Teoría Cuántica y Estructura Atómica

El Átomo y sus Partículas Subatómicas

La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos que son indivisibles y no se pueden destruir y que a su vez están constituidos por las llamadas partículas subatómicas.

Molécula:

es la parte más pequeña en que se puede dividir la materia sin que cambie sus propiedades, las cuales conserva hacia su nivel macroscópico.

Átomo:

es la parte más pequeña en que se pueden dividir una molécula y a partir de la cual esta adquiere sus propiedades de la materia.

Electrón:

es una partícula subatómica que posee carga eléctrica negativa y que gira en orbitales energéticos.

El núcleo atómico está compuesto de protones y neutrones los cuales constituyen casi el total de la masa atómica.

Protón:

es la partícula nuclear con una carga positiva igual en magnitud a la carga negativa del electrón que contrarrestan su efecto para ofrecer la neutralidad del átomo en su estado base o basal, tal como se indica en la tabla periódica.

Los protones son parte esencial de la materia ordinaria y son estables a lo largo del tiempo.

Neutrón:

son partículas atómicas eléctricamente neutras de masa 1838,4 veces mayor que la del electrón y 1,0004 mayor que la del protón. Conjuntamente con los protones constituyen el núcleo atómico que se considera 2 partes fundamentales de la misma partícula llamada nucleón.

No obstante existen otras partículas subatómicas tanto compuestas como elementales, que no son parte del átomo como los neutrinos y los bosones.

Bosón:

es uno de los tipos básicos de partículas elementales de la naturaleza el otro tipo son los fermiones la denominación de bosón fue dada al descubrimiento hecho por el físico SATVENDRA NATH BOSE quien definió las siguientes características de la partícula:

• Tienen un espín entero (0,1,2) es decir la propiedad física de las partículas subatómicas por la cual presentan un momento angular intrínseco.
• No cumplen con el principio de exclusión de PAULI y sigue lo que se conoce como estadística de bose esto hace que se presente el fenómeno de condensación de BOSE EINSTEIN (el desarrollo de MASERES, aplicación por microondas y los láseres de luz por emisión estimada de radiación lo cual fue posible puesto que los fotones de la luz son bosones.
• La función de onda cuántica que describe sistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas.
• Por el teorema de espín estadística sabemos que la segunda y la tercera característica son consecuencia necesaria de la primera.

Elementos Químicos

Son sustancias que no pueden ser compuestas o divididas en sustancias más simples por medios químicos ordinarios, se conocen 118 elementos químicos aunque varios de ellos no se encuentran en la naturaleza sino que se producen artificialmente bombardeando núcleos atómicos de otros elementos con núcleos cargados con partículas nucleares mediante aceleradores de partículas o en reactores nucleares y/o explosiones nucleares.

Compuesto Químico

Son sustancias formadas por dos o más elementos que se combinan en una proporción invariable. El agua formada por hidrógeno y oxígeno, o sal común formada por cloro y sodio, son 2 ejemplos de compuestos químicos comunes. Se considera que tanto los elementos como los compuestos son sustancias puras.

Rayos Catódicos y Rayos Anódicos

Catódicos:

se descubrieron experimentalmente usando lo que se llamó tubo de descarga que es un tubo hermético que contiene un gas enriquecido y 2 electrodos en los extremos: Cátodo (-) y Ánodo (+) los cuales se unen en un circuito al paso de la corriente de alto voltaje. Este paso al corriente manifiesta una luminiscencia en el extremo opuesto del Cátodo.

(Imagen 1)

Este experimento demostró la existencia de los rayos catódicos que se alejaban del cátodo en línea recta, hacia la parte del ánodo donde se apreciaba una luminiscencia lo que confirma que las partículas que viajan (Electrones) tienen una naturaleza negativa.

Si se introduce en un campo magnético el cátodo todo ello dentro de un tubo hermético lleno de un gas endurecido la luz de los rayos catódicos se desvían hacia el polo positivo del campo corroborándose su comportamiento con una corriente con carga negativa.

A partir del descubrimiento de los rayos catódicos J.J. Thompson concluyó que los rayos catódicos debían ser originados por partículas constituyentes fundamentales de la materia, los electrones que son partículas subatómicas que poseen carga eléctrica negativa y cuya masa es minúscula, por ello se consideran despreciables a efecto de realizar cálculos.

RAYOS CATÓDICOS O CANALES

El Físico E. GOLTEIN a fin de estudiar el fenómeno de tubo de descarga uso un cátodo perforado e introdujo hidrógeno (H2) como gas endurecido, esto provocó una radiación que se reflejaba detrás del cátodo, señal que indicaba que proseguían del ánodo a estas radiaciones las llamó rayos canales.

