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Ruth Mariel Deschamps Aybar
QUI- 105 SEC 01
Resumen
En este trabajo abarcaremos temas de relevancia: la física clásica, el descubrimiento de la teoría cuántica, la onda, el efecto fotoeléctrico, los planteamientos de Bohr, Planck, y todos los temas de sumo interés del capítulo. Se cuenta que los primeros intentos de los físicos del siglo xix se realizaron para comprender el comportamiento de los átomos y las moléculas, suponían que las moléculas se comportaban como pelotas que rebotan, sin embargo, esta explicación no era suficiente para entender del todo la estabilidad de las moléculas, no podían explicar qué fuerzas mantenían unidos a los átomos. No fue hasta que en 1900 con el físico alemán Max Planck , que al examinar los datos de la radiación que emitían los sólidos calentados a diferentes temperaturas, descubrió que los átomos y las moléculas emiten energía sólo en cantidades discretas o cuantos. Los físicos siempre habían supuesto que la energía era un proceso continuo y que en el proceso de radiación se podía liberar cualquier cantidad de energía.
Para comprender la teoría cuántica de Planck, es necesario tener conocimiento acerca de la naturaleza de las ondas. Una onda es una alteración vibracional mediante la cual se transmite la energía. Las propiedades características de las ondas son su longitud y altura, así como el número de ondas que pasan por determinado punto en un segundo. La longitud de onda es la distancia entre puntos iguales de ondas sucesivas. La frecuencia , es el número de ondas que pasan por un punto particular en un segundo. La amplitud de la onda es la distancia vertical de la línea media de una onda a su cresta o a su valle.
C A P Í T U L O 7
‘Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos’
Radiación electromagnética
Una onda electromagnética tiene un componente de campo eléctrico y un componente de campo magnético. Ambos tienen la misma longitud de onda y frecuencia y, por lo tanto, igual velocidad, pero viajan en planos perpendiculares entre sí. La radiación electromagnética es la emisión y transmisión de energía en forma de ondas electromagnéticas. Las ondas de luz visible, más cortas, se deben al movimiento de los electrones en los átomos y moléculas. Las ondas más cortas, que también tienen la frecuencia más alta, se relacionan con los rayos g (gamma), que se forman durante los cambios ocurridos dentro del núcleo del átomo.
Teoría cuántica de Planck
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, que fueron verificados posteriormente por otros científicos, fueron el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron los cimientos para la investigación en campos como el de la energía atómica.
El efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico, un fenómeno en el que los electrones son expulsados desde la superficie de ciertos metales que se han expuesto a la luz de al menos determinada frecuencia mínima, y que se conoce como frecuencia umbral. La teoría de la onda de luz no podía explicar el efecto fotoeléctrico, pero Einstein partió de una extraordinaria hipótesis al considerar que un rayo de luz es, en realidad, un torrente de partículas. Tomando como punto de partida la teoría cuántica de Planck, Einstein dedujo que cada una de estas partículas de luz, que ahora se conocen como fotones.
Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno
Adoptando el modelo de Rutherford, Bohr propuso para el átomo de hidrógeno, un núcleo formado por una partícula positiva, y girando alrededor de ella, un electrón. Este es el modelo
cuántico principal, el número cuántico del momento angular y el número cuántico magnético. Estos números se utilizan para describir los orbitales atómicos e identificar los electrones que están dentro. El número cuántico de espín es un cuarto número cuántico que describe el comportamiento de determinado electrón y completa la descripción de los electrones en los átomos. El número cuántico principal (n) puede tomar valores enteros de 1, 2, 3, etcétera, y corresponde al número cuántico en la ecuación (7.5). En el átomo de hidrógeno, el valor de n define la energía de un orbital. Sin embargo, esto no se aplica para átomos poli electrónicos, como veremos en breve. El número cuántico principal también se relaciona con la distancia promedio del electrón al núcleo en determinado orbital. Cuanto más grande es el valor de n, mayor es la distancia entre un electrón en el orbital respecto del núcleo y, en consecuencia, el orbital es más grande.
Configuración electrónica
Para entender el comportamiento electrónico de los átomos poli electrónicos, necesitamos conocer la configuración electrónica del átomo, es decir, la manera en que están distribuidos los electrones entre los distintos orbitales atómicos. La configuración electrónica es el modo en que los electrones de un átomo de un elemento se distribuyen alrededor del núcleo. De acuerdo con el modelo mecánico cuántico del átomo, la configuración electrónica indica en qué niveles y subniveles de energía se encuentran los electrones de un elemento.
Principio de construcción
Este procedimiento se fundamenta en el principio de Aufbau. El principio de Aufbau establece que cuando los protones se incorporan al núcleo de uno en uno para construir los elementos, los electrones se suman de la misma forma a los orbitales atómicos. Este procedimiento da un conocimiento preciso de las configuraciones electrónicas de los elementos en el estado fundamental.
Comentarios sobre la teoría clásica de la física y de la teoría cuántica.
Se considera que la teoría sobre la física clásica posee un límite de validez, puesto que las prácticas a nivel macroscópico que explica esta teoría, no es posible establecerlas o validarlas a nivel microscópico, no era posible con la física clásica comprender el comportamiento de los átomos y moléculas, su estabilidad, es decir, no podía explicar la fuerza que mantiene unida a los átomos. Sin embargo, la teoría clásica de la física fue quien contribuyó a plantar la base de la teoría cuántica.
La teoría cuántica por su parte es aquella que estudia la naturaleza a escalas pequeñísimas
Diferencias entre los planteamientos de Bohr y Planck
BOHR PLANCK
La energía no era emitida o absorbida en la forma continua que había supuesto la física clásica, sino solamente durante la transición de los electrones entre dos estados estacionarios.
Aunque el equilibrio de los átomos en el estado estacionario venía gobernado por las leyes ordinarias de la mecánica, dichas leyes no eran de aplicación en el paso de un estado estacionario a otro.
La radiación emitida era un cuanto de energía de Planck.
Los estados estacionarios venían determinados por la energía emitida y el giro del electrón.
El estado permanente de un átomo es en el que la energía emitida en su formación es máxima.
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.
2 ) La ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal.
3 ) El físico descubrió que la radiación no es emitida ni absorbida en forma continua, sino en pequeñas cantidades a las que denominó cuantos.
