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Isabel CorderoAlberto ApariciBorja TosarJuan Carlos GilFrancis VillatoroHéctor Socasestados metaestables del helioconfiguración electrónica básica del helionivel fundamental del helio 1sespectros del helio con 12 decimalestécnicas de metrología en el heliometaestabilidad del helioenergías de ionización con helioestados singlete en helioestados de spin 1 en heliospin total apuntando hacia arribaátomos de helio con spin menos 1francis villatoro explica el spinFrancis VillatoroJuan Carlos GilAlbertoecuación de VaRovingerDiracHéctor SocasHelio 3Helio 4Barcelona Super Computing Centerecuación de Diracn=1n=2átomos de RiesbergGloria ClausenPhysical Review AJuan Carlosestados 3P
Configuración electrónica básica del Helio
Ep516: Premios Princesa de Asturias; El Enigma del He; Bacterias en Agua Pesada; Alones
13 de junio de 20259 momentos
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Francis Villatoro explica la existencia de estados metaestables en átomos de helio, describiendo su configuración electrónica básica y mencionando los niveles fundamentales.
…en métodos numéricos puedo calcular esos niveles con una precisión similar, aunque un poquito peor por ordenador; lo hacemos un poquito peor que lo que podemos hacer con el experimento, pues uno espera que haya una perfecta coincidencia y resulta que no. Hay estados del helio, estados electrónicos de los electrones en los que tengo; son metaestables. Tengo el helio en el nivel fundamental, en el nivel 1s, en el número cuántico principal igual a 1, me caben dos electrones con espines opuestos. Pero tengo estados metaestables del helio en el que Uno de los electrones está en el nivel superior, en el 2; tengo un electrón en el nivel 1 y un electrón en el nivel 2. Estos son estados metaestables, pero en el helio son lo suficientemente estables como para que podamos utilizar las técnicas de metrología de muy alta precisión para calcular sus espectros con 12 dígitos decimales. O sea que podemos aprovechar esa metaestabilidad para calcular con alta precisión, por ejemplo, las energías de ionización. Y básicamente hay dos tipos de estados cuando tengo el estado que se llama singlete, que es el estado en el que el spin que está en el nivel 1 tiene una dirección y el spin que está en el nivel 2 tiene el sentido contrario entonces uno tiene digamos spin 1 medio y el otro tiene menos 1 medio y la suma es digamos 0, es un estado singlete. El spin total es 0 pero tengo también estados de spin 1 en la que ambos electrones apuntan en el mismo sentido, los dos para arriba o los dos para abajo, sus spines. Y esos estados de spin 1 total tienen tres posibilidades: El spin 1 total, el spin puede ser menos 1, 0 o más 1. ¿Qué significa ese spin 0? Bueno, ese spin 0 significa que en el estado cinglete, con los spines, uno en el nivel 1 y otro en el nivel 2, apuntando en direcciones contrarias, ese estado es antisimétrico. Es decir, desde el punto de vista cuántico tengo una suma, una combinación lineal…
Significado #1 · Palabras #1
Francis Villatoro explica que el estudio del helio presenta desafíos analíticos significativos debido a que implica un problema de tres cuerpos, con dos electrones y un núcleo.
