Unidad 1 Teoría Cuántica y estructura Atómica
1.1 El átomo y sus partículas subatómicas El átomo es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Está compuesto por un núcleo atómico, en el que se concentra casi toda su masa, rodeado de una nube de electrones. El núcleo está formado por protones, por protones, con carga positiva, y neutrones, eléctricamente neutros. Los electrones, cargados negativamente, permanecen ligados a este mediante la fuerza electromagnética. Los átomos se clasifican de acuerdo al número de protones y neutrones que contenga su núcleo. El número de protones o número atómico determina su elemento químico, y el número de neutrones determina su isótopo. Un átomo con el mismo número de protones que de electrones es eléctricamente neutro. Si por el contrario posee un exceso de protones o de electrones, su carga neta es positiva o negativa, y se denomina ion. El nombre «átomo» proviene del latín «atomum», y este del griego «ἄτομον», «sin partes»; también, se deriva de «a» (no) y «tomo» (divisible); no divisible .1 El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo fue postulado por la escuela atomista en la antigua Grecia. Sin embargo, su existencia no quedó demostrada hasta el siglo XIX. Con el desarrollo de la física nuclear en nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas. Los átomos son objetos muy pequeños con masas igualmente minúsculas: su diámetro y masa son del orden de la billonésima parte de un metro y cuatrillonésima parte de un gramo. Solo pueden ser observados mediante instrumentos especiales tales como un microscopio de efecto túnel. Más de un 99,94% de la masa del átomo está concentrada en su núcleo, en general repartida de manera aproximadamente equitativa entre protones y neutrones. El núcleo de un átomo puede ser inestable y sufrir una transmutación mediante desintegración radioactiva. Los electrones en la nube del átomo están repartidos en distintos niveles de energía u orbitales, y determinan las propiedades químicas del mismo. Las transiciones entre los distintos niveles dan lugar a la emisión o absorción de radiación electromagnética en forma defotones, defotones, y son la base de la espectroscopia. *Partículas subatómicas A pesar de que átomo significa ‗indivisible‘, en realidad está formado por varias partículas subatómicas. El átomo contiene protones, neutrones y electrones, con la excepción del hidrógeno-1, que no contiene neutrones, y del ion hidronio, que no contiene electrones. Los protones y neutrones del átomo se denominan nucleones, por formar parte del núcleo atómico.
El electrón es la partícula más ligera de cuantas componen el átomo, con una masa de 9,11 · 10 −31 kg. Tiene una carga car ga eléctrica eléctric a negativa, cuya magnitud magnit ud se define como la carga eléctrica elemental, y se ignora si posee subestructura, por lo que se lo considera una partícula elemental. Los protones tienen una masa de 1,67 · 10 −27 kg, 1836 veces la del electrón, y una carga positiva opuesta a la de este. Los neutrones tienen un masa de 1,69 · 10 −27 kg, 1839 veces la del electrón, y no poseen carga eléctrica. Las masas de ambos nucleones son ligeramente inferiores dentro del núcleo, debido a la energía potencial del mismo; y sus tamaños son similares, con un radio del orden de 8 · 10-16 m o 0,8 femtómetros (fm).4 (fm).4
El protón y el neutrón no son partículas elementales, sino que constituyen un estado ligado de quarks u y d, partículas fundamentales recogidas en el modelo estándar de estándar de la física de partículas, con cargas eléctricas iguales a +2/3 y −1/3 respectivamente, respecto de la carga elemental. Un protón contiene dos quarks y un quark ,mientras ,mientras que el neutrón contiene dos d y un u, en consonancia con la carga de ambos. Los quarks se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear fuerte, mediada por gluones —del mismo modo que la fuerza electromagnética está mediada por fotones —. Además de estas, existen otras partículas subatómicas en el modelo estándar: más tipos de quarks, leptones cargados (similares al electrón), etc.
1.1.1 Rayos Catódicos y anódicos Los rayos anódicos, también conocidos con el nombre de canales o positivos, son haces de rayos positivos construidos por cationes por cationes atómicos o moleculares que se desplazan hacia elelectrodo e lelectrodo negativo en un tubo de Crookes. Estos rayos fueron observados por vez primera por el físico alemán Eugen Goldstein, en el año 1886. Además, el trabajo realizado por científicos como Wilhelm Wien y Joseph John Thomson sobre los rayos anódicos, acabaría desembocando en la aparición de la espectrometría de masas. Estos rayos anódicos se forman cuando los electrones van desde el cátodo (-) al ánodo (+), y chocan contra los átomos del gas encerrado en el tubo. Como las partículas del mismo signo se repelen, estos electrones que van hacia el ánodo arrancan los electrones de la corteza de los átomos del gas, el átomo se queda positivo, al formarse un ion positivo, éstos se precipitan hacia el cátodo que los atrae con su carga negativa. Propiedades y efectos de los rayos • •
•
Su carga es positiva e igual o múltiplo entero de la del electrón. La masa y la carga de las partículas que constituyen los rayos canales varía según la naturaleza del gas encerrado en el tubo y, generalmente, aquella es igual a la masa atómica de dicho elemento gaseoso. Son desviados por campos por campos eléctricos y magnéticos, desplazándose hacia la parte negativa del campo. Rayos catódicos
Los rayos catódicos son corrientes de electrones observados en tubos de vacío, es decir los tubos de cristal que se equipan por lo menos con dos electrodos, un cátodo (electrodo negativo) y un ánodo (electrodo positivo) en una configuración conocida como diodo. Cuando se calienta el cátodo, emite una cierta radiación que viaja hacia el ánodo. Si las paredes internas de vidrio detrás del ánodo están cubiertas con un material fluorescente, brillan intensamente. Una capa de metal colocada entre los electrodos proyecta una sombra en la capa fluorescente. Esto significa que la causa de la emisión de luz son los rayos emitidos por el cátodo al golpear la capa fluorescente. Los rayos viajan hacia el ánodo en línea recta, y continúan más allá de él durante una cierta distancia. Este fenómeno fue estudiado por los físicos a finales del siglo XIX, otorgándose un premio Nobel a Philipp von Lenard. Los rayos catódicos primeramente fueron producidos por
El protón y el neutrón no son partículas elementales, sino que constituyen un estado ligado de quarks u y d, partículas fundamentales recogidas en el modelo estándar de estándar de la física de partículas, con cargas eléctricas iguales a +2/3 y −1/3 respectivamente, respecto de la carga elemental. Un protón contiene dos quarks y un quark ,mientras ,mientras que el neutrón contiene dos d y un u, en consonancia con la carga de ambos. Los quarks se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear fuerte, mediada por gluones —del mismo modo que la fuerza electromagnética está mediada por fotones —. Además de estas, existen otras partículas subatómicas en el modelo estándar: más tipos de quarks, leptones cargados (similares al electrón), etc.
