Resumen 1.. Unidad 1 Teoría cuántica y estructura atómica

1.1 Átomo 

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, 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.

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

Partículas subatómicas

Una partícula subatómica es una partícula más pequeña que el átomo. Puede ser una partícula elemental o una compuesta, a su vez, por otras partículas subatómicas, como son los quarks, que componen los protones y neutrones. No obstante, existen otras partículas subatómicas, tanto compuestas como elementales, que no son parte del átomo, como es el caso de los neutrinos y bosones

Los primeros modelos atómicos consideraban básicamente tres tipos de partículas subatómicas: protones, electrones y neutrones. Más adelante el descubrimiento de la estructura interna de protones y neutrones, reveló que estas eran partículas compuestas. Además el tratamiento cuántico usual de las interacciones entre las partículas comporta que la cohesión del átomo requiere otras partículas bosónicas como los piones, gluones o fotones.

Los protones y neutrones por su parte están constituidos por quarks. Así un protón está formado por dos quarks up y un quark down. Los quarks se unen mediante partículas llamadas gluones. Existen seis tipos diferentes de quarks (up, down, bottom, top, extraño y encanto). Los protones se mantienen unidos a los neutrones por el efecto de los piones, que son mesones compuestos formados por parejas de quark y antiquark (a su vez unidos por gluones). Existen también otras partículas elementales que son responsables de las fuerzas electromagnética (los fotones) y débil (los neutrinos y los bosones W y Z).

Los electrones, que están cargados negativamente, tienen una masa 1/1836 de la del átomo de hidrógeno, proviniendo el resto de su masa del protón. El número atómico de un elemento es el número de protones (o el de electrones si el elemento es neutro). Los neutrones por su parte son partículas neutras con una masa muy similar a la del protón. Los distintos isótopos de un mismo elemento contienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones. El número másico de un elemento es el número total de protones más neutrones que posee en su núcleo.

Las propiedades más interesantes de las 3 partículas constituyentes de la materia existente en el universo son:

Protón

Se encuentra en el núcleo. Su masa es de 1,6×10^-27 kg.¹ Tiene carga positiva igual en magnitud a la carga del electrón. El número atómico de un elemento indica el número de protones que tiene en el núcleo. Por ejemplo el núcleo del átomo de hidrógeno contiene un único protón, por lo que su número atómico (Z) es 1.

Electrón

Se encuentra en la corteza. Su masa aproximadamente es de 9,1×10^-31kg. Tiene carga eléctrica negativa (-1.602×10^-19C).²

Neutrón

Se encuentra en el núcleo. Su masa es casi igual que la del protón. No posee carga eléctrica.

El concepto de partícula elemental es hoy algo más oscuro debido a la existencia de cuasipartículas que si bien no pueden ser detectadas por un detector constituyen estados cuánticos cuya descripción fenomenológica es muy similar a la de una partícula

Resumen del tema 1.1.1

Rayos catódicos:

 Son corrientes de electrones observados en un tubo  de vacío que se equipan de por lo menos dos electrodos cátodo (negativo) y ánodo (positivo) en una configuración llamada diodo, al calentarse el cátodo emite radiación que viaja hacia el ánodo. Si las paredes internas del cristal están cubiertas de material fluorescente brillan intensamente, una capa de metal entre dos electrodos proyecta una sombra en la capa fluorescente. Esto significa que la causa de emisión de luz son los rayos emitidos por el cátodo al golpear la capa fluorescente, los rayos viajan en línea recta hacia el ánodo y continúan más allá durante una cierta distancia, son desviados por campos magnéticos  y eléctricos (pueden ser producidos colocando electrodos de alto voltaje o imanes fuera del tubo de vacío­- esto explica los imanes en la pantalla de la tv.). El tubo de rayos catódicos (CRT) es conocido como tubo de crookes (invento de William Crookes) el CRT es la clave de los televisores los osciloscopios y las cámaras de tv.

Rayos anódicos:

Son conocidos también como 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, fueron observados por vez primera por Eugen Goldstein, además de Wilhelm Wien y Joseph Jonh Thompsonsobre los rayos anódicos, apareció la espectromia de masas.

