Teoría cuántica y estructura atómica
El átomo y sus
partículas sub atómicas
El átomo y sus partículas sub
atómicas.- el átomo es la partícula mas pequeña de un elemento químico .Con el desarrollo de
la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en
partículas más pequeñas.
Estructura
El átomo se compone de un
núcleo de carga positiva formado por protones y neutrones, son conocidos como
nucleones, alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga
negativa.
Partículas subatómicas
Partículas subatómicas
Es una partícula más
pequeña que el átomo, y existen tres partículas dentro de un átomo ; como son
el protón, neutrón y electrón. A continuación explicaremos cada una de estas
partículas:
El Protón
Es una partícula subatómica con carga eléctrica positiva algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse
El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos. Límite inferior en su vida media de unos 1035 años
Los protones se componen de dos quarks arriba y un quark abajo.
El Neutrón
Es una partícula sin carga eléctrica. Fuera del núcleo atómico es inestable y tiene una vida media de unos 15 minutos El neutrón es necesario para la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos la única excepción es el hidrógeno
Un neutrón es un barión neutro formado por dos quarks abajo y un quark arriba
El Electrón
En el átomo los electrones rodean el núcleo .Los electrones tienen una masa pequeña respecto al protón, y su movimiento genera corriente eléctrica
Estas partículas definen las atracciones con otros átomos.
Es una partícula subatómica con carga eléctrica positiva algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse
El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos. Límite inferior en su vida media de unos 1035 años
Los protones se componen de dos quarks arriba y un quark abajo.
El Neutrón
Es una partícula sin carga eléctrica. Fuera del núcleo atómico es inestable y tiene una vida media de unos 15 minutos El neutrón es necesario para la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos la única excepción es el hidrógeno
Un neutrón es un barión neutro formado por dos quarks abajo y un quark arriba
El Electrón
En el átomo los electrones rodean el núcleo .Los electrones tienen una masa pequeña respecto al protón, y su movimiento genera corriente eléctrica
Estas partículas definen las atracciones con otros átomos.
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 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.
Los rayos anódicos, también conocidos con el nombre de canales o positivos, son haces de rayos positivos construidos por cationes atómicos o moleculares que se desplazan hacia el electrodo negativo en un tubo de Crookes.
Los rayos anódicos, también conocidos con el nombre de canales o positivos, son haces de rayos positivos construidos por cationes atómicos o moleculares que se desplazan hacia el electrodo negativo en un tubo de Crookes.
LA
RADIACTIVIDAD O RADIOACTIVIDAD
La radiactividad
es un fenómeno químico-físico por el cual algunos cuerpos o elementos químicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones
que tienden a ionizar
gases, suelen producir fluorescencia,
atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, Debido a su capacidad, se les denomina radiaciones ionizantes .Las radiaciones emitidas
pueden ser electromagnéticas en forma de rayos X
o de rayos gamma, corpusculares, como núcleos de helio,
electrones o positrones, los protones
es un fenómeno en los núcleos de ciertos elementos, inestables son capaces de
transformarse, o decaer, espontáneamente, en núcleos atómicos de otros
elementos más estables. La radiactividad ioniza
el medio que atraviesa, En las desintegraciones radiactivas se pueden tener
varios tipos de radiación: alfa,
beta, gamma
y neutrones.
La radiactividad de los isótopos
que son "inestables", están en un estado excitado
en capas electrónicas o nucleares, y
para alcanzar su estado fundamental, deben perder energía
electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética.los electrones son
emitiendo por rayos X. los nucleones
por rayos gamma isótopo (al emitir desde el núcleo electrones,
positrones,
neutrones,
protones
o partículas más pesadas), un isótopo pesado puede terminar convirtiéndose más
ligero, como lo fue el uranio
que, con el transcurrir de los siglos, La radiactividad se aprovecha para la
obtención de energía nuclear, se usa en medicina (radioterapia
y radiodiagnóstico).
BASE EXPERIMENTAL DE LA TEORÍA CUANTICA
Número Atómico.- Número de electrones que es igual a su
número de protones del elemento.
Número de Masa.- Es la suma de protones y neutrones que
contiene el núcleo.
Isótopo.- Es el elemento que tiene igual número atómico
que otro con distinto número de neutrones y por lo tanto diferente número de
masa.
Masa Atómica.- Es la suma promedio de los isótopos que
existen en la naturaleza comparado con el carbono 12 (C¹²). Es la suma promedio
de los isótopos.
Masa Formula.- Es la suma de la masa atómica de todos los
átomos presentes en la formula.
Masa Molecular.- La suma de las masas atómicas de todos
los átomos que forman una molécula y se expresa en U. M. A..
Negro de Carbono ó Negro de Humo.- producto del carbono
derivado del petróleo y se asemeja a lo que es el cuerpo negro. Ejemplo: Las
llantas de los carros.