1.1.1 Rayos Catódicos y anódicos Los rayos anódicos, también conocidos con el nombre de canales o positivos, son haces de rayos positivos construidos por cationes por cationes atómicos o moleculares que se desplazan hacia elelectrodo e lelectrodo negativo en un tubo de Crookes. Estos rayos fueron observados por vez primera por el físico alemán Eugen Goldstein, en el año 1886. Además, el trabajo realizado por científicos como Wilhelm Wien y Joseph John Thomson sobre los rayos anódicos, acabaría desembocando en la aparición de la espectrometría de masas. Estos rayos anódicos se forman cuando los electrones van desde el cátodo (-) al ánodo (+), y chocan contra los átomos del gas encerrado en el tubo. Como las partículas del mismo signo se repelen, estos electrones que van hacia el ánodo arrancan los electrones de la corteza de los átomos del gas, el átomo se queda positivo, al formarse un ion positivo, éstos se precipitan hacia el cátodo que los atrae con su carga negativa. Propiedades y efectos de los rayos • •
•
Su carga es positiva e igual o múltiplo entero de la del electrón. La masa y la carga de las partículas que constituyen los rayos canales varía según la naturaleza del gas encerrado en el tubo y, generalmente, aquella es igual a la masa atómica de dicho elemento gaseoso. Son desviados por campos por campos eléctricos y magnéticos, desplazándose hacia la parte negativa del campo. Rayos catódicos
Los rayos catódicos son corrientes de electrones observados en tubos de vacío, es decir los tubos de cristal que se equipan por lo menos con dos electrodos, un cátodo (electrodo negativo) y un ánodo (electrodo positivo) en una configuración conocida como diodo. Cuando se calienta el cátodo, emite una cierta radiación que viaja hacia el ánodo. Si las paredes internas de vidrio detrás del ánodo están cubiertas con un material fluorescente, brillan intensamente. Una capa de metal colocada entre los electrodos proyecta una sombra en la capa fluorescente. Esto significa que la causa de la emisión de luz son los rayos emitidos por el cátodo al golpear la capa fluorescente. Los rayos viajan hacia el ánodo en línea recta, y continúan más allá de él durante una cierta distancia. Este fenómeno fue estudiado por los físicos a finales del siglo XIX, otorgándose un premio Nobel a Philipp von Lenard. Los rayos catódicos primeramente fueron producidos por
los tubos de Geissler. Los tubos especiales fueron desarrollados para el estudio de estos rayos por William por William Crookes y se los llamó tubos de Crookes. Pronto se vio que los rayos catódicos están formados por los portadores reales de la electricidad que ahora se conocen como electrones. El hecho de que los rayos son emitidos por el cátodo, es decir el electrodo negativo, demostró que los electrones tienen carga negativa. Los rayos catódicos se propagan en línea recta en ausencia de influencias externas e independientemente de dónde se sitúe el ánodo, pero son desviados por los campos eléctricos o magnéticos (que pueden ser producidos colocando los electrodos de alto voltaje o imanes fuera del tubo de vacío - esto explica el efecto de los imanes en una pantalla de TV). El refinamiento de esta idea es el tubo de rayos catódicos (CRT), también conocido como tubo de Crookes (porque fue inventado el 1875 por William por William Crookes). Crookes). El CRT es la clave en los televisores, los osciloscopios, y las cámaras de televisión vidicon.
1.2 Base experimental de la teoría cuántica 1.2.1 Teoría ondulatoria de la luz
Describe y explica lo que hoy se considera como leyes de reflexión y refracción. Define a la luz como un movimiento ondulatorio semejante al que se produce con el sonido. Los físicos de la época consideraban que todas las ondas requerían de algún medio que las transportara en el vacío, así que para las ondas lumínicas se postula como medio a una materia insustancial e invisible a la cual se le llamó ―éter‖. La presencia del éter fue muy
cuestionado, ya que existe una contradicción en cuanto a la presencia del éter como medio de transporte de ondas, ya que se requeriría que éste reuniera alguna característica sólida pero que a su vez no opusiera resistencia al libre tránsito de los cuerpos sólidos. En aquella época, la teoría de Huygens no fue muy considerada, y tuvo que pasar más de un siglo para que fuera tomada en cuenta la esta teoría. Los experimentos del médico inglés Thomas Young sobre los fenómenos de interferencias luminosas, y los del físico francés Auguste Jean Fresnel sobre la difracción fueron decisivos para que ello ocurriera y se colocara en la tabla de estudios de los físicos sobre la luz, la propuesta realizada por Huygens. Young demostró experimentalmente el hecho paradójico que se daba en la teoría corpuscular de que la suma de dos fuentes luminosas pueden producir menos luminosidad que por separado. En una pantalla negra practica dos minúsculos agujeros muy próximos entre sí: al acercar la pantalla al ojo, la luz de un pequeño y distante foco aparece en forma de anillos alternativamente brillantes y oscuros. ¿Cómo explicar el efecto de ambos agujeros que por separado darían un campo iluminado, y combinados producen sombra en ciertas zonas? Young logra explicar que la alternancia de las franjas por la imagen de las ondas acuáticas. Si las ondas suman sus crestas hallándose en concordancia de fase, la vibración resultante será intensa. Por el contrario, si la cresta de una onda coincide con el valle de la otra, la vibración resultante será nula.
Para poder describir una onda electromagnética podemos utilizar los parámetros habituales de cualquier onda: • • • • •
Amplitud (A): Es la longitud máxima respecto a la posición de equilibrio que alcanza la onda en su desplazamiento. Periodo (T): Es el tiempo necesario para el paso de dos máximos o mínimos sucesivos por un punto fijo en el espacio. Frecuencia (f): Número de de oscilaciones del campo por unidad de tiempo. Es una cantidad inversa al periodo. Longitud de onda (λ): Es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas. Velocidad de propagación (V): Es la distancia que recorre la onda en una unidad de tiempo. En el caso de la velocidad de propagación de la luz en el vacío, se representa con la letra c. Algunos de los fenómenos más importantes de la luz se comprenden fácilmente si se considera que tiene un comportamiento ondulatorio. Un fenómeno de la luz identificable con su naturaleza ondulatoria es la polarización. La luz no polarizada está compuesta por ondas que vibran en todos los ángulos, al llegar a un medio polarizador, sólo las ondas que vibran en un ángulo determinado consiguen atravesar el medio, al poner otro polarizador a continuación, si el ángulo que deja pasar el medio coincide con el ángulo de vibración de la onda, la luz pasará íntegra, si no sólo una parte pasará hasta llegar a un ángulo de 90º entre los dos polarizadores, donde no pasará nada de luz.