Se forman cuando van desde el cátodo (-) y ánodo (+), chocan contra el gas encerrado en el tubo. Las partículas del mismo signo se repelen, los electrones que van hacia el ánodo arrancan electrones de la corteza de los átomos del gas el átomo se queda (+) al formarse un ion (+) estos  se precipita hacia el cátodo que los atrae la carga (-).

1.1.2  Radioactividad

La radiactividad o radioactividad es un fenómeno químico-físico por el cual algunos cuerpos o elementos químicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas radiográficas fecisterografias, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, entre otros. 

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.

Radiactividad natural

En 1896 Henri Becquerel descubrió que ciertas sales de uranio emiten radiaciones espontáneamente

El estudio del nuevo fenómeno y su desarrollo posterior se debe casi exclusivamente al matrimonio de Marie y Pierre Curie, quienes encontraron otras sustancias radiactivas: el torio, el polonio y el radio.  El fenómeno de la radiactividad se origina exclusivamente en el núcleo de los átomos radiactivos. Se cree que se origina debido a la interacción neutrón-protón.        

 Ernest Rutherford en 1911,  demostró que las radiaciones emitidas por las sales de uranio pueden ionizar el aire y producir la descarga de cuerpos cargados eléctricamente.

Con el uso del neutrón, partícula teorizada en 1920 por Ernest Rutherford, se consiguió describir la radiación beta.

En 1932, James Chadwick descubrió la existencia del neutrón que Rutherford había predicho en 1920, e inmediatamente después Enrico Fermi descubrió que ciertas radiaciones emitidas en fenómenos no muy comunes de desintegración son en realidad neutrones.

Radiactividad artificial

La radiactividad artificial, también llamada radiactividad inducida, se produce cuando se bombardean ciertos núcleos estables con partículas apropiadas. Si la energía de estas partículas tiene un valor adecuado, penetran el núcleo bombardeado y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra después radiactivamente. Fue descubierta por los esposos Jean Frederick Joliot-Curie e Irène Joliot-Curie, bombardeando núcleos de boro y de aluminio con partículas alfa

Clases y componentes de la radiación

Se comprobó que la radiación puede ser de tres clases diferentes, conocidas como partículas, desintegraciones y radiación:

1.   Partícula alfa

1.    Desintegra

2.    Radiación gammación beta: 

Símbolo

Símbolo utilizado tradicionalmente para indicar la presencia de radiactividad.

Nuevo símbolo de advertencia de radiactividad adoptado por la ISO en 2007 para fuentes que puedan resultar peligrosas. Estándar ISO #21482.

El 15 de marzo de 1994, la Agencia Internacional de la Energía Atómica (AIEA) dio a conocer un nuevo símbolo de advertencia de radiactividad con validez internacional. La imagen fue probada en 11 países.

Contador Geiger

Un contador Geiger es un instrumento que permite medir la radiactividad de un objeto o lugar.

                                                                                                                                       

Consecuencias para la salud de la exposición a las radiaciones ionizantes

Los efectos de la radiactividad sobre la salud son complejos. Dependen de la dosis absorbida por el organismo. Como no todas las radiaciones tienen la misma nocividad, se multiplica cada radiación absorbida por un coeficiente de ponderación para tener en cuenta las diferencias. Esto se llama dosis equivalente, que se mide en sieverts (Sv). Una radiación alfa o beta es relativamente poco peligrosa fuera del cuerpo. En cambio, es extremadamente peligrosa cuando se inhala. Por otro lado, las radiaciones gamma son siempre dañinas, puesto que se neutralizan con dificultad.

Riesgos para la salud

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El riesgo para la salud no sólo depende de la intensidad de la radiación y de la duración de la exposición, sino también del tipo de tejido afectado y de su capacidad de absorción. Por ejemplo, los órganos reproductores son 50 veces más sensibles que la piel.

1.2  Base experimental de la teoría cuántica 

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 afirmaba que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica.

La teoría cuántica posee.

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.

PARA QUE NOS SIRVE LA TEORIA CUANTICA:

En la teoría cuántica se basan los semiconductores.

Dichos semiconductores son la base de los transistores, los microprocesadores, etc., etc. Imagina la utilidad de esta ciencia: EN ELLA SE BAS PRACTICAMENTE TODA LA ELECTRONICA!!!!(Computadoras, celulares, reproductores de música, televisores, etc., Esta cosa es realmente útil.