CARACTERÍSTICAS DEL ATOMO
Son las unidades más pequeñas de un
elemento químico. La palabra “átomo” se empleaba para referirse a la
parte de materia más pequeña que podía concebirse. Esa “partícula
fundamental”, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en
griego “no divisible”. Los químicos se dieron cuenta muy pronto de que todos
los líquidos, gases y sólidos se pueden descomponer en sus constituyentes
últimos, o elementos. La curiosidad acerca del tamaño y masa del
átomo atrajo a cientos de científicos durante un largo periodo en el que la
falta de instrumentos y técnicas apropiadas impidió obtener respuestas
satisfactorias. Posteriormente se diseñaron numerosos experimentos ingeniosos
para determinar el tamaño y masa de los diferentes átomos. El átomo más ligero,
es el de hidrógeno, tiene un diámetro de aproximadamente 10-10 m
(0,0000000001 m) y una masa alrededor de 1,7 × 10-27 kg. Un átomo es
tan pequeño que una sola gota de agua contiene más de mil trillones de átomos.
BASE EXPERIMENTAL DE LA TEORÍA CUÁNTICA APLICADA A LA
ESTRUCTURA ATÓMICA
¿Cómo pueden encontrarse los electrones en los átomos de
forma que absorban y emitan energía como cuantos?. Para resolver esta pregunta,
Bohr sugirió que los electrones deben hallarse en órbitas de cierto tamaño,
moviéndose a cierta velocidad. Entonces, los electrones deben tener cierta
energía. Si el electrón absorbe energía, se moverá en un orbital de mayor
energía y más alejada del núcleo. Si pierde energía, el electrón se moverá en
otra órbita más cercana al núcleo. La teoría cuántica indujo la idea de que los
electrones en las orbitas, tienen una cantidad de energía (se dice que los
electrones se encuentran en ciertos niveles de energía). Bohr aplico estas
ideas al átomo de hidrógeno y calculo matemáticamente cual seria la frecuencia
de la radiación emitida por el hidrógeno, desafortunadamente, esa teoría no
funciono también con elementos cuyos átomos son más complejos que los del
hidrógeno. Como resultado del trabajo teórico y experimental, se ha llegado a
desarrollar una representación de la estructura atómica, que explica en forma
satisfactoria los fenómenos químicos. Más que describir al electrón como si se
encontrase en un orbital perfectamente definido, la nueva teoría cuántica sugiere
que existen en regiones que se conocen como capas. Cada capa tiene la capacidad
para contener a mas de un electrón, aun cuando existe un limite superior,
dependiendo de la capa que sé este considerando. A diferencia de la orbita, una
capa tiene una ubicación menos definida alrededor del núcleo.
TEORIA ONDULATORIA DE LA LUZ
Propugnada por Christian Huygens en el año 1678, describe
las 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 el hecho
paradójico que se daba en la teoría corpuscular de que la suma de dos fuentes
luminosas producían 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
(v): 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.
La
velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda están relacionadas
por las siguientes ecuaciones:
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.
RADIACION DEL CUERPO NEGRO Y TEORIA DE PLACK
RADIACION:
El término radiación se refiere a la emisión continua de energía desde la
superficie de cualquier cuerpo, esta energía se denomina radiante y es
transportada por las ondas electromagnéticas que viajan en el vacío a la
velocidad de 3·108 m/s . Las ondas de radio, las
Radiaciones infrarrojas, la luz visible, la luz
ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma, constituyen las distintas regiones
del espectro electromagnético.
PROPIEDADES
DE LA SUPERFICIE DE UN CUERPO
Sobre la superficie de un cuerpo incide constantemente
energía radiante, tanto desde el interior como desde el exterior, la que incide
desde el exterior procede de los objetos que rodean al cuerpo. Cuando la
energía radiante incide sobre la superficie una parte se refleja y la otra
parte se transmite. Si la energía radiante que incide desde el exterior
sobre la superficie del cuerpo. Si la superficie es lisa y pulimentada, como la
de un espejo, la mayor parte de la energía incidente se refleja, el resto
atraviesa la superficie del cuerpo y es absorbido por sus átomos o moléculas.
Si r es la proporción de energía radiante que se refleja, y a
la proporción que se absorbe, se debe de cumplir que r+a=1.
La misma proporción r de la energía radiante que
incide desde el interior se refleja hacia dentro, y se transmite la proporción a=1-r
que se propaga hacia afuera y se denomina por tanto, energía radiante emitida
por la superficie.
EL CUERPO
NEGRO
La
superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía
incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el
interior es emitida.
No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el
negro de humo refleja el 1% de la energía incidente
Sin
embargo, un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximación por una
cavidad con una pequeña abertura. La energía radiante incidente a través de la
abertura, es absorbida por las paredes en múltiples reflexiones y solamente una
mínima proporción escapa (se refleja) a través de la abertura. Podemos por
tanto decir, que toda la energía incidente es absorbida.
