Cuántico

En física , cuanto (palabra latina que significa "cuánto" y cuyo plural se escribe " cuantos ") representa la medida indivisible más pequeña , ya sea de energía , momento o masa . Esta noción es fundamental para la teoría cuántica , que dio origen a la mecánica cuántica .

Descripción

La teoría cuántica, o teoría cuántica, afirma que la energía radiante es discontinua. Los cuantos son entonces las cantidades mínimas, los "granos" que componen esta energía. Su valor es h . ν , donde:

h es la constante de Planck ,
ν es la frecuencia de la onda .

Por lo tanto, podemos determinar fácilmente la energía contenida en un fotón multiplicando su frecuencia (deducida de su longitud de onda ya que su velocidad es constante) por h .

El valor de h es bajo: 6,626 × 10 −34 J s .

Y , es decir, el cociente es siempre un múltiplo de h . ${\ frac {E} {\ nu}} = n \ veces h$ ${\ frac {E} {\ nu}}$

Historia

Física clásica

En la física clásica se consideraba que los pasos de un estado a otro se realizaban de forma continua o, dicho de otro modo, de forma gradual. Por ejemplo, los intercambios de energía o los cambios de velocidad siempre podrían ser menores, en la física clásica, que cualquier valor. Esto significa que un cambio de estado podría ser de una cantidad infinitamente pequeña; este paradigma también ha generado históricamente, en matemáticas, el cálculo infinitesimal .

Así, John Rayleigh afirmó en 1900 que la potencia irradiada por un cuerpo calentado es proporcional a su temperatura absoluta e inversamente proporcional al cuadrado de la longitud de onda del color reflejado, lo que ilustra la idea de cambio continuo. Sin embargo, las mediciones han demostrado que su teoría solo es cierta para longitudes de onda que van desde el infrarrojo al verde. Desde el azul, el experimento estaba en contradicción con estos valores teóricos. Paul Ehrenfest llamó a este error la " catástrofe ultravioleta ".

En efecto fotoeléctrico también entraron las observaciones experimentales que contradicen la teoría de la física. De hecho, los valores experimentales del intervalo de tiempo necesario para la expulsión de los electrones fueron marcadamente inferiores a los predichos por los cálculos de la mecánica clásica basados en una luz de naturaleza ondulatoria y por tanto de espectro energético continuo.

Aparición de cuantos

La théorie des quanta vient bouleverser cette idée de continuité cette même année 1900 : Étudiant le rayonnement des corps noirs, Max Planck proposa que les vibrations issues de la chaleur d'un corps se répartissent suivant une loi déterminée, régie par la constante h qui porte su nombre. Estaba, como los demás físicos, desestabilizado por su teoría: cualquier modificación se hacía según una cantidad mínima por debajo de la cual es imposible descender. En otras palabras, cualquier modificación se realiza mediante salto.

Max Planck intentó durante mucho tiempo mantener su resultado suprimiendo los cuantos, solo para darse por vencido y admitirlos. Nació la teoría cuántica. Fue el punto de partida de la mecánica cuántica , una de las dos grandes teorías físicas del XX ° siglo . Esto provocó la aparición de una nueva física que contradecía muchos conceptos de la física clásica y que se denominó física cuántica .

Dualidad onda / corpúsculo

De hecho, esta interpretación cuántica de la luz introdujo una dualidad ondulatoria y corpuscular de esta última. Además, en su tesis de 1924, Louis de Broglie generalizó a cualquier dualidad de partículas: vinculó el cuanto a la longitud de onda de la mecánica ondulatoria . Este fue validado para el electrón por la experiencia de Davisson-Germer en 1927. Una parte importante de la obra de finales del XIX ° siglo y principios del XX ° siglo se dedicaron al estudio, la comprensión y el establecimiento de esta dualidad .

La mecánica cuántica, que recurre en particular a la función de onda y, por lo tanto, introduce un componente probabilístico a esta mecánica, fue iniciada por Satyendranath Bose , Louis de Broglie, Paul Dirac , Albert Einstein , Enrico Fermi , Max Born , Richard Feynman , Werner Heisenberg , Wolfgang Pauli y Erwin Schrödinger .