1.2.1  Teoría Ondulatoria de la Luz 

Fue idea del físico holandés C. Huygens. La luz se propaga mediante ondas mecánicas emitidas por un foco luminoso. La luz para propagarse necesitaba un medio material de gran elasticidad, impalpable que todo lo llena, incluyendo el vacío, puesto que la luz también se propaga en él. A este medio se le llamó éter. 

La energía luminosa no está concentrada en cada partícula, como en la teoría corpuscular sino que está repartida por todo el frente de onda. El frente de onda es perpendicular a las direcciones de propagación. La teoría ondulatoria explica perfectamente los fenómenos luminosos mediante una construcción geométrica llamada principio de Huygens. Además según esta teoría, la luz se propaga con mayor velocidad en los medios menos densos. a pesar de esto, la teoría de Huygens fue olvidada durante un siglo debido a la gran autoridad de Newton.

En 1801 el inglés T. Young dio un gran impulso a la teoría ondulatoria explicando el fenómeno de las interferencias y midiendo las longitudes de onda correspondientes a los distintos colores del espectro. 
La teoría corpuscular era inadecuada para explicar el hecho de que dos rayos luminosos, al incidir en un punto pudieran originar oscuridad.

La primera teoría es la básica que propone que la luz se comporta al igual que el sonido como una o varias ondas.

Por otro lado Einstein estaba de acuerdo en que la luz se comporta como partículas a las cuales llamó Photones.

La primera teoría es respaldada con los vidrios polarizados ya que estos solo dejan entrar ciertas ondas de luz.

Las últimas teorías proponen que la luz se comporta de ambas maneras

1.2.2  Radiación del cuerpo negro y teoría de                       Planck

Cuando un cuerpo es calentado emite radiación electromagnética en un amplio rango de frecuencias. El cuerpo negro (ideal) es aquel que además absorbe toda la radiación que llega a él sin reflejarla, de tal forma que sólo emite la correspondiente a su temperatura. A fines del siglo XIX fue posible medir la radiación de un cuerpo negro con mucha precisión. La intensidad de esta radiación puede en principio ser calculada utilizando las leyes del electromagnetismo. El problema de principios del siglo XX consistía en que si bien el espectro teórico y los resultados experimentales coincidían para bajas frecuencias (infrarrojo), estos diferían radicalmente a altas frecuencias. Este problema era conocido con el provocativo nombre de “la catástrofe ultravioleta”, ya que la predicción teórica diverge a infinito en ese límite.

Quien logró explicar este fenómeno fue Max Planck, en 1900, que debió para ello sacrificar los conceptos básicos de la concepción ondulatoria de la radiación electromagnética. Para resolver la catástrofe era necesario aceptar que la radiación no es emitida de manera continua sino en cuantos de energía discreta, a los que llamamos fotones. La energía de estos cuantos  es proporcional a su frecuencia y a la llamada constante de Planck, h = 6,6 10^-34 Joule x segundo, una de las constantes fundamentales de la física moderna. Cuando la frecuencia de la radiación es baja el efecto de la discretización se vuelve despreciable debido al minúsculo valor de la constante de Planck, y es perfectamente posible pensar al sistema como continuo, tal como lo hace el electromagnetismo clásico. Sin embargo, a frecuencias altas el efecto se vuelve notable. En 1905, Einstein utilizaría el concepto de fotón para explicar otro fenómeno problemático en el marco de la física clásica, la generación de una corriente eléctrica al aplicar luz monocromática sobre un circuito formado por chapas metálicas, conocido como el efecto fotoeléctrico. Einstein obtendría tiempo después el Premio Nobel por este importante hallazgo teórico.

Un cuerpo negro hace referencia a un objeto opaco que emite radiación térmica. Un cuerpo negro perfecto es aquel que absorbe toda la luz incidente y no refleja nada. A temperatura ambiente, un objeto de este tipo debería ser perfectamente negro (de ahí procede el término cuerpo negro.). Sin embargo, si se calienta a una temperatura alta, un cuerpo negro comenzará a brillar produciendo radiación térmica.

Se sabía que al calentar objetos densos a altas temperaturas, éstos emiten energía, y que la curva de intensidad versus la longitud de onda siguen una curva como se ilustra aquí. Mientras más alta es la temperatura, la longitud de onda es más corta en el tope de la curva.