(Imagen 2)

Este ensayo demostró la existencia de los rayos canales, los cuales tienen una naturaleza positiva y salen del ánodo si el tubo hermético de este ensayo se introduce dentro de un campo magnético igual por los 2 extremos del ánodo con el gas endurecido la luz de los rayos canales se dirigen hacia el polo negativo del campo magnético lo que corrobora su comportamiento como partículas de carga positiva.

Las partículas de los rayos canales entonces debían ser otro 71% de partículas constituyentes fundamentales de la materia distintas del electrón y que coincidía con el núcleo del hidrógeno que es el gas que se utiliza dentro del tubo de descarga, esa partícula es: el protón, partícula nuclear subatómica con carga positiva cuya masa es 1840 mayor que la del electrón, el núcleo del hidrógeno contiene este protón sirve como unidad de pasa de referencia que equivale a 1 UMA (Unidad de Masa Atómica).

Es necesario hacer notar que los rayos catódicos o canales no se originan en un vacío completo, ya que presentan un remanente de gas residual, en el cual los átomos de este gas chocan con los electrones y se ionizan que con una carga positiva, el hidrógeno como consecuencia migran de ánodo al cátodo.

Radiactividad

Es el fenómeno físico por el cual algunos elementos químicos radiactivos emiten radiaciones que tienen propiedades como la impresión de placas radiográficas, ionización de gases, fluorescencia o atravesar cuerpos opacos, a la luz ordinaria entre otras propiedades. Las radiaciones son de tipo electromagnético, de helio, electrones o positrones, protones, neutrones y otras partículas en resumen es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos elementos inestables, los cuales son capaces de transformarse en núcleos atómicos de otros elementos más estables.

La radiactividad ioniza el medio que atraviesa. Los neutrones que poseen carga neutra. Ionizan la materia de forma indirecta, los procesos de desintegración radiactiva tienen varios tipos de radiación: ALFA, BETA, GAMMA Y NEUTRONES.

Isótopo: cualquier variación de elemento químico.

Los isótopos inestables mantienen un estado excitado de sus capas electrónicas y nucleares, lo cual hacen mediante emisiones electromagnéticas o de partículas de una determinada energía cinética, a través de cambios en la energía de sus electrones por la emisión de rayos X, cambios en la energía de sus nucleones por emisión de rayos gamma o variando la estructura del isótopo, emitiendo desde el núcleo partículas pesadas.

Un ISÓTOPO es un átomo de cualquier elemento que presenta una modificación de su masa atómica o estructura base, el isótopo pesado tiende a emitir radiación para terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el ejemplo del uranio que termina al paso de los siglos convirtiéndose en plomo.

La energía radiactiva se capitaliza para obtener energía nuclear usada en la medicina en tareas de radioterapia y radiodiagnóstico y en aplicaciones industriales para la generación de electricidad, medidas de espesores, densidad, entre otras aplicaciones.

De acuerdo a su fuente emisora la radiactividad puede

ser:
NATURAL:es la energia es manifestada por los isotopos que se encuentran en la naturaleza
ARTIFICIALES O INDUCIDOS:es aquella manifestada por los isotopos que se producen sinteticamente.
BASE EXPERIMENTAL DE LA TEORIA CUANTICA
Teotria cuantica: es una teoria fisica que se basa en la utilizacion del concepto de unidad cuantica para describir las propiedades dinamicas de las particulas subatomicas y las interacciones entre materia y radiacion(Materia y energia)-Neutrones,protones, electrones, descomposicion de sus fracciones de luz provoca los destellos de colores.
Las bases de esta teoria fueron sentadas por el fisico aleman MAX PLANK en el año 1900 quien postulo que la materia solo puede emitir o absorver energia en pequeñas unidades diractas llamads cuantos.