Electrodinámica cuántica

Richard Feynman y Julian Schwinger desarrollaron posteriormente la electrodinámica cuántica relativista , una teoría que considera que la interacción electromagnética entre partículas cargadas se produce mediante el intercambio de fotones ; por extensión, la interacción gravitacional se realizaría mediante el intercambio de gravitones y las interacciones débiles y fuertes por intermedio de bosones . Para describir la interacción de partículas elementales, fue necesario desarrollar otra teoría llamada teoría cuántica de campos .

Aplicación en electrónica

En electrónica , el cuanto es el voltaje analógico del valor digital más pequeño en un convertidor de digital a analógico (DAC), es decir, un 1 lógico. Por lo tanto, es la diferencia de voltaje que hay entre un valor digital y el siguiente valor digital, a la salida de un convertidor analógico / digital (ADC). O es la variación más pequeña de voltaje analógico que puede detectar un sistema / instrumento de medición.

La definición del cuanto varía ligeramente según la conversión (analógica a digital o viceversa ).
CAN ⇒ con el voltaje de escala completa , y n es el número de bits. CNA ⇒ con el voltaje de escala completa yn el número de bits. ${\ Displaystyle q = {\ frac {V_ {ref}} {2 ^ {n}}}}$ ${\ Displaystyle V_ {ref}}$
${\ Displaystyle q = {\ frac {V_ {ref}} {2 ^ {n} -1}}}$ ${\ Displaystyle V_ {ref}}$

Cuando la resolución del convertidor de digital a analógico (DAC) se vuelve grande, el término "-1" se encuentra descuidado y terminamos con una ecuación de la misma forma que para el convertidor de analógico a digital (ADC):

${\ Displaystyle q = {\ frac {V_ {ref}} {2 ^ {n}}}}$

El voltaje de escala completa es el rango de conversión completo, es decir, el rango de variación de la entrada, se puede considerar que este es teórico. El voltaje de referencia es exactamente el mismo que el voltaje de escala completa, pero esta vez este voltaje es útil. La diferencia entre el valor teórico y práctico se refleja en el error de ganancia. Al producir 2 convertidores en la misma oblea , las variaciones del proceso generan características diferentes. Por lo tanto, es responsabilidad del fabricante probar y proporcionar los voltajes de referencia de los distintos convertidores en su hoja de datos .

Para los circuitos digitales actual este rango de conversión es generalmente 0 - 5 V . Sin embargo, tenga en cuenta que en microelectrónica, el rango de conversión puede caer fácilmente a 0 - 1,2 V (caída en la tensión de alimentación y, por lo tanto, caída en el consumo).

Ejemplo

Las siguientes secuencias binarias en bits, entonces en teoría - De analógico a digital tenemos: $n = 4$ ${\ Displaystyle V_ {PE} = 8V}$ ${\ Displaystyle V_ {ref} = 8V}$

0 0 0 0 si Ua < 500 mV 0 0 0 1 si 500 mV < Ua < 1 000 mV 1 1 1 1 si 7 500 mV < Ua < 8 000 mV
Ainsi le quantum q = 500 mV (on augmente de 500 mV en analogique pour 0 0 0 1 en numérique)

- De digital a analógico tenemos:

0 0 0 0 = 0 mV 0 0 0 1 = 500 mV ( = q ) 0 0 1 0 = 1 000 mV ( = 2q ) 1 1 1 1 = 7 500 mV ( = 15q )

Etimología

Quantum es una forma latina correspondiente a lo que en física designauna cantidad indivisible ( cuantos en plural);
Quantus , adjetivo que significa "cuánto" en el modo interrogativo y exclamatorio ( cuantos en el singular femenino o en el plural neutro).

Citemos algunas palabras derivadas de "cuantos":

cuantificación
cuántica (lógica, teoría, número, formalismo, partícula, probabilidad)
cuantificar
cuantificador

Notas y referencias

La ortografía correcta [PDF] recomienda "cuántica".
Guía del técnico en electrónica - Edición técnica Hachette - Edición 2007 ( página 233 ).