PROPIEDADES
DEL CUERPO NEGRO
Consideremos una cavidad cuyas paredes están a una cierta
temperatura. Los átomos que componen las paredes están emitiendo radiación
electromagnética y al mismo tiempo absorben la radiación emitida por otros
átomos de las paredes. Cuando la radiación encerrada dentro de la cavidad
alcanza el equilibrio con los átomos de las paredes, la cantidad de energía que
emiten los átomos en la unidad de tiempo es igual a la que absorben. En
consecuencia, la densidad de energía del campo electromagnético existente en la
cavidad es constante.
A cada frecuencia corresponde una densidad de
energía que depende solamente de la temperatura de las paredes y es
independiente del material del que están hechas.
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Si se abre un pequeño agujero en el recipiente,
parte de la radiación se escapa y se puede analizar. El agujero se ve muy
brillante cuando el cuerpo está a alta temperatura, y se ve completamente
negro a bajas temperaturas.
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Históricamente, el nacimiento de la Mecánica
Cuántica, se sitúa en el momento en el que Max Planck explica el mecanismo que
hace que los átomos radiantes produzcan la distribución de energía observada.
Max Planck sugirió en 1900 que
La radiación dentro de la cavidad está en
equilibrio con los átomos de las paredes que se comportan como osciladores
armónicos de frecuencia dada f .
Cada oscilador puede absorber o emitir energía de
la radiación en una cantidad proporcional a f. Cuando un oscilador
absorbe o emite radiación electromagnética, su energía aumenta o disminuye en
una cantidad hf.
La segunda hipótesis de Planck, establece que la
energía de los osciladores está cuantizada. La energía de un oscilador de
frecuencia f sólo puede tener ciertos valores que son 0, hf,
2hf ,3hf....nhf.
La distribución espectral de radiación es continua
y tiene un máximo dependiente de la temperatura. La distribución espectral se
puede expresar en términos de la longitud de onda o de la frecuencia de la
radiación.
dEf /df es
la densidad de energía por unidad de frecuencia para la frecuencia f de
la radiación contenida en una cavidad a la temperatura absoluta T. Su
unidad es (J·m-3)·s.
Donde k es la constante de Boltzmann cuyo
valor es k=1.3805·10-23 J/K.
de
/d es
la densidad de energía por unidad de longitud de onda para la longitud de onda de la radiación contenida en una cavidad a la
temperatura absoluta T. Su unidad es (J·m-3)·m-1.
TEORIA DE
MAX PLANCK
Max Karl Ernst Ludwig Planck nació el 23 abril de 1858,
en Kiel, Schleswig-Holstein, Alemania y falleció el 4 de octubre de 1947, en
Göttingen.
En 1900 Planck formuló que la energía se radia en
unidades pequeñas separadas denominadas cuantos.
Avanzando en el desarrollo de esta teoría, descubrió una
constante de naturaleza universal que se conoce como la constante de Planck. La
ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia
de la radiación multiplicada por la constante universal. Sus descubrimientos,
sin embargo, no invalidaron la teoría de que la radiación se propagaba por
ondas. Los físicos en la actualidad creen que la radiación electromagnética
combina las propiedades de las ondas y de las partículas. Los descubrimientos
de Planck fueron el nacimiento de un campo nuevo , conocido como mecánica
cuántica y proporcionaron los cimientos para la investigación en campos como el
de la energía atómica.
El propio Planck nunca avanzó una interpretación
significativa de sus quantums. En 1905 Einstein, basándose en el trabajo de
Planck, publicó su teoría sobre el fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico.
Dados los cálculos de Planck, Einstein demostró que las partículas cargadas
absorbían y emitían energías en cuantos finitos que eran proporcionales a la
frecuencia de la luz o radiación. En 1930, los principios cuánticos formarían
los fundamentos de la nueva física.
EFECTO FOTO ELECTRICO
El efecto fotoeléctrico.-
consiste en la emisión de electrones por un metal o fibra de carbono, luz
visible o ultravioleta, en general. Se dividen en:
Fotoconductividad:
Es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos
provocados por la luz,(descubierta por Willougb, Smith. Siglo XlX.
Efecto fotovoltaico: Trasformación
parcial de la energía luminosa en energía eléctrica, descubierta por Charles
fritts en 1884.
El Efecto Fotoeléctrico: Fue descubierto y escrito por
Heinrrich hertz 1887, al observar que el
arco que salta entre 2 electrodos conectados a la alta tención.
El Efecto Fotoeléctrico: Es lo opuesto a los
rayos x, ya que el efecto foto eléctrico indica que los fotones luminosos
pueden trasferir energía a los electrones.
integrantes que trabajaron:
ROSENDO OLVERA GOMEZ
EDGAR YAIR MORALES PEREZ
HUGO HERNANDEZ AGATON
JOSE LUIS LOREDO RDZ
JARED CASTILLO
VICTOR ALANIZ
OMAR SANTIAGO CORTEZ
