El modelo atómico moderno El modelo de Bohr fue modificado por el aporte de las investigaciones posteriores. El modelo actual sostiene básicamente que los electrones no ocupan una órbita a distancia fija, sino que hay probabilidad de encontrarlos dentro de una determinada región del espacio que rodea al núcleo llamada orbital. Cuando se quiere caracterizar e identificar cada uno de los electrones de un átomo, el modelo atómico actual define los números cuánticos, que se representan con las letras n, l, m y s. Para entender mejor este modelo imaginemos que un átomo es como un edificio de departamentos muy especial. Este edificio está construido como una pirámide invertida, con más departamentos arriba que abajo. El electrón es en esta comparación, una persona que está en un departamento de este edificio. Para localizar un electrón en este edificio especial, primero hay que ubicarlo en un piso. Cada piso representa el número cuántico principal n. Este número es el que da idea de la cantidad de energía que tiene el electrón. Existen 7 pisos o 7 posibles valores de n: 1, 2, 3, ……… .. 7 Si n = 1 el electrón estará en el primer nivel de energía. Una vez que se ubica en qué piso está el electrón, hará falta conocer en qué departamento está, y esto depende del número de piso. Esta información se expresa como el número cuántico azimutal l. Este número depende del valor de n. Su valor es n-1, de tal modo que los valores de l son siempre aquellos comprendidos entre 0 y n-1. Por ejemplo: si n = 2, l puede tomar los valores 0 y 1, que son sus dos subniveles, como si en el segundo piso hubiera dos departamentos. A su vez, los valores de l determinan la forma del orbital de cada subnivel. En este caso, para l = 0 se tiene un orbital s; y para l =1, se tiene un orbital p. Es como si cada tipo de departamento tuviera un plano distinto. Para ilustrar esta comparación le presentamos esta figura:
Dualidad de la materia. Hipótesis de De Broglie En el año 1924 un joven aristócrata francés, el marqués Louis de Broglie (1892-1987) presentó un trabajo de Tesis Doctoral, titulada Recherches sur la théorie des quanta (Investigaciones sobre la teoría cuántica) por el que reclamaba el título de Doctor, y que estaba llena de ideas insólitas (solo después de la intercesión de Einstein, De Broglie obtuvo su título de Doctor, por el cual además obtuvo el Premio Nobel en 1929). De Broglie había comenzado su carrera científica como estudiante de historia medieval y solo después de servir como ingeniero de radio en la armada francesa se interesó por la ciencia y por la física teórica de la mano de su hermano también físico Murice De Broglie. Entre las ideas audaces encontradas en su Tesis Doctoral se encontraba la propuesta (hipótesis) de que el comportamiento dual característico que hasta entonces se había conocido para la radiación lumínica (luz) podía ser una característica esencial de la materia, en particular para los electrones. Hasta la fecha no había ninguna prueba experimental que pudiera corroborar esa idea tan especulativa, a la cual De Broglie fue llevada por un “penetrante intuición”, como “un rayo en el cielo”o como decía Einstein por un “pensamiento feliz” (del mismo que le llevó a él al principio de equivalencia).
El principio de incertidumbre de Heisenberg Establece que es imposible conocer, simultáneamente, la posición y el momento (masa-velocidad) de una partícula. Esto se resuelve a medida que la materia tiene mayor tamaño por la razón masa–velocidad que puede alcanzar. Por ejemplo, si una pelota de tenis es lanzada por un compañero dentro de una habitación, podrás determinar exactamente su posición y velocidad en un tiempo determinado. Sin embargo, si esta misma experiencia es
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realizada con la cabeza de un alfiler, la determinación de su posición y velocidad simultáneamente será una tarea bastante más compleja. Aplicando el principio de incertidumbre al átomo de hidrogeno, se puede evidenciar que el electrón no viaja en una trayectoria bien definida, como pensó Bohr. Si así fuera, se podrían determinar con precisión la posición del electrón (a partir del radio de la orbita) como su momentum (a partir de su velocidad) al mismo tiempo!!!, pero este fenómeno iría en contra del principio de Heisenberg. Teoría cuántica, teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que en 1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos. Otra contribución fundamental al desarrollo de la teoría fue el principio de incertidumbre, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica. Mecánica o ecuación ondulatoria El físico francés Louis Victor de Broglie sugirió en 1924 que, puesto que las ondas electromagnéticas muestran algunas características corpusculares, las partículas también deberían presentar en algunos casos propiedades ondulatorias. Esta predicción fue verificada experimentalmente pocos años después por los físicos estadounidenses Clinton Davisson y Lester Halbert Germer y el físico británico George Paget Thomson, quienes mostraron que un haz de electrones dispersado por un cristal da lugar a una figura de difracción característica de una onda. El concepto ondulatorio de las partículas llevó al físico austriaco Erwin Schrödinger a desarrollar una ‘ecuación de onda’ para describir las propiedades ondulatorias de una partícula y, más concretamente, el comportamiento ondulatorio del electrón en el átomo de hidrógeno.