Este efecto, además, permite demostrar el carácter transversal de la luz (sus ondas vibran en dirección perpendicular a la dirección de propagación).
1.2.2 CUERPO NEGRO Y TEORÍA DE PLANCK El físico alemán Max Karl Ernst Ludwig Planck en 1900, dice que la interacción entre la materia y la radiación, no se verifica de manera continua, sino por pequeñas pulsadas llamados cuantos (radiaciones electromagnéticas emitidas en unidades discretas de energía), como resultado de los estudios de la radiación del cuerpo negro (cuerpo o
superficie ideal, que absorbe toda la energía radiante sin reflejar ninguna). Planck diseño una fórmula matemática que describiera las curvas reales con exactitud, para demostrar que no todas las formas de radiación electromagnética estaban constituidas por ondas, después, dedujo una hipótesis física que pudiera explicar la fórmula. Su hipótesis fue que la energía sólo es radiada en cuantos cuya energía es hð, donde ð es la frecuencia de la radiación y h es el `cuanto de acción', ahora conocido como constante de Planck. Según Planck, la energía de un ―cuanto de luz‖ (fotón), es igual a la frecuencia de la luz
multiplicada por una constante. La primera medida fiable de la constante de Planck (1916) se debió al físico estadounidense Robert Millikan. El valor actualmente aceptado es h = 6,626 × 10-34 julios·segundo. ECUACIÓN DE PLANCK E " f La energía es directamente proporcional a al frecuencia.
1.2.3. EFECTO FOTOELÉCTRICO Formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. Esto sucede cuando se agrega suficiente energía para vencer las fuerzas de atracción que existen en las superficies del metal y se emiten electrones por la acción de los rayos ultravioleta ó de los rayos X produciéndose otro efecto de luz relacionado con la electricidad. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, elfotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico (experimento en 1887 del el efecto fotoeléctrico externo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace más intensa, en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor). Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. El término efecto fotoeléctrico también puede referirse a otros tres procesos: la fotoionización, la fotoconducción y el efecto fotovoltaico. La fotoionización es la ionización de un gas por la luz u otra radiación electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía para separar uno o más electrones externos de los átomos de gas. En la fotoconducción, los electrones de materiales cristalinos absorben energía de los fotones y llegan así a la gama de niveles de energía en la que pueden desplazarse libremente y conducir electricidad. En el efecto fotovoltaico, los fotones crean pares electrón-hueco en materiales semiconductores.
1.2.4. ESPECTROS DE EMISIÓN Cuando la energía se introduce calentando el elemento a una temperatura elevada, por radiación o por energía eléctrica, los átomos absorben energía. Cuando la fuente de energía se elimina, los átomos emiten la energía que absorbieron. En algunos casos, la emisión ocurre mientras la fuente de energía todavía se encuentra presente, como en el caso de la luz emitida cuando se aplica un voltaje elevado a electrodos de carbón, produciendo un arco eléctrico. Una forma familiar de esta radiación es la luz, que emite un elemento que se conoce como espectro. El instrumento que se utiliza en espectroscopia,
llamado espectroscopio, separa la luz en sus longitudes de onda componentes. Entonces, las diferentes longitudes de onda se enfocan como líneas sobre una pantalla o película. Se ha establecido, que cada elemento absorbe y emite, únicamente ciertas longitudes de onda. Un ejemplo familiar de emisión de color particular o longitud de onda de luz es la luz rojiza del neón. *SERIES ESPECTRALES
Bohr obtuvo una fórmula general para la radiación emitida por el átomo de hidrógeno, que no sólo proporcionaba las longitudes de onda de las líneas de Balmer, sino que predecía correctamente otras series de líneas que se observaron posteriormente en la zona ultravioleta e infrarroja del espectro del hidrógeno.
Modelo Atomico de Dalton El modelo atómico de Dalton surgido en el contexto de la química, fue el primer modelo atómico con bases científicas, formulado en 1808 por John Dalton. El siguiente modelo fue el modelo atómico de Thompson. El modelo permitió explicar por primera vez por qué las sustancias químicas reaccionaban en proporciones estequiométricas fijas (Ley de las proporciones múltiples), y por qué cuando dos sustancias reaccionan para formar dos o más compuestos diferentes, entonces las proporciones de estas relaciones son números enteros. Por ejemplo 14 g de carbono (C), pueden reaccionar con 16 g de oxígeno (O 2) para formar monóxido de carbono (CO) o pueden reaccionar con 32 g de oxígeno para formar [[dióxido de carbono [CO2]](CO 2). Además el modelo aclaraba que aún existiendo una gran variedad de sustancias diferentes, estas podían ser explicadas en términos de una cantidad más bien pequeña de constituyentes elementales o elementos. En esencia, el modelo explicaba la mayor parte de la química orgánica del siglo XIX, reduciendo una serie de hechos complejos a una teoría combinatoria realmente simple.
Modelo Atomico de Thompson El modelo atómico de Thompson, es una teoría sobre la estructura atómica propuesta en 1904 por Joseph John Thompson, quien descubrió el electrón1 en 1897, mucho antes del descubrimiento del protón y del neutrón. En dicho modelo, el átomo está compuesto por electrones de carga negativa en un átomo positivo, como un pudín de pasas.2 Se pensaba que los electrones se distribuían uniformemente alrededor del átomo. En otras ocasiones, en lugar de una nube de carga negativa se postulaba con una nube de carga positiva.
Modelo Atomico de Rutherford El modelo atómico de Rutherford es un modelo atómico o teoría sobre la estructura interna del átomo propuesto por el químico y físico británico-neozelandés Ernest Rutherford para explicar los resultados de su"experimento de la lámina de oro", realizado en 1911. El modelo de Rutherford fue el primer modelo atómico que consideró al átomo formado por dos partes: la "corteza", constituida por todos sus electrones, girando a gran velocidad
alrededor de un "núcleo", muy pequeño, que concentra toda la carga eléctrica positiva y casi toda la masa del átomo. Rutherford llegó a la conclusión de que la masa del átomo se concentraba en una región pequeña de cargas positivas que impedian el paso de las partículas alfa. Sugirió un nuevo modelo en el cual el átomo poseía un núcleo o centro en el cual se concentra la masa y la carga positiva, y que en la zona extranuclear se encuentran los electrones de carga negativa.