Otra contribucion fundamental al desarrollo de la teoria fue el princio de insertidumbre por el fisico aleman WERNEA HESENBERB en 1927, que afirma que no es posible espesificar con exactitud la posicion y el momento linea simultaneamente de una particula subatomica.
1.2.1 TEORIA ONDULATORIA DE LUZ
Esta fue propuesta por HUYGENS quien propuso que la luz tenia un comportamiento ondulatorio del mismo tipo que el sonido como las ondas s etransmiten en el vacio supone que las ondas luminosas necesitan para propagarse un medio ideal.
Ether: es una estructura de 2 carbonos con un oxigeno liquido flamable.
Ebullicion del ether 34.1°
(Imagen 3)
Presente tanto como en el vacio como en los cuerpos materiales.
Esta teoria tiene una dificultad fundamental que es la hipotesis del uso del ether, razon por la cual no fue aceptada por NEWTON ya que el echo de usar ether como medio era muy hipotetico.
Paso mas de un siglo para que se retomaran esta teoria y sus consideraciones, los experimentos realizados por YOUNG sobre fenomenos de interferencias luminosas y DESPRENDER sobre difraccion apoyaron la vieja teoria de HUYGENS sobre la teoria ondulatoria.
Se propone la luz como una onda en base a las sig observaciones:
1. La separacion rectilinea se puede especificar ondulatoriamente
2. La refraccion es un fenomeno tipico de las ondas
3. La masa de los cuerpos que emiten luz no cambia

La Luz se emite en linea recta y se difunde cada vez mas a medida que avance y esto la hace menos intensa. Cuando la luz inside sobre un objeto se absorve o se refleja. La luz se refleja por una superficie rubosa emitiendo energia en todas direcciones. Las superficies negras absorben casi toda la luz, pero las blancas las reflejan mayormente y las difunden por igual en todas las longitudes de onda. Para que la refleccion se proyecte es necesario una superficie muy pulida.
(Imagen 4)
Albedo: es el fenomeno de absorcion de la luz solar en la superficie terrestre y depende de factores: la inclinacion al punto tangente terrestre y el tipo de estructura sobre la que inside.
Inversion termica: absorcion de esta energia que bajo ciertas circunstancias geograficas se convierte en un problema ambiental mayusculo que es el resultado del calentamiento por absorcion del CO2 y otras particulas de efecto invernadero.
NEWTON describio la luz como una emision de particulas y HUYGENS dijo que la luz se desplaza ondulatorio.
Cuerpo negro: materiales que absorven toda la radiacion electromagnetica y emite en todas sus frecuencias, cuando se caliente emite radiacion electromagnetica.
PLANK dijo que la energia promedio de las ondas estacionarias dependen de la frecuencia y que la energia correspondiente a cada modono es una variable continua, sino discreta.

LA LEY DE PLANK implica que la radiacion de los cuerpos en equilibrio termodinamico consideran una intensidad de radiacion para cada longitud de onda que depende de la temperatura del cuerpo del estudio.
Efecto fotoelectrico: proceso por el cual se liberan electrones por la accion de radiacion.
EJEMPLO DE EFECTO FOTOELECTRICO: cuando una placa metalica recien pulida cargada negativamente pierde su carga si se expone a la luz ultravioleta.
En 1905 EINSTEIN explico que la luz estaba constituida por fotones y que su energia es proporcional a la frecuencia de la luz. Usando una cantidad minima de energia en cada material, para extraer un electron de la superficie.
Energia cinetica maxima de un electron emitida
Ecin = h*f-w
ESPECTROS DE EMISION & SERIES ESPECTRALES
Dispercion: coinsiste en la sepracion de las distintas longitudes de ondas que forman el has de la luz insidente ejemplo: luz a travez de un prisma optico.
La luz se estudia con un instrumento llamado espectrometro.
Y si la luz blanca se descompone es un espectro.
Si es separada mediante un prisma o una red de difracción cada color es visto por separado y a esto le llamamos linea esprectral.
Los elementos quimicos en estados gaseosos a temperaturas elevadas producen efectos discontinuos en los que se aprecia un conjunto de lineas en las que corresponden a solo unas longitudes de onda.
En 1968 JAMSEN al estudiar un eclipse de sol con un espectrometro descubrio el helio que en el griego significa sol.
ESPECTRO DE ABSORCION
El espectro de absorcion de una materia muestra la fraccion de la radiacion electromagnetica insidente que un material absorve dentro de un rango de frecuencias. Es en cierto sentido lo contrario del espectro de emision.
ESPECTRO DE EMISION
Es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagneticas emitidas por atomos de un elemento. En estado gaseoso cuando se le comunica energia.
TEORIA ATOMICA DE BOHR
1° Postulado: Los electrones se mueven en ciertas orbitas permitidas alrededor del nucleo sin emitir radiacion asi asumio BOHR que el atomo de hidrogeno puede existir solo en ciertos estados discretos los cuales son denominados estados estacionarios del atomo
2° Postulado: toda emision o absorcion de radiacion entre un sistema atomico esta generada por la transicion entre 2 estados estacionarios.
3° Postulado: Las orbitas estacionarias admisibles son aquellas en las que el momento angular orbital del electron estan cuantizado pudiendo asumir a su vez solamente valores multiplos enteros de constante de PLANK sobre 2 por PI.