Habla: Francis VillatoroSignificado #3 · Palabras #6ecuación de va en tercero de carreraniveles electrónicos del hidrógenoenergías de acoplamiento del electróncálculo trivial del helioátomos hidrogenoides más sencilloshelio no es trivialfrancis villatoro explica helioátomos hidrogenoides más fácileselectrón adicional complica estudiohidrógeno modificado con última capahelio desafíos analíticosmecánica cuántica primer cursoproblema de tres cuerpos helioproblema de tres cuerpos en helioórbitas del helio con software simbólicoestados del helio cálculo perturbativoecuación de rovinger para el heliométodos numéricos para rovingercorrecciones electrodinámicas cuánticas del helioniveles energéticos y energías de ionización…Physical Review. Bueno, lo que plantea esto es una cosa que a veces damos como por sabido que en química la química es física y calcular en química es trivial y cualquier cosa de la química se calcula fácilmente si uno aplica física cuántica elemental. Ahora pues Juan Carlos está llevándose las manos a la cabeza, Alberto igual; están ahí, les explota la cabeza por lo que acabo de decir y dicen: bueno, bueno, una cosa tan sencilla como el hidrógeno, yo calculo todos sus niveles electrónicos, es decir, las energías de acoplamiento del electrón en diferentes niveles de manera trivial, porque de hecho puedo calcularlo casi de forma analítica; y lo siguiente es el helio, el helio igual, el helio es un nucleosito muy sencillito con dos electrones, eso se debe de calcular trivialmente; me hace gracia que lo que dice, que lo que llama Francis trivialmente no se estudia hasta que llegas a tercero de carrera y te pasas a lo mejor dos o tres días resolviendo la ecuación de va de dos o tres días y lo calculas bien; va de dos o tres días. Déjame decir una cosa, curiosamente y esto es muy chocante: antes que el helio, que es el de dos electrones, es más fácil estudiar otros átomos que son los que se llaman hidrogenoides. De hecho, el helio no es nada trivial. No, no es nada trivial, y por eso lo que va a contar Francis, claro, ahí está el punto. Pero ¿Que siempre se dice eso?, parece que el de un electrón lo sabemos hacer y ahora ya ponemos un electrón más y ya no sabemos, ¿no? Pero de hecho es más fácil el hidrogenoide, o sea, átomos que tienen más electrones, da igual el número que sea pero que tengan uno en la última capa porque eso los aproximas como una especie de hidrógeno modificado y así lo puedes resolver, pero es un poquito de trampa. Exactamente, el caso del helio tiene desde el punto de vista analítico, desde el punto de vista de presentarlo en un primer curso de mecánica cuántica en tercer curso de carrera o en segundo; no sé cómo se hará ahora, es un poquito más difícil porque es un problema de tres cuerpos. Dos electrones y un núcleo y el problema de tres cuerpos ya genera problemas de integrabilidad y puede tener una estructura bastante complicada. Sus órbitas, aunque bueno, en el helio no es tan complicado, pero sí es verdad que los mejores análisis matemáticos a mano, usando obviamente ordenadores, usando software de álgebra simbólica, son de hace menos de 20 años. O sea, ha habido mucha dificultad a la hora de calcular de manera perturbativa todos los estados del helio. Pero se sabe hacer. Pero bueno, lo fácil es utilizar ordenadores, utilizar métodos numéricos. Usando métodos numéricos, resolver la ecuación de Rovinger para el helio parece trivial. Y es más o menos trivial. De hecho, para el helio podemos calcular las soluciones de la ecuación de Dirac; incluso podemos calcular las correcciones introducidas por la electrodinámica cuántica porque son comparables a la resolución que podemos obtener en el laboratorio. Porque medir los niveles energéticos y las energías de ionización del hidrógeno y del helio en el laboratorio lo podemos hacer con errores de la billonesima, de doce decimales. Podemos tener una extrema precisión en las medidas experimentales, entonces uno dice: bueno, pues si, en teoría gracias a los grandes avances en métodos numéricos puedo calcular esos niveles con una precisión similar, aunque un poquito peor por ordenador; lo…
Francis Villatoro explica la existencia de estados metaestables en átomos de helio, describiendo su configuración electrónica básica y mencionando los niveles fundamentales.
