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TEORIA ATOMICA
Materia
Es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Este término
engloba todos los cuerpos, objetos y seres que existen en la naturaleza. En una
primera instancia se pueden distinguir tres grandes sistemas de materia: mezclas
heterogéneas, mezclas homogéneas y sustancias.
Energía
El término energía tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con
la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. En física,
«energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y
economía, «energía» se refiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología
asociada) para extraerla, transformarla, y luego darle un uso industrial o económico.
Átomo
En química y física, átomo es la unidad más pequeña de un elemento químico
que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante
procesos químicos.
Su denso núcleo representan el 99.9% de la masa del átomo, y está compuesto
de bariones llamados protones y neutrones, rodeados por una nube de electrones, que
-en un átomo neutro- igualan el número de protones.
Partículas Químicas.
Son las pequeñas unidades que integran a una sustancia. Son muy pequeñas y
muy ligeras. Tanto que en unos cuantos gramos de cualquier sustancia hay del orden
de un cuatrillón de partículas. Están constituidas por un cierto número de núcleos
(con carga eléctrica positiva) interactuando con un cierto número de electrones (con
carga eléctrica negativa). Pueden ser iones (partículas cargadas mono o
polinucleares), moléculas (partículas polinucleares neutras) o átomos (partículas
mononucleares neutras). Hay un poco más de 100 tipos diferentes de átomos según el
número de protones en sus respectivos núcleos. A los diferentes tipos de átomos se
les llama elementos. Los iones y las moléculas se describen en función del número y
del tipo de elementos que contienen.
Partículas químicas (átomos, moléculas e iones)
Mononucleares
Neutras
Átomos Iones mononucleares
CargadasMolécula
sIones polinucleares
Polinucleares
Moléculas:
En química, se llama moléculas a las partículas neutras formadas por un
conjunto estable de, al menos, dos átomos enlazados covalentemente .[][
]
De manera menos general y precisa, se ha definido molécula como la parte
más pequeña de una sustancia que conserva sus propiedades químicas, y a partir de la
cual se puede reconstituir la sustancia sin reacciones químicas. De acuerdo con esta
definición, que resulta razonablemente útil para aquellas sustancias puras constituidas
por moléculas, podrían existir las "moléculas monoatómicas" de gases nobles,
mientras que las redes cristalinas, sales, metales y la mayoría de vidrios quedarían en
una situación confusa
Las moléculas lábiles pueden perder su consistencia en tiempos relativamente
cortos, pero si el tiempo de vida medio es del orden de unas pocas vibraciones
moleculares, estamos ante un estado de transición que no se puede considerar
molécula. Actualmente, es posible el uso de láser pulsado para el estudio de la
química de estos sistemas.
Las entidades que comparten la definición de las moléculas pero tienen carga
eléctrica se denominan iones poliatómicos, iones moleculares o moléculas ión. Las
sales compuestas por iones poliatómicos se clasifican habitualmente dentro de los
materiales de base molecular o materiales moleculares.
Tipos De Moléculas
Las moléculas se pueden clasificar en:
Moléculas discretas, constituidas por un número bien definido de átomos,
sean estos del mismo elemento (moléculas homonucleares, como el
dinitrógeno o el fullereno) o de elementos distintos (moléculas
heteronucleares, como el agua).
Molécula de dinitrógeno, el gas que es el componente mayoritario del aire
Molécula de fullereno, tercera forma estable del carbono tras el diamante y el
grafito
Molécula de agua, "disolvente universal", de importancia fundamental en
innumerables procesos bioquímicos e industriales
Representación poliédrica del anión de Keggin, un polianión molecular
Macromoléculas o polímeros, constituídas por la repetición de una unidad
comparativamente simple -o un conjunto limitado de dichas unidades- y que
alcanzan pesos moleculares relativamente altos.
Representación de un fragmento de ADN, un polímero de importancia
fundamental en la genética
Enlace peptídico que une los péptidos para formar proteínas
Representación de un fragmento lineal de polietileno, el plástico más usado
Primera generación de un dendrímero, un tipo especial de polímero que crece
de forma fractal
Ideas Atómicas De Los Griegos
Demócrito y Leucipo, dos griegos del siglo VI a. C. Los griegos creían que
todos los átomos estaban hechos del mismo material pero tenían diferentes formas y
tamaños, que eran los factores que determinaban las propiedades físicas del material.
Por ejemplo, ellos creían que los átomos de un líquido eran lisos, lo que les permitiría
deslizarse uno sobre otro. Según esta línea de pensamiento, el grafito y el diamante
estarían compuestos por dos tipos diferentes de átomos, si bien hoy sabemos que son
dos isómeros del carbono. Demócrito y Leucipo habían introducido el concepto
filosófico de átomo para expresar su creencia acerca de la discontinuidad de la
materia. Afirmaban que la materia se podía dividir indefinidamente en partículas cada
vez más pequeñas hasta obtener unas diminutas e indivisibles, a las que Demócrito
llamó átomos.
Durante el siglo XII (en plena Edad de Oro Islámica), los atomistas islámicos