B de Einstein en equilibrio con el espectro de Planck, los ensanchamientos y el perfil de Voigt, las transiciones multipolares calculadas en vez de estimadas por su orden de magnitud, y la fuerza de radiación que permite frenar un átomo con luz.
Secciones eficaces elásticas e inelásticas, aproximación de Born y ondas parciales. Excitación por impacto electrónico, autoionización y resonancias de Fano, y la física atómica de los plasmas de laboratorio y astrofísicos.
La separación de escalas que hace posible la química: el ion H₂⁺ resuelto, orbitales moleculares y enlace de valencia en el H₂, curvas de energía potencial, hibridación y la molécula poliatómica.
Rotor rígido y oscilador anarmónico, ramas P, Q y R, principio de Franck-Condon y dispersión Raman. Espectroscopía molecular como herramienta: de la identificación en el medio interestelar a la absorción infrarroja de la atmósfera.