Habla: Francis VillatoroSignificado #1 · Palabras #1estados metaestables del helioconfiguración electrónica básica del helionivel fundamental del helio 1sespectros del helio con 12 decimalestécnicas de metrología en el heliometaestabilidad del helioenergías de ionización con helioestados singlete en helioestados de spin 1 en heliospin total apuntando hacia arribaátomos de helio con spin menos 1francis villatoro explica el spin…en métodos numéricos puedo calcular esos niveles con una precisión similar, aunque un poquito peor por ordenador; lo hacemos un poquito peor que lo que podemos hacer con el experimento, pues uno espera que haya una perfecta coincidencia y resulta que no. Hay estados del helio, estados electrónicos de los electrones en los que tengo; son metaestables. Tengo el helio en el nivel fundamental, en el nivel 1s, en el número cuántico principal igual a 1, me caben dos electrones con espines opuestos. Pero tengo estados metaestables del helio en el que Uno de los electrones está en el nivel superior, en el 2; tengo un electrón en el nivel 1 y un electrón en el nivel 2. Estos son estados metaestables, pero en el helio son lo suficientemente estables como para que podamos utilizar las técnicas de metrología de muy alta precisión para calcular sus espectros con 12 dígitos decimales. O sea que podemos aprovechar esa metaestabilidad para calcular con alta precisión, por ejemplo, las energías de ionización. Y básicamente hay dos tipos de estados cuando tengo el estado que se llama singlete, que es el estado en el que el spin que está en el nivel 1 tiene una dirección y el spin que está en el nivel 2 tiene el sentido contrario entonces uno tiene digamos spin 1 medio y el otro tiene menos 1 medio y la suma es digamos 0, es un estado singlete. El spin total es 0 pero tengo también estados de spin 1 en la que ambos electrones apuntan en el mismo sentido, los dos para arriba o los dos para abajo, sus spines. Y esos estados de spin 1 total tienen tres posibilidades: El spin 1 total, el spin puede ser menos 1, 0 o más 1. ¿Qué significa ese spin 0? Bueno, ese spin 0 significa que en el estado cinglete, con los spines, uno en el nivel 1 y otro en el nivel 2, apuntando en direcciones contrarias, ese estado es antisimétrico. Es decir, desde el punto de vista cuántico tengo una suma, una combinación lineal…
Francis Villatoro explica que desde 1997 se desconoce por qué existe una pequeña diferencia entre las predicciones teóricas y las mediciones experimentales, observada inicialmente en el helio 4.
Habla: Francis VillatoroSignificado #20estados metaestables del heliohelio 4 y otros estadosteoría vs experimento en helio…estamos hablando de hace casi 30 años en 1997 se observó que había una pequeña diferencia, una diferencia quizás menor, siete sigmas de diferencia, siete deviaciones típicas entre la predicción teórica y la medida experimental. y tú dices, pero ¿y por qué? Pues desde 1997 todavía no lo sabemos. Eso se descubrió en el helio 4 y empezó a observarse también en otros estados, ya estados un poquito más elevados; son estados metastables con una vida menos corta: los estados 3P, incluso los estados 3D y hay ciertos estados, no en todos; hay estados en los que la teoría clava el resultado experimental y estados en los que tengo. Siete sigmas de diferencia, nueve sigmas de diferencia, quince sigmas de diferencia y nadie... ¿Se puede tener quince sigmas de diferencia? ¡Qué barbaridad! Claro, yo tengo dos medidas. La teórica tiene un error mayor, pero si la diferencia es grande, pues…
Francis Villatoro discute la posibilidad de que discrepancias en mediciones relacionadas con estados metastables del helio puedan llevar a algunos a postular la existencia de nueva física.
Habla: Francis VillatoroSignificado #9 · Palabras #14estados metaestables del helionueva física y modelo estándarquímica elemental de estados electrónicos…pues yo que sé, unos dos nanómetros, pero con errores de 0,0 nanómetros. He dicho nanómetros, perdón, nanoelectrón voltios. Del orden de unos 2,4 nanoelectrón voltios con errores 100 veces más bajos. O sea, estamos hablando de medidas muy, muy precisas. Y este es uno de esos grandes problemas que alguna gente le lleva al concepto de nueva física. No, es que tiene que existir nueva física más allá del modelo estándar que explique esto. Pero bueno, hombre, eso ya son palabras mayores; es una cuestión de química entre comillas elementales, estamos hablando de los estados electrónicos del helio, del primer estado metaestable; o sea, eso no puede ser algo tan complicado que requiera física más allá del modelo estándar. Nueva física no sé si tendremos pero un nuevo físico sí que incorporamos a la tertulia porque pasaba por aquí casualmente Gastón Giribet así que lo capturamos y lo dejamos en órbita ligada aquí de este Coffee Break. ¿Qué tal Gastón? ¿Cómo estás? Hola, un…
Francis Villatoro continúa explicando un método experimental para determinar la energía de ionización del helio, mencionando que se ha aplicado tanto al helio-3 como al helio-4.
