La física cuántica es de las teorías más abstractas y poco intuitivas a las que se enfrenta el alumnado (y cualquier persona).

Como indica Benigno González Gonzáles, profesor de Física y Química del IES El Palmar (Murcia) en su artículo “La mejora del proceso enseñanza-aprendizaje en el aula de ciencias a través de la gestión del aula”, cuando el alumno se encuentra frente a un nuevo concepto teórico y abstracto, la construcción del modelo que facilite la comprensión puede no resultar fácil. El proceso de construcción, en este caso, se facilita ofreciendo un modelo confeccionado que denominamos analogía. Más tarde, a medida que el alumno va adquiriendo un mayor conocimiento del concepto, este modelo inicial es sustituido por otros modelos más próximos al significado del concepto, Por tanto, la analogía puede considerarse como un recurso didáctico que se puede utilizar en el proceso de enseñanza-aprendizaje de las Ciencias y que tiene la finalidad de ayudar a los alumnos a crear modelos mentales iniciales que van a ser la base de futuros aprendizajes.

La comparación relaciona, por tanto, dos situaciones. Relaciona una situación familiar al alumno con otra nueva o desconocida. La familiaridad facilita la correlación de la información y, también, la elaboración de modelos mentales más comprensibles, y contribuye de esta manera a un aprendizaje menos memorístico y más significativo. Estas comparaciones actúan como puentes que permiten relacionar el conocimiento previo de los alumnos y el nuevo conocimiento a aprender. Es decir, las comparaciones facilitan la conexión entre el conocimiento adquirido previamente y lo que se pretende aprender.

Este modelo de comprensión es el objetivo de la analogía. Puede considerarse como un recurso didáctico útil para aplicar en los procesos de enseñanza-aprendizaje. Facilita la visualización de los conceptos teóricos abstractos, facilita el recuerdo de la información y su contextualización y favorece una disposición positiva hacia el aprendizaje. Permite construir el conocimiento y desarrollar el pensamiento creativo. Contribuye a que los alumnos tengan un aprendizaje significativo. Puede considerarse como un recurso didáctico útil para aplicar en los procesos de enseñanza-aprendizaje. Facilita la visualización de los conceptos teóricos abstractos, facilita el recuerdo de la información y su contextualización y favorece una disposición positiva hacia el aprendizaje. Permite construir el conocimiento y desarrollar el pensamiento creativo. Contribuye a que los alumnos tengan un aprendizaje significativo.

Aún así, existe controversia en el uso de analogía y fue esta discrepacia la que traté la semana pasada en «¿Podemos prescindir de las analogías cuando hablamos de ciencia«?  Las analogías pueden tener errores y seguro que hay un momento en que fallan. Pero yo soy de la filosofía que defiende eltamiz.com: «antes simplista que incomprensible», sobre todo si hablamos de educación básica.

Antes un pequeño repaso.

Números cuánticos.

Una de las cosas que se enseña en física cuántica son los números cuántico: n, l, ml y s. Los tres primeros corresponden a los orbitales atómicos y el último (s), se denomina número cuántico de espín y corresponde a una propiedad de las partículas, en este caso del electrón.

Cada uno de ellos tiene un significado diferente:

• El número cuántico principal n indica la distancia entre el núcleo y el electrón, medida en niveles energéticos, pero la distancia media en unidades de longitud también crece monótonamente con n. Los valores de este número, que corresponde al número del nivel energético, varían entre 1 e infinito, mas sólo se conocen átomos que tengan hasta 7 niveles energéticos en su estado fundamental.

• El número cuántico del momento angular o azimutal (l = 0,1,2,3,4,5,…,n-1), indica la forma de los orbitales y el subnivel de energía en el que se encuentra el electrón. Pueden tener distinta geometría.

• El número cuántico magnético (m o ml), Indica la orientación espacial del subnivel de energía, «(m = -l,…,0,…,l)». Para cada valor de l hay 2l+1 valores de m.

Gráficamente los podemos representar de la siguiente forma (imágenes extraídas de http://www.eis.uva.es/~qgintro/atom/tutorial-11.html):

Analogías de los orbitales n, l y ml.

Para acercar los conceptos de estos número cuánticos podemos usar la siguiente analogía extraída del artículo “La mejora del proceso enseñanza-aprendizaje en el aula de ciencias a través de la gestión del aula” de Benigno González Gonzáles.

Analogía para el número cuántico de espín.

El espín es una propiedad de las partículas al igual que son la masa y la carga eléctrica. Es un concepto difícil de entender, tan sólo decir que está relacionado con el aspecto que presenta una partícula al ser observada en diferentes direcciones. El espín del electrón toma valores de 1/2 y -1/2. El signo indica el sentido del giro. Para entender qué significa 1/2 y -1/2 podemos usar la siguiente analogía extraída del libro «El Universo en una cáscara de nuez» de Stephen Hawking.

Analogías cotidianas para los números cuánticos.

Si observamos el as de picas. Sólo presenta le mismo aspecto si le damos una vuelta completa, es decir, de 360º. Se dice, así, que tiene espín 1.

En cambio, la reina de corazones tiene dos cabezas y por tanto ya tiene el mismo aspecto si se le hace dar media vuelta. Se dice que tiene espín 2.

Análogamente, podríamos imaginar objetos con espín 3 o superior, que tendrían el mismo aspecto bajo fracciones cada vez menores.

Cuanto mayor es el espín, menor es la fracción de vuelta completa que debe girarse la partícula para que presente el mismo aspecto.

Lo más notable es que hay partículas que sólo tienen el mismo aspecto si se les hace dar dos vueltas completas. Se dice que tales partículas tienen espín 1/2. Este es el caso del electrón.

Podemos ver un ejemplo en la siguiente imagen.