1.3Teoria Atomica de Bohr Bohr tomo conocimientos de el experimento de thompson, de la teoria cuantica, de la radiacion electromagnetica de planck y ademas de el experimento de rutherford Bhor propuso un modelo atomico que le permitio calcular la posicion de los rayos en el espectro del atomo de hidrogeno. Su modelo fue muy util para explicar las propiedades fisicas y quimicas de los elementos. Los 5 postulados de bohr afirman que 1ª El electron se mueve en carga positiva en el nucleo en una orbita circular de energia constante 2ª Las unicas orbitas permitidas en que el electron tiene un momento angular igual a nXnr en donde "n" es el numero entero ( numero cuantico) y "nr" es igual a radio de las orbitas. 3ª Los electrones en los atomos ocupan niveles discretos 4ª Los electrones pueden alcanzar niveles de energia mas altos por la absorcion de cantidades fijas de energia 5ª Los electrones que caen a niveles mas bajos de energia emiten cantidades fijas de energia. Los diversos niveles los diversos niveles encontrados por bohr se designan actualmente con las letras n=1,n=2, hasta n=7. El trabajo de bohr puede considerarse como el inicio basico en la busqueda de la informacion como relacionado con el comportamiento de los electrones en los atomos y tambien se le atribuye la distribucion de los electrones en los atomos k=2,L=8, M=18, N=32,O=18,P=8,Q=2 El trabajo de Bohr, giró sobre el modelo nuclear del átomo de Rutherford, en el que el átomo se ve como un núcleo compacto rodeado por un enjambre de electrones más ligeros. El modelo de Bohr establece que un átomo emite radiación electromagnética sólo cuando un electrón del átomo salta de un nivel cuántico a otro (átomo excitado). Niels Bohr impulso los conceptos de:
Los electrones se encuentran en capas y que los de la última capa determinan las propiedades químicas de un átomo. Los electrones giran alrededor del núcleo en estado físico y de determinada energía, por lo cual, al desplazarse a través de una órbita, no emiten ni absorben energía. Un electrón puede saltar de un nivel de energía a otro, siempre y cuando absorba o desprenda la energía necesaria.
1.4. Teoría cuántica La teoría cuántica, es una 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.
1.4.1. Principio de dualidad y postulado de Broglie . El físico francés Louis de Broglie en 1924, considero, que la luz no solo es un efecto corpuscular sino también ondulatorio. La dualidad onda-corpúsculo es la posesión de propiedades tanto ondulatorias como corpusculares por parte de los objetos subatómicos. La teoría de la dualidad de la materia considera que la materia tiene un comportamiento corpúsculo-onda ó partícula-onda. = longitud de onda h = constante de Planck m = masa del electrón v = velocidad de la partícula-onda 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 (Dualidad ondacorpúsculo).
1.4.2. PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG El físico alemán Werner Heisenberg en 1926, expreso que es imposible conocer con presión y simultáneamente la posición y velocidad del electrón, ya que al determinar la velocidad se altera el valor real de su posición.
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. Vamos a suponer que disponemos de un aparato que puede " ver " a los electrones. Para " ver " un electrón necesitamos iluminarlo con " luz ". No podemos usar luz ordinaria porque su longitud de ondas es muchísimas veces mayor que el electrón y este no es dispersaría o reflejaría. Tendremos entonces que usar " luz " de una longitud de ondas muy pequeñas, o lo que es lo mismo, fotones de energía muy alta que al ser dispersados por electrones nos proporcionan una imagen de él. Pero he aquí que al hacer incidir un fotón muy energético sobre el electrón estamos comunicados a este un momento lineal muy grande, que lo perturba demasiado y lo hace cambiar del estado en que se encontraba. Nos enfrentamos como la imposibilidad de observar al electrón sin perturbarlo. Podemos reducir la magnitud de la perturbación disminuyendo la energía de fotones, pero entonces la longitud de onda de esto se hace mayor y tendremos paquetes de ondas menos localizadas; esto disminuye la precisión con la que puede conocerse la posición del electrón. Recíprocamente, si queremos aumentar la precisión en la determinación de la posición del electrón, necesitamos más paquetes más <> (menores longitudes de ondas) lo cual implica fotones más energéticos y más perturbados para el electrón. Tenemos así que no podemos determinar simultáneamente la posición y la velocidad (o momento lineal) del electrón con precisión tan buena como queramos. Y no hay forma de vencer esta dificultad que la naturaleza nos presenta. Razonamientos como este llevaron a Heisenberg a enunciar su famoso principio " Si es la incertidumbre en la posición de una partícula y es la incertidumbre o error en la determinación de su momento lineal, entonces necesariamente: Si ; es decir, aumentar la precisión en el conocimiento de la posición aumenta la incertidumbre del momento o de la velocidad.
1.4.3. ECUACIÓN DE ONDA DE SCHRÖDINGER El físico austriaco Erwin Schrödinger en 1927, establece la relación entre la energía de un electrón y la distribución de este en el espacio de acuerdo con sus propiedades ondulatorias. Propuso una ecuación que no señala órbitas discretas, sino la onda asociada al electrón. Su ecuación es:
²ð²ð²ð²ð x² y² z² h² = Derivación parcial de la función de onda ð = (psi) Amplitud de la función de onda del electrón E = Energía total del sistema v = Energía potencial del sistema m = Masa del electrón h = Constante de Planck (x, y, z) = Coordenadas cartesianas Al resolver la ecuación de Schrödinger se encontró solución a los siguientes números cuánticos, con excepción del cuarto parámetro que fue agregado por Dirac: Núm. Cuánt. Principal ( n ).-Define el tamaño de la nube electrónica. Núm. Cuánt. Secundario ó azimutal ( ! ).-Determina la forma del órbital. Núm. Cuánt. Magnético ( m ).-Señala las orientaciones del órbital. Núm. Cuánt. Spin ( s ).- Indica el giro del electrón y la posición. Si ! = 0, n=1 su órbital es s, m es igual 0 y s es igual a +½, -½ con 2 e- como máximo. Si ! = 0,1, n=2 su órbital es p, es igual -1,0,+1 y s es igual a +½,-½ con 6 e- como máximo. Si ! = 0,1,2, n=3 su órbital es d, es igual -2,-1,0,1,2 y s es igual a +½,-½ con 10 e- como máximo. Si ! = 0,1,2,3, n=4 su órbital es f, es igual -3,-2,-1,0,1,2,3 y s es igual a +½,-½ con 14 ecomo máximo. Cuando n=5, 6,7 son los mismos orbítales que n=4.