Habla: Francis VillatoroSignificado #6átomos de riesberg con electrones altosenergía de transición estado n igual a 2extrapolación a n infinito helioenergía de ionización helio-3estado triplete helio-4desviación nueve sigmas heliopublicaciones teóricas este año…de ionización. Una manera de estimar la energía de ionización sería la energía de que pase ese electrón que está en el nivel n igual a 2, que pase al infinito, a n igual a infinito, que se desligue completamente del hidrógeno, perdón, del helio en este caso. Bueno, pues una manera de hacerlo es utilizar átomos de Riesberg, los átomos de Riesberg son átomos que tienen electrones en niveles muy altos, con un número principal por encima de 20 Aquí se trabaja con niveles de tipo 27, 35, 53, y la idea es que yo mido la energía de transición entre ese nivel muy alto de Riesberg y el estado n igual a 2 metastable, que está en ese estado triplete, y extrapolo, hago medidas para varios n, y extrapolo el resultado a n infinito y así determino el valor experimental con alta precisión. Entonces, eso se ha hecho con helio 3 y con helio 4, y en ambos casos para este estado triplete se observa que existe una desviación del orden de nueve sigmas, que no tiene una explicación todavía razonable. Y se han tenido en cuenta a nivel teórico; entonces este año se han publicado dos resultados interesantes, el resultado. que se publica en Physical Review Letters es de dos autores, Gloria Clausen y Frederick Merck, que son del ETH de Zürich, del Instituto Técnico de Zürich, donde estudió Einstein a principios del siglo XX y ellos han utilizado esta espectrocopía de átomos de…
Francis Villatoro continúa explicando un estudio reciente publicado en Physical Review A sobre el helio-3, que confirma problemas similares a los observados en el helio-4.
Habla: Francis VillatoroSignificado #18estados metaestables triplete helio 3grupo de gloria clausen physical review aisótopos helio y núcleos protones neutronesestado singlete helio 3 y helio 4error de 9 sigmas energía ionización tripleteerrores enormes estados singlete triplete…energéticos de Riesberg utilizados en esta estimación del nivel energético de estado triplete, que es un estado de n igual a 2. y sin embargo la energía de ionización sigue presentando esta enorme desviación. Y también como novedad este año se ha publicado el Caso del helio 3, un nuevo resultado también del grupo de Gloria Clausen, han publicado en Physical Review A la misma técnica experimental pero para el helio 3 y confirman que los estados metaestables triplete del helio 3 presentan exactamente el mismo problema que el helio 4. Porque había una sugerencia de que quizás algún efecto, como ha comentado Juan Carlos del tema de los isótopos, que cambie el núcleo, que el núcleo tenga dos protones y dos neutrones o tenga dos protones y un neutrón, pues podría influir en estos estados metaestables. El estado singlete se clava entre experimento y teoría, tanto en Helio 3 como en Helio 4, y el estado triplete resulta que para su energía de ionización estimada el error es de 9 sigmas; en el caso de Helio 3 es de 7 sigmas, pero es también muy parecido. Son errores enormes que indican claramente que hay algo que no entendemos. Y ya os digo: muchas mentes pensantes llevan varias décadas tratando de desvelar qué es lo que le pasa al helio y todavía no se tiene ni idea. Entonces, claro, cuando se plantea, pues, ¿y qué pasa con los efectos relativistas en el núcleo de oro que hace que…
Francis Villatoro continúa explicando las dificultades para comprender el helio, comparándolo con la comprensión tardía del color dorado del oro debido a efectos relativistas. Menciona que incluso cálculos numéricos sencillos relacionados con el helio presentan problemas.