1.2.3  Efecto fotoeléctrico

Se dice que fue observado por primera vez en 1839 en Francia [1]. Sin embargo, hoy día se atribuye el descubrimiento a Heinrich Hertz en 1887. Hertz descubrió el efecto fotoeléctrico por accidente, al tratar de probar la teoría de Maxwell sobre la radiación electromagnética, en esencia ondulatoria. Con los trabajos de gran numero de  físicos, entre los que merecen destacarse Hallwachs, Stoletow y Lenard, junto con Hertz, demostraron la existencia del llamado efecto fotoeléctrico: cuando se ilumina una placa metálica con radiación electromagnética, el metal emite electrones. Con estos mismos trabajos quedaron establecidas de forma empírica las características fundamentales para este efecto:

i) El número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la radiación incidente.

ii) Para cada metal existe una frecuencia umbral ν0 tal que para la radiación de frecuencia menor (ν <ν0) no se emiten electrones.

iii) La energía cinética máxima de los electrones emitidos es proporcional a (ν - ν0) y es independiente de la intensidad de la radiación incidente.

iv) La emisión de electrones es prácticamente instantánea, es decir aparece y desaparece con la radiación electromagnética, sin retraso detectable.

Las características ii) y iii) son irreconciliables con la teoría ondulatoria de la luz y planteaban un reto para la Física de su tiempo.

Einstein, en 1905, utilizó la idea de Planck de la cuantización para explicar las características  del efecto fotoeléctrico (por esta explicación recibió el premio Nobel el año 1921) y concluyó que la radiación de frecuencia ν (monocromática) se comporta como si constara de un número finitode cuantos de energía, localizados e independientes, cada uno de ellos con energía E = hν. En la

nomenclatura actual, introducida por Lewis, estos cuantos reciben el nombre de FOTONES.Con este resultado, la interpretación del efecto fotoeléctrico es inmediata. La luz defrecuencia ν está formada por fotones de energía hν. Los electrones se encuentran ligados en elmetal ocupando distintos niveles de energía. φ0 (>0) es la energía de ligadura de los electronesmenos ligados que, evidentemente, dependerá del metal que se considere (se acostumbra a llamar

función de trabajo del metal y es del orden de magnitud de unos pocos electronvoltios). Un fotónque incide sobre el metal pude ser absorbido por uno de los electrones (uno solo, y absorción total,si se acepta el carácter indivisible del fotón). La energía del fotón se utiliza en parte para liberar alelectrón de su ligadura al metal y en parte para suministrarle energía cinética. Por tanto la energíacinética máxima de los electrones emitidos es:

Ecmax = Efotón- φ0 = hν - φ0 (1)

correspondiente a arrancar un electrón del nivel menos ligado. Y dado que ECmax>0, existeevidentemente una frecuencia umbral dada por: hν0= φ0 (con energía menor no es posiblearrancar ningún electrón). Millikan fue el primero en confirmar plenamente el brillante resultadode Einstein al medir directamente la constante de Planck mediante experimentos sobre el efectofotoeléctrico, y hallar un valor para h coincidente con el obtenido del análisis de la radiación delcuerpo negro.

El efecto fotoeléctrico en la vida diaria

Es muy curioso que en los lugares menos esperados o sin que siquiera lo otemos, las ideas revolucionarias de Einstein están presentes. Las aplicaciones del efecto fotoeléctrico las encontramos en: Camaras, en el dispositivo que gobierna los tiempos de exposición; en detectores de movimiento; en el alumbrado público; como regulador de la cantidad de toner en la máquinas copiadoras; en las celdas solares muy útiles en satélites, calculadoras, y relojes. Las aplicaciones las encontramos, también, cuando asistimos a una función de cine ya que el audio que escuchamos es producido por señales eléctricas que son provocadas por

los cambios de intensidad de la luz al pasar por la pista sonora que viene en la cinta cinematrográfica. Pero es muy interesante que el efecto fotoeléctrico se aplica en los ¡alcoholímetros! en donde la reacción del alcohol con una sustancia de prueba provoca cambios de color los cuales son medidos por el dispositivo, la lectura nos permite entonces saber la concentración de alcohol en el individuo. Estamos inmersos en un mundo tecnológico que Einstein descubrió para nosotros.