1.4.5. Números cuánticos y orbitales atómicos. Los números cuánticos son unos números asociados a magnitudes físicas conservadas en ciertos sistemas cuánticos. Corresponden con los valores posibles de aquellos observables que conmutan con el Hamiltoniano del sistema. Los números cuánticos permiten caracterizar los estados estacionarios, es decir los estados propios del sistema. En física atómica, los números cuánticos son valores numéricos discretos que indican las características de los electrones en los átomos, esto está basado en la teoría atómica de Niels Bohr que es el modelo atómico más aceptado y utilizado en los últimos tiempos por su simplicidad. En física de partículas, también se emplea el término números cuánticos para designar a los posibles valores de ciertos observables o magnitud física que poseen un espectro o rango posible de valores discreto.
Un orbital atómico es una determinada función de onda, espacial e independiente del tiempo a la ecuación de Schrödinger para el caso de un electrón sometido a un potencial coulombiano. La elección de tres números cuánticos en la solución general señalan unívocamente a un estado monoelectrónico posible. Estos tres números cuánticos hacen referencia a la energía total del electrón, el momento angular orbital y la proyección del mismo sobre el eje z del sistema del laboratorio y se denotan por
El nombre de orbital también atiende a la función de onda en representación de posición independiente del tiempo de un electrón en una molécula. En este caso se utiliza el nombre orbital molecular. La combinación de todos los orbitales atómicos dan lugar a la corteza electrónica representado por el modelo de capas electrónico. Este último se ajusta a los elementos según la configuración electrónica correspondiente.
1.5. Distribución electrónica en sistemas polielectrónicos. 1.5.1.Principio de Aufbau o de construcción El principio de Aufbau contiene una serie de instrucciones relacionadas a la ubicación de electrones en los orbitales de unátomo. El modelo, formulado por el físico Niels Bohr, recibió el nombre de Aufbau (del alemán Aufbauprinzip: principio de construcción) en vez del nombre del científico. También se conoce popularmente con el nombre de regla del serrucho. Los orbitales se 'llenan' respetando la regla de Hund, que dice que ningún orbital puede tener dos orientaciones del giro del electrón sin antes de que los restantes números cuánticos magnéticos de la misma subcapa tengan al menos uno. Se comienza con el orbital de menor energía. Primero debe llenarse el orbital 1s (hasta un máximo de dos electrones), esto de acuerdo con el número cuántico l. Seguido se llena el orbital 2s (también con dos electrones como máximo). La subcapa 2p tiene tres orbitales degenerados en energía denominados, según su posición tridimensional, 2px, 2py, 2pz. Así, los tres orbitales 2p puede llenarse hasta con seis electrones, dos en cada uno. De nuevo, de acuerdo con la regla de Hund, deben tener todos por lo menos un electrón antes de que alguno llegue a tener dos. Y así, sucesivamente: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d107p6
El principio de exclusión de Pauli nos advierte, además, que ningún electrón en un átomo puede tener la misma combinación de números cuánticos como descripción de su estado energético con macromoleculas de hidrógeno, sin embargo se planteó que el átomo era una partícula que no existió.
1.5.2. Principio de exclusión de Pauli Esta regla establece que por cada espacio o tipo de orbital, puede contener únicamente 2 electrones, y con spin contrario. El par de electrones, tienen 3 números cuánticos iguales y difiere en el número cuántico de spin. Por ejemplo al distribuir los electrones por niveles, un mismo espacio de orbital tiene una flecha hacia arriba y hacia abajo .La representación se llama configuración electrónica desarrollada, donde cada flecha indica un electrón , (+1/2) y ¯ (-1/2).
1.5.3. PRINCIPIO DE MAXIMA MULTIPLICIDAD DE HUND Cuando se realiza el llenado electrónico primero se llena el orbital "s" y se continúa con el siguiente orbital del mismo nivel. Los electrones se acomodan de uno en uno hasta llenar todos los espacios de ese orbital , colocando el electrón con el mismo spin (flecha hacia arriba) y se regresa con el primer espacio colocando la flecha en sentido contrario para empezar a llenar en el mismo orden todos los espacios. En un mismo orbital pueden quedar espacios vacíos o espacios semillenos. Por ejemplo el Flúor con Z = 9 , acomoda sus nueve electrones entre el primer y el segundo nivel , eso se representa en una configuración condensada. 9F 1s2/2s22p5 En una representación de configuración desarrollada, desde el acomodo del primer electrón, hasta el electrón número nueve, el llenado se haría de la siguiente forma: 9F La regla de Hund es una regla empírica obtenida por Friedich Hund en el estudio de los aspectos atómicos que enuncia lo siguiente: Al llenar por lampara orbitales de igual energía. Los electrones se distribuyen, siempre que sea posible, con sus opiniones paralelas, es decir, que no se cruzan. La partícula mini atómica es más estable (tiene menos energía) cuando tiene electrones desapareados,
que cuando esos electrones están apareados. También se denomina asi a la regla de máxima multiplicidad de Hund: Cuando varios electrones estan descritos por orbitas degenerados, la mayor estabilidad energética es aquella en donde los spines electrónicos están separados. Para entender la regla de hund hay que saber que todas las orbitales en una subcapa deben estar ocupadas por lo menos por un electrón antes de que se asigne un segundo.