Aunque esta ecuación diferencial era continua y proporcionaba soluciones para todos los puntos del espacio, las soluciones permitidas de la ecuación estaban restringidas por ciertas condiciones expresadas por ecuaciones matemáticas llamadas funciones propias o eigenfunciones (del alemán eigen, ‘propio’). Así, la ecuación de onda de Schrödinger sólo tenía determinadas soluciones discretas; estas soluciones eran expresiones matemáticas en las que los números cuánticos aparecían como parámetros (los números cuánticos son números enteros introducidos en la física de partículas para indicar las magnitudes de determinadas cantidades características de las partículas o sistemas). La ecuación de Schrödinger se resolvió para el átomo de hidrógeno y dio resultados que encajaban sustancialmente con la teoría cuántica anterior. Además, tenía solución para el átomo de helio, que la teoría anterior no había logrado explicar de forma adecuada, y también en este caso concordaba con los datos experimentales. Las soluciones de la ecuación de Schrödinger también indicaban que no podía haber dos electrones que tuvieran sus cuatro números cuánticos iguales, esto es, que estuvieran en el mismo estado energético. Esta regla, que ya había sido establecida empíricamente por Wolfgang Pauli en 1925, se conoce como principio de exclusión.
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El principio de incertidumbre Heisenberg La imposibilidad de determinar exactamente la posición de un electrón en un instante determinado fue analizada por Heisenberg, que en 1927 formuló el principio de incertidumbre. Este principio afirma que es imposible especificar con exactitud y al mismo tiempo la posición y el momento lineal de una partícula. En otras palabras, los físicos no pueden medir la posición de una partícula sin causar una perturbación en la velocidad de dicha partícula. Se dice que el conocimiento de la posición y de la velocidad son complementarios, es decir, que no pueden ser precisos al mismo tiempo. Este principio también es fundamental en la visión de la mecánica cuántica que suele aceptarse en la actualidad: los caracteres ondulatorio y corpuscular de la radiación electromagnética pueden interpretarse como dos propiedades complementarias de la radiación. SALTO CUANTICO. Un "salto cuántico" es bastante diferente a lo que llamamos "salto" en el mundo no cuántico. Cuando el electrón "salta" a una órbita superior no asciende hacia ella como lo haría un objeto lanzado hacia arriba, ya que según los postulados de Bohr el electrón no puede localizarse nunca a distancias del núcleo distintas a las órbitas permitidas. El electrón, en consecuencia, desaparece de la órbita de partida y aparece en la de llegada. Cuando "cae" el proceso es similar, aunque ahora la diferencia de energía entre las órbitas se emite en forma de luz. DUALIDAD DE LA MATERIA de Louis De Broglie “La materia al igual que la luz, presenta un carácter dual de onda y partícula”. PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE de Heisenberg, formula el principio de incertidumbre “Es imposible conocer con exactitud y al mismo tiempo, la velocidad y posición del electrón”. Uno de los aspectos más importantes de la mecánica cuántica es que no es posible determinar simultáneamente, de un modo preciso, la posición y la cantidad de movimiento de una partícula.
Ecuación de honda. Erwin Schrödinger propone una ecuación matemática que da al electrón el carácter de onda y de partícula simultáneamente, ya que incluye la masa del electrón y una expresión que puede considerarse la amplitud de la onda de dicha partícula. En cada punto del espacio existirá una probabilidad de que se encuentre el electrón, obteniéndose así lo que se denomina nube de probabilidad o densidad electrónica. En la teoría cuántica del átomo, un electrón no está limitado a una órbita, sino que es libre para moverse en las tres dimensiones, en una nube de probabilidad que tiene una determinada forma en el espacio.
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