Habla: Francis VillatoroSignificado #5 · Palabras #12cálculos numéricos sencillos helioestado singlete y estado triplete spinacoplamiento de espines en el heliodesviación teoría experimento helio…Entonces, claro, cuando se plantea, pues, ¿y qué pasa con los efectos relativistas en el núcleo de oro que hace que sea dorado? Bueno, pues son cosas conocidas de hace muchísimas décadas y, sin embargo, cosas mucho más, entre comillas, triviales, como es una cosita tan sencilla desde el punto de vista numérico, como es el helio, pues resulta que con dos electrones y un núcleo, pues hay algo que no entendemos. ¿Hay algún efecto? Claro, tiene que estar asociado al spin, porque lo que diferencia el estado singlete del estado triplete es el spin. Entonces tiene que haber algún tipo de acoplamiento asociado al spin que por alguna razón desconocida nadie ha sido capaz de concebir un modelo teórico de qué le pasa a ese acoplamiento entre espines para que haya esa enorme desviación entre la teoría del experimento. Francis, yo tengo una pregunta quizás muy tonta, ¿vale? Pero ¿hay algún tipo de modelo efectivo en plan: no tengo la argumentación teórica, pero voy a intentar modelar lo que pasa? Es un poco al revés, ¿no? Que muchas veces dices, vale, no tengo ni idea de la…
Francis Villatoro explica cómo la electrodinámica cuántica, en principio, es bien entendida para este tipo de casos, y se centra en el papel de la polarización del vacío en la ecuación de Dirac aplicada al helio.
Habla: Francis VillatoroSignificado #16 · Palabras #18ecuación de dirac aplicada al heliopolarización del vacío en el electrónvacío polarizado y nivel n igual a 1efectos desconocidos en la polarización del vacío…el momento en que lo tengas es añadirlo al modelo teórico y te saldrá y te lo ajustará bien, pero no se sabe cuál puede ser ese efecto Esto es una de esas cosas que uno dice, aquí hay física nueva y dice, la respuesta está en cuede, cuede que sí, cuede que no La electrodinámica cuántica, en principio, para este tipo de casos se entiende muy bien; es decir, básicamente lo que modifica la electrodinámica cuántica a la ecuación de Dirac aplicada a este caso es que el vacío está polarizado. Entonces hay que incorporar los efectos de la polarización del vacío. La polarización del vacío en el electrón se calcula relativamente fácil y en principio no hay efectos conocidos que modifiquen la polarización del vacío de un electrón que está en el nivel n igual a 1, que influyan en la polarización del vacío un electrón en n igual a 2. Que se sepa, no hay efectos conocidos que lo hagan. Quizás alguien pueda concebir algún tipo de efecto que haga, que permita explicar esta diferencia. ¿Qué es bonito desde el punto de vista experimental porque te sitúa en lo que está pasando en muchas áreas de la física? Que es que hay problemas que están ahí llevan muchísimos años abiertos y nadie es capaz de resolverlos, y entonces quizás hay que…
Francis Villatoro explica las consecuencias de un problema complejo relacionado con el tamaño del núcleo de átomos de helio, señalando la discrepancia entre los valores teóricos y experimentales.
Habla: Francis VillatoroSignificado #13tamaño núcleo átomo helio 3niveles energéticos helio experimento teóricovalor experimental radio núcleo helio…al menos? Porque puedes jugar con él más o menos; o sea, cuando algo es súper complejo es, bueno, vale, si necesito el Barcelona Super Computing Center para meterle mano a esto, seguro que no tengo tiempo, pero si lo puedo intentar, ¿cómo no voy a mirarlo? No sé, chulo. Fijaros, este problema tiene muchas consecuencias; por ejemplo, una de las consecuencias es que no sabemos cuál es el tamaño del núcleo de un átomo de helio 3 o de helio 4, porque para calcular esos tamaños necesitamos utilizar estos niveles energéticos y como estos niveles energéticos tenemos dos valores, el valor experimental y el valor teórico, tenemos dos tamaños para el radio del núcleo del helio 3 y del helio 4, el que da usar el valor teórico o el que da usar el valor experimental. Y así son cosas que son curiosas y bueno yo quería eso porque salió en physics la nota de uno de los expertos en la parte teórica que era Aaron Pondy que también ha publicado recientemente estos artículos de estimación de los niveles de átomos, de niveles de Riesberg y lo que plantean es eso que los…