TEMA 2. Orígenes de la teoría cuántica del átomo. PDF

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TEMA 2. ORÍGENES DE LA TEORÍA CUÁNTIA DEL ÁTOMO. 1. INTRODUCCIÓN A principios del siglo XX muchos científicos hicieron que se desarrollaran las teorías atómicas investigando dos campos: 1º Campo: Estudio de la naturaleza eléctrica de la materia. Llevó a descubrir las partículas atómicas. 2º Campo: Interacción de la materia con la energía. Llevó a conocer la disposición de las partículas atómicas del átomo. El conocimiento de esto, hoy día nos ayuda a conocer el comportamiento químico y físico de los elementos. 2. NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA: EXPERIMENTOS DE THOMSON Y MILLIKAN. A principios del siglo XX se pensaba que el átomo era indivisible, que era la unidad de materia más pequeña existente, pero Thomson y Millikan fueron demostrando la existencia de partículas más pequeñas dentro del átomo gracias a sus experimentos, las conocidas como partículas elementales. 

Experimento de Thomson. El descubrimiento del electrón (1908)

Conocido como Experimento de los rayos catódicos. Consistía en aplicar un voltaje a un tubo de vidrio sellado que contenía un gas en su interior, y recoger en un detector lo que ocurría tras la aplicación de este voltaje y se dedujo que se formaban unos rayos (rayos catódicos) que debían ser partículas cargadas negativamente porque partían el cátodo (parte negativa) y viajaban hacia el ánodo (parte positiva). Además, se observó que, en presencia de campos eléctricos y magnéticos, se comportaban como partículas negativas. Thomson estudió con detalle estas partículas y las llamó electrones y determinó que la relación entre su carga y su masa era siempre la misma independientemente de la sustancia que hubiese dentro del tubo.

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Experimento de Millikan (1909)

Pudo determinar la carga del electrón mediante el experimento de la gota de aceite.  Consiste en atomizar/pulverizar pequeñas gotas de aceite que van caer por gravedad entre las placas de un condensador cargadas eléctricamente. La placa positiva se encuentra en la parte superior, y la negativa en la inferior. Mediante radiación/rayos X, se les confiere una carga negativa a estas partículas de manera que cuando están cargadas negativamente descienden a menos velocidad ya que se sienten atraídas por la placa positiva. Existe un voltaje para el cual las partículas negativas quedan suspendidas ya que se iguala la fuerza eléctrica con la fuerza gravitatoria.

Conociendo la masa de la partícula y el voltaje aplicado en este caso, se puede calcular su carga. Todas las cargas que se aplicaron eran múltiplos de un mismo número por lo que se dedujo que es la carga negativa más pequeña que existía siendo este valor e= 1.60 · 10-19 c. Este valor se asignó como la carga del electrón.

3. PARTÍCULAS FUNDAMENTALES: ELECTRONES PROTONES Y NEUTRONES. Pasados 80 años, Goldstein en 1886, repitiendo el experimento de Thomson de los rayos catódicos, observó que, de manera simultánea a la corriente de electrones, había una corriente de partículas en sentido contrario, que si se acercaban al polo negativo se debía a que eran partículas positivas; a estas partículas las llamó protones y se les asignó la misma carga que al electrón, pero positiva. También se dedujo la masa el protón. En 1932, Chadwick mediante experimentos de energía nuclear consiguió descubrir la tercera atómica, el neutrón que no está cargado y presenta una masa muy parecida a la del protón.

Un átomo se representa hoy en día por su símbolo, X de manera general, y por dos números, A y Z, que son los siguientes: 

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Número atómico Z: siempre es igual al número de protones del átomo y además coincide con el número de electrones de siempre y cuando el átomo sea neutro. Número Másico A: Siempre es igual a la suma del número de protones y neutrones de un átomo. Si conocemos A y Z, el número de neutrones se calcula como A-Z.

Existen átomos que tienen el mismo número atómico (Z), pero diferente número másico (A), estos se denominan isótopos.

4. MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD Thomson predijo que el átomo era una esfera cargada positivamente, además afirmó que los electrones estaban incrustados al azar en esta esfera, este es el conocido modelo del pudin de pasas. Pero posteriormente, Rutherford descubrió mediante el experimento de la lámina de oro, cómo estaban distribuidos los electrones. El experimento consistía en bombardear una lámina de oro con partículas α (He2+), muy densas capaces de atravesarla. Si hubiese sido cierto el modelo de Thomson, las partículas α no se desviarían de su trayectoria al atravesar la lámina. Sin embargo, observó que: 1. 2. 3. 4.

Algunas partículas positivas no se desviaban. Otras se desviaban ligeramente Otras o bien desviaban mucho su trayectoria. Otras llegaban a rebotar.

Por lo tanto, Rutherford propuso que los átomos tienen un núcleo pequeño y denso cargado positivamente ubicado en el centro del átomo, rodeado de una región mucho mayor y menos densa donde se localizan los electrones.