1.5.4. Configuración electrónica de los elementos y su ubicación en la clasificación periódica. Al referirnos a la configuración electrónica (o periódica) estamos hablando de la descripción de la ubicación de los electrones en los distintos niveles (con subniveles y orbitales) de un determinado átomo. Configurar significa "ordenar" o "acomodar", y electrónico deriva de "electrón"; así, configuración electrónica es la manera ordenada de repartir los electrones en los niveles y subniveles de energía. Científicamente, diremos que es la representación del modelo atómico de Schrödinger o modelo de la mecánica cuántica. En esta representación se indican los niveles, subniveles y los orbitales que ocupan los electrones. Debemos acotar que aunque el modelo de Schrödinger es exacto sólo para el átomo de hidrógeno, para otros átomos es aplicable el mismo modelo mediante aproximaciones muy buenas. Para comprender (visualizar o graficar) el mapa de configuración electrónica (o periódica) es necesario revisar los siguientes conceptos. Los Números Cuánticos En el contexto de la mecánica cuántica, en la descripción de un átomo se sustituye el concepto de órbita por el de orbital atómico. Un orbital atómico es la región del espacio alrededor del núcleo en el que la probabilidad de encontrar un electrón es máxima. La solución matemática de la ecuación de Schrödinger precisa de tres números cuánticos. Cada trío de valores de estos números describe un orbital. Número cuántico principal (n): puede tomar valores enteros (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) y coincide con el mismo número cuántico introducido por Bohr. Está relacionado con la distancia promedio del electrón al núcleo en un determinado orbital y, por tanto, con el tamaño de este e indica el nivel de energía. Número cuántico secundario (l): Los niveles de energía, identificados con el número cuántico principal (n), poseen subniveles, los cuales se asocian, además, a la forma del orbital, y son identificados por el número cuántico secundario (l). Entonces, los valores del número cuántico secundario dependen del número cuántico principal "n". Así, la cantidad de subniveles de energía que posea cada nivel principal está dada por la fórmula n – 1 (el valor del número cuántico principal menos uno). Este número cuántico secundario (l) nos indica en que subnivel se encuentra el electrón, y toma valores desde 0 hasta (n - 1), recordando que n es el valor del número cuántico principal. Así, para cada nivel n, el número cuántico secundario (l) será: l = 0, 1, 2, 3,…, n-1. Ejemplo:
Si n = 1 (n – 1 = 0), entonces l = 0 (en el nivel de energía 1 no hay subniveles de energía, y para efectos de comprensión se considera este nivel 1 como subnivel 0) Si n = 2 (n -1 = 1), entonces l = 0, 1. El nivel de energía 2 posee dos subniveles, identificados como 0 y 1 Si n = 3 (n – 1 = 2), entonces l = 0, 1, 2. El nivel de energía 3 posee tres subniveles, identificados como 0, 1 y 2 Si n = 4 (n – 1 = 3), entonces l = 0, 1, 2, 3. El nivel de energía 4 posee cuatro subnoiveles, identificados como 0, 1, 2 y 3 Si n = 5 (n – 1 = 4), entonces l = 0, 1, 2, 3, 4. El nivel de energía 5 posee cinco subnoveles, identificados como 0, 1, 2, 3 y 4 También para efectos de comprensión, la comunidad científica ha aceptado que los números que representan los subniveles (0, 1, 2, y 3) sean reemplazados por las letras s, p, d y f, respectivamente, para representar los distintos tipos de orbitales. Estas letras se optiene de la inicial de las palabras sharp (s), principal (p), difuso (d) y fundamental (f). Cada subnivel, a su vez, posee distinta cantidad de orbitales, lo cual veremos más adelante. Ahora, con respecto a la forma del orbital de estos subniveles, el número cuántico secundario (o azimutal) determina laexcentricidad de la órbita: cuanto mayor sea este número, más excéntrica será la órbita; es decir, será más aplanada la elipse que recorre el electrón. Así, en el nivel 1 (o capa K) el valor del nivel (identificado como subnivel 0) es cero (no hay excentricidad) y su órbita es circular. Cada vez que aumenta el valor del número cuántico secundario (o azimutal) aumenta la excentricidad de la órbita, como se demuestra en el siguiente gráfico: Número cuántico magnético (ml): puede tener todos los valores desde – l hasta + l pasando por cero. Describe la orientación espacial del orbital e indica el número de orbitales presentes en un subnivel determinado. Para explicar determinadas características de los espectros de emisión se consideró que los electrones podían girar en torno a un eje propio, bien en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario. Para caracterizar esta doble posibilidad se introdujo elnúmero cuántico de espín (ms) que toma los valores de + ½ o – ½.. Para entender el concepto de configuración electrónica es necesario asumir o aplicar dos principios importantes: • Principio de Incertidumbre de Heisenberg: ―Es imposible determinar simultáneamente la posición exacta y el momento exacto del electrón‖
.
• Principio de Exclusión de Pauli: ―Dos electrones del mismo átomo no pueden tener
los mismos números cuánticos idénticos y por lo tanto un orbital no puede tener más de dos electrones‖.
Tipos de configuración electrónica
Para graficar la configuración electrónica existen cuatro modalidades, con mayor o menor complejidad de comprensión, que son: Configuración estándar Se representa la configuración electrónica que se obtiene usando elcuadro de las diagonales (una de sus formas gráficas se muestra en la imagen de la derecha). Es importante recordar que los orbitales se van llenando en el orden en que aparecen, siguiendo esas diagonales, empezando siempre por el 1s. Aplicando el mencionado cuadro de las diagonales la configuración electrónica estándar, para cualquier átomo, es la siguiente: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6 Más adelante explicaremos cómo se llega este enjambre de números y letras que perturba inicialmente, pero que es de una simpleza sorprendente. Configuración condensada Los niveles que aparecen llenos en la configuración estándar se pueden representar con un gas noble (elemento del grupo VIII A,Tabla HYPERLINK "http://www.profesorenlinea.cl/Quimica/TablaPeriodica.htm" Periódica de los elementos) , donde el número atómico del gas coincida con el número de electrones que llenaron el último nivel. Los gases nobles son He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn. Configuración desarrollada Consiste en representar todos los electrones de un átomo empleando flechas para simbolizar el spin de cada uno. El llenado se realiza respetando el principio de exclusión de Pauli y la Regla de máxima multiplicidad de Hund. Configuración semidesarrollada Esta representación es una combinación entre la configuración condensada y la configuración desarrollada. En ella sólo se representan los electrones del último nivel de energía. Niveles de energía o capas Si repasamos o recordamos los diferentes modelos atómicos veremos que en esencia un átomo es parecido a un sistema planetario. El núcleo sería la estrella y los electrones serían los planetas que la circundan, girando eso sí (los electrones) en órbitas absolutamente no definidas, tanto que no se puede determinar ni el tiempo ni el lugar para ubicar un electrón (Principio de Incertidumbre de Heisenberg). Los electrones tienen, al girar, distintos niveles de energía según la órbita (en el átomo se llama capa o nivel) que ocupen, más cercana o más lejana del núcleo. Entre más alejada del núcleo, mayor nivel de energía en la órbita, por la tendencia a intercambiar o ceder electrones desde las capas más alejadas. Entendido el tema de las capas, y sabiendo que cada una de ellas representa un nivel de energía en el átomo, diremos que: 1. Existen 7 niveles de energía o capas donde pueden situarse los electrones para girar alrededor del núcleo, numerados del 1, el más interno o más cercano al núcleo (el que
tiene menor nivel de energía), al 7, el más externo o más alejado del núcleo (el que tiene mayor nivel de energía). Estos niveles de energía corresponden al número cuántico principal (n) y además de numerarlos de 1 a 7, también se usan letras para denominarlos, partiendo con la K. Así: K =1, L = 2, M = 3, N = 4, O = 5, P = 6, Q = 7. • A su vez, cada nivel de energía o capa tiene sus electrones repartidos en distintos subniveles, que pueden ser de cuatro tipos: s, p, d, f Para determinar la configuración electrónica de un elemento sólo hay que saber cuantos electrones debemos acomodar y distribuir en los subniveles empezando con los de menor energía e ir llenando hasta que todos los electrones estén ubicados donde les corresponde. Recordemos que partiendo desde el subnivel s, hacia p, d o f se aumenta el nivel de energía. 3. En cada subnivel hay un número determinado de orbitales que pueden contener, como máximo, 2 electrones cada uno. Así, hay 1 orbital tipo s, 3 orbitales p, 5 orbitales d y 7 del tipo f. De esta forma el número máximo de electrones que admite cada subnivel es: 2 en el s; 6 en el p (2 electrones x 3 orbitales); 10 en el d (2 x 5); 14 en el f (2 x 7).. La distribución de niveles, subniveles, orbitales y número de electrones posibles en ellos se resume, para las 4 primera capas, en la siguiente tabla: Insistiendo en el concepto inicial, repetimos que la configuración electrónica de un átomo es la distribución de sus electrones en los distintos niveles, subniveles y orbitales. Los electrones se van situando en los diferentes niveles y subniveles por orden de energía creciente (partiendo desde el más cercano al núcleo) hasta completarlos. Recordemos que alrededor del núcleo puede haber un máximo de siete capas atómicas o niveles de energía donde giran los electrones, y cada capa tiene un número limitado de ellos. La forma en que se completan los niveles, subniveles y orbitales está dada por la secuencia que se grafica en el esquema conocido como regla de las diagonales: Es importante saber cuantos electrones existen en el nivel más externo de un átomo pues son los que intervienen en los enlaces con otros átomos para formar compuestos. Regla de las diagonales Sirve para determinar el mapa de configuración electrónica (o periódica) de un elemento. En otras palabras, la secuencia de ocupación de los orbitales atómicos la podemos graficar usando la regla de la diagonal, para ello debemos seguir la flecha roja del esquema de la derecha, comenzando en 1s; siguiendo la flecha podremos ir completando los orbitales con los electrones en forma correcta. En una configuración estándar, y de acuerdo a la secuencia seguida en el grafico de las diagonales, el orden de construcción para la configuración electrónica (para cualquier elemento) es el siguiente: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6
Los valores que se encuentran como superíndices indican la cantidad máxima de electrones que puede haber en cada subnivel (colocando sólo dos en cada orbital de los subniveles). Ver: PSU: Química, Pregunta 03_2005 Pregunta 07_2006 La Tabla Periódica, punto de partida En la tabla periódica, entre los datos que encontramos de cada uno de los elementos se hallan elNúmero atómico y la Estructura electrónica o Distribución de electrones en niveles. El Número atómico nos indica la cantidad de electrones y de protones que tiene un elemento. La Estructura electrónica o Distribución de electrones en niveles indica cómo se distribuyen los electrones en los distintos niveles de energía de un átomo (lo que vimos más arriba con la regla de las diagonales). Pero, si no tengo la tabla periódica para saber cuantos electrones tengo en cada nivel, ¿cómo puedo hacer para averiguarlo? Ya vimo que la regla de las diagonales ofrece un medio sencillo para realizar dicho cálculo. Para escribir la configuración electrónica de un átomo es necesario: Saber el número de electrones que tiene el átomo; para ello basta conocer el número atómico (Z) del átomo en la tabla periódica. Recuerda que el número de electrones en un átomo neutro es igual al número atómico (Z). Ubicar los electrones en cada uno de los niveles de energía, comenzando desde el nivel más cercano al núcleo (nivel 1). Respetar la capacidad máxima de cada subnivel (s = 2e-, p = 6e-, d = 10e- y f = 14e-). Supongamos que tenemos que averiguar la Distribución electrónica en el elemento sodio, que como su número atómico indica tiene 11 electrones, los pasos son muy sencillos: debemos seguir las diagonales, como se representan más arriba. En el ejemplo del sodio sería: 1s2, como siguiendo la diagonal no tengo nada busco la siguiente diagonal y tengo 2s2, como siguiendo la diagonal no tengo nada busco la siguiente diagonal y tengo 2p6, siguiendo la diagonal tengo 3s2. Siempre debo ir sumando los superíndices, que me indican la cantidad de electrones. Si sumo los superíndices del ejemplo, obtengo 12, quiere decir que tengo un electrón de más, ya que mi suma para ser correcta debe dar 11, por lo que al final debería corregir para que me quedara 3s1. Por lo tanto, para el sodio (11 electrones), el resultado es: 1s2 2s2 2p6 3s1 Primer nivel: 2 electrones (los 2 en subnivel s, en un orbital); Segundo nivel: 8 electrones (2 en subnivel s, en un orbital, y 6 en subnivel p, con 2 en cada uno de sus 3 orbitales); tercer nivel: 1 electrón (ubicado en el subnivel s, en un orbital). ; En la tabla periódica podemos leer, respecto al sodio: 2 - 8 - 1
Otros ejemplos: El superíndice es el número de electrones de cada subnivel (recordando siempre que en cada orbital del subnivel caben solo dos electrones). El Número máximo de electrones por nivel es 2(n)2 (donde n es la cantidad de subniveles que tiene cada nivel). Hagamos un ejercicio: Supongamos que deseamos conocer la configuración electrónica de la plata, que tiene 47 electrones. Por lo ya aprendido, sabemos que el orden de energía de los orbitales es 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, etc. En cada subnivel s (que tienen sólo un orbital) cabrán dos electrones. En cada subnivel p (que tienen 3 orbitales) cabrán 6 electrones. En cada subnivel d (que tienen 5 orbitales) cabrán 10 electrones. En cada subnivel f (que tienen 7 orbitales) cabrán 14 electrones. Siguiendo esta regla debemos colocar los 47 electrones del átomo de plata, la cual debe quedar así:: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d9 donde sólo se han puesto 9 electrones en los orbitales d (que son cinco) de la capa cuarta para completar, sin pasarse, los 47 electrones de la plata.
1.5.5. Principios de radioactividad La radiactividad o radioactividad1 es un fenómeno químico-físico por el cual los núcleos de algunos elementos químicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas radiográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, entre otros. Debido a esa capacidad, se les suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas, en forma de rayos X o rayos gamma, o bien corpusculares, como pueden ser núcleos de helio, electrones o positrones, protones u otras. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos elementos, inestables, que son capaces de transformarse, o decaer, espontáneamente, en núcleos atómicos de otros elementos más estables. La radiactividad ioniza el medio que atraviesa. Una excepción lo constituye el neutrón, que no posee carga, pero ioniza la materia en forma indirecta. En las desintegraciones radiactivas se tienen varios tipos de radiación: alfa, beta, gamma y neutrones. La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables", es decir, que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que, para alcanzar su estado fundamental, deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética. Esto se produce variando la energía de sus electrones (emitiendo rayos X) o de
sus nucleones (rayo gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones,neutrones, protones o partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el uranio que, con el transcurrir de los siglos, acaba convirtiéndose en plomo. La radiactividad se aprovecha para la obtención de energía nuclear, se usa en medicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y densidades, entre otras). La radiactividad puede ser: • •
Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza. Artificial o inducida: manifestada por los radioisótopos producidos en transformaciones artificiales.
Actividad 2 Té rm in o s Té c nic o s PALABRA TECNICA
DEFINICION
Átomo
Es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Es la partícula elemental más ligera que componen
Electrón
Protón
el átomo, con una masa de 9,11 • 10−31 kg. Tiene
una carga eléctrica negativa, cuya magnitud se define como la carga eléctrica elemental. Los protones tienen una masa de 1,67 • 10−27 kg,
1836 veces la del electrón, y una carga positiva opuesta a la de este. Los neutrones tienen un masa de 1,69 • 10−27 kg,
Neutrón
1839 veces la del electrón, y no poseen carga eléctrica
Fotón
Es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible etc.
Espectroscopio
Un espectroscopio es un instrumento destinado a separar las diferentes componenetes de un espectro óptico. Está constituido por una rendija situada en el plano focal de un colimador un prisma o una red de difracción y un anteojo para observar el haz dispersado.
Estequiometria
Es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre los reactantes y productos en el transcurso de una reacción química.
Isotopo
Números cuánticos
Se denominan isótoposa los átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tienen una cantidad diferente de neutrones, y por lo tanto, difieren en masa atómica. La mayoría de los elementos químicos poseen más de un isótopo estable. son valores numéricos discretos que indican las características de los electrones en los átomos, esto está basado en la teoría atómica de Niels Bohr que es el modelo atómico más aceptado y utilizado en los últimos tiempos por su simplicidad.
Ion
Orbital
Núcleo
Un ion es un átomo o molécula en la que el número total de electrones no es igual al número total de protones , dando el átomo una neta positiva o negativa carga eléctrica . Los iones pueden ser creadas tanto por medios químicos y físicos. Los orbitales moleculares son los orbitales (funciones matemáticas) que describen el comportamiento ondulatorio que pueden tener los electrones en las moléculas. Estas funciones pueden usarse para calcular propiedades químicas y físicas tales como la probabilidad de encontrar un electrón en una región del espacio. El núcleo atómico es la parte central de un átomo, tiene carga positiva, y concentra más del 99,9% de la masa total del átomo. Está formado por protones y neutrones (denominados nucleones) que se mantienen unidos por medio de la interacción nuclear fuerte, la cual permite que el núcleo sea estable.
Actividad 3 Sín tes is d e un Tem a Base experimental de la teoría cuántica La luz se mueve en ondas al igual que el sonido, y por el hecho de ser onda también necesita de un medio para transportarse el cual fue llamado ―éter‖.
Este medio no fue muy bien recibido ya que se tenían dudas sobre este espacio ya que tenía que ser duro pero al mismo tiempo no debía de poner resistencia. Para reforzar la teoría de la luz llego el físico Max Planck quien dijo que la luz se media en pequeñas partes llamad os ―cuantos‖, inclusive Planck desarrollo una fórmula que describe las curvas reales con exactitud y así poder comprobar que no todas las formas de radiación estaban constituidas en ondas. El efecto fotoeléctrico se produce cuando partículas son irradiados con luz o con radiación electromagnética, esto suele pasar cuando se vencen las fuerzas de atracción que existen. El espectro de emisión no es otra cosa más que cuando se eleva la temperatura de un elemento ya sea por energía eléctrica o radiación, y cuando la energía se pierde, los átomos emiten la energía que absorbieron, funcionan como una batería recargable, además de que en algunos casos puede presentarse la emisión mientras la fuente de energía todavía este presente.
Actividad 4 Resumen 1.2 Base experimental de la teoría cuántica 1.2.1 Teoría ondulatoria de la luz Describe y explica lo que hoy se considera como leyes de reflexión y refracción. Define a la luz como un movimiento ondulatorio semejante al que se produce con el sonido. Los físicos de la época consideraban que todas las ondas requerían de algún medio que las transportara en el vacío, así que para las ondas lumínicas se postula como medio a una materia insustancial e invisible a la cual se le llamó ―éter‖. La presencia del éter fue muy cuestionada, ya que existe una contradicción en cuanto a la presencia del éter como medio de transporte de ondas, ya que se requeriría que éste reuniera alguna característica sólida pero que a su vez no opusiera resistencia al libre tránsito de los cuerpos sólidos.
1.2.2 CUERPO NEGRO Y TEORÍA DE PLANCK El físico alemán Max Karl Ernst Ludwig Planck en 1900, dice que la interacción entre la materia y la radiación, no se verifica de manera continua, sino por pequeñas pulsadas llamados cuantos (radiaciones electromagnéticas emitidas en unidades discretas de energía), como resultado de los estudios de la radiación del cuerpo negro (cuerpo o superficie ideal, que absorbe toda la energía radiante sin reflejar ninguna). Planck diseño una fórmula matemática que describiera las curvas reales con exactitud, para demostrar que no todas las formas de radiación electromagnética estaban constituidas por ondas, después, dedujo una hipótesis física que pudiera explicar la fórmula. Su hipótesis fue que la energía sólo es radiada en cuantos cuya energía es hð, donde ð es la frecuencia de la radiación y h es el `cuanto de acción', ahora conocido como constante de Planck. El valor actualmente aceptado es h = 6,626 × 10-34 julios/segundo.
1.2.3 EFECTO FOTOELÉCTRICO Formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. Esto sucede cuando se agrega suficiente energía para vencer las fuerzas de atracción que existen en las superficies del metal y se emiten electrones por la acción de los rayos ultravioleta ó de los rayos X produciéndose otro efecto de luz relacionado con la electricidad. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie.
1.2.4 ESPECTROS DE EMISIÓN Cuando la energía se introduce calentando el elemento a una temperatura elevada, por radiación o por energía eléctrica, los átomos absorben energía. Cuando la fuente de energía se elimina, los átomos emiten la energía que absorbieron. En algunos casos, la emisión ocurre mientras la fuente de energía todavía se encuentra presente, como en el caso de la luz emitida cuando se aplica un voltaje elevado a electrodos de carbón, produciendo un arco eléctrico. Una forma familiar de esta radiación es la luz, que emite un elemento que se conoce como espectro.
Tarea 105 Configuraciones Poli electrónicas