5. NATURALEZA DUAL DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Las leyes de Newton de la física clásica no sirven para explicar el movimiento de partículas tan pequeñas (electrones), entonces aparece una nueva disciplina, la mecánica cuántica o física cuántica, que se refiere a la interacción entre la luz y la materia. Esta disciplina sí que nos permite explicar cómo se mueven los electrones alrededor del núcleo. Para entender la mecánica cuántica debemos entender lo que son los espectros de emisión atómica, y para ello vamos a recordar lo que es una onda. Onda: es una perturbación que transmite energía a través de un medio, que se puede definir por varios parámetros. +La longitud: es la distancia entre dos máximos contiguos de la onda (se suele medir en nanómetros) +La frecuencia: número de máximos/crestas, que pasan por un punto dado por unidad de tiempo. +La amplitud: Es la distancia vertical que existe entre la línea media de la onda y el máxima. *Luz: es una onda electromagnética porque tiene dos compones, un componente del campo eléctrico y un componente del campo electromagnético (se propagan a la vez). Ambos se propagan de forma perpendicular y tienen la misma frecuencia y longitud de onda. La velocidad de propagación de una onda siempre se va a calcular como el producto de la longitud de onda por la frecuencia y en el caso de la luz tiene un valor de 3 · 108 (en el vacío).

Max Plank (1900) revolucionó la física diciendo que la energía, al igual que la materia era discontinua, es decir, que un sistema no puede tener cualquier valor de energía si no que la energía de un sistema siempre va a estar cuantizada o lo que es lo mismo que siempre va a ser múltiplo de un número más pequeño. Este número más pequeño es lo que se denomina fotón o cuanto. Planck propuso que la energía de un fotón o de un cuanto de una radiación electromagnética o de una onda en general, es igual h (constante de Planck (6.62 10-34 Js)) por la frecuencia de la onda. E = hv.

6. ESPECTRO ATÓMICOS La aplicación más importante de la física cuántica fue interpretar los espectros atómicos de los elementos. Cuando se suministra energía a un elemento, este elemento emite una radiación, que se puede registrar y esto es lo que se conoce como un espectro (serie de bandas). En estos espectros no se observa una radiación continua de energía, sino una serie de bandas o de líneas concretas para cada elemento a longitudes de onda concretas. El espectro más sencillo es el del átomo de hidrógeno y es el que sirvió para poder entender la disposición y el movimiento de los electrones alrededor del núcleo. Lo descubrió Rydberg. 7. MODELO ATÓMICO DE BOHR Rutherford se aventuró a decir que los electrones se movían alrededor del núcleo. Según la física clásica, si los electrones giran alrededor del núcleo, irían perdiendo energía, y al ir perdiendo energía cada vez se acercarían más al núcleo, en espiral, y se precipitarían sobre él, esta es la razón por la que física cuántica no podía demostrar el movimiento de los electrones alrededor del núcleo. Bohr en el año 1912, resolvió este problema basándose en la física cuántica. El modelo atómico de Bohr se basa en los siguientes postulados: 1. El electrón se mueve en órbitas según la física clásica, de la misma forma que los planetas giran alrededor del sol. 2. Pero estas orbitas son estacionarias, es decir, en este movimiento los electrones no emiten energía. 3. Sólo están permitidas órbitas en las que n es un número entero, siendo n un número entero que nos determina la energía de cada órbita, no puede ser cualquiera h. 4. El electrón, puede pasar de una órbita a otra emitiendo o absorbiendo energía. Cuando el electrón, pasa a órbitas mayores (mayores n), necesita que le suministremos energía (se tiene que excitar), y si el electrón pasa de una órbita superior a una órbita inferior, desprende energía. Estas transmisiones electrónicas permitidas entre las órbitas son las diferentes líneas que se observan en los espectros atómicos. En función de los niveles y electrones se van a producir una serie de órbitas. Limitaciones del modelo de Bohr. -

No supo explicar el espectro de los átomos polielectrónicos. No supo explicar el efecto de los campos magnéticos sobre los espectros de emisión.

8. NATURALEZA DUAL DE LA MATERIA: HIPÓTESIS DE BROGLIE. Este físico francés en el año 1924 dijo que si las ondas luminosas/radiación electromagnética, estaba cuantizada o lo que es lo mismo se comportaban como una corriente de partículas (fotones), a lo mejor de las partículas, en concreto los electrones, se pueden comportar como una onda y pueden tener propiedades ondulatorias, esto es lo que se llama onda-corpúsculo.

Broglie, estableció una hipótesis de que el electrón del átomo de hidrógeno cuando giraba alrededor del núcleo, no lo hacía mediante un movimiento circular, sino mediante un movimiento ondulatorio. Esa onda, debe tener una longitud de onda que se ajuste exactamente a la circunferencia de la órbita. Los físicos demostraron que esto era cierto. La longitud de una onda se puede calcular como:

Más adelante Thomson Jr (demostró que el electrón es una onda), demostró que un haz de electrones se puede difractar cuando atraviesa una sustancia cristalina al igual que lo hace la radiación X. 9. PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE La física cuántica tiene la dificultad de que no puede hacer predicciones precisas y todo es muy difuso, entonces, aunque ya conocemos que el electrón se mueve alrededor del núcleo mediante un movimiento ondulatorio, Heisenberg junto a Bohr estableció (esto se mantiene hoy día) que no es posible medir con precisión y de forma simultánea la posición del electrón y su momento lineal/ cantidad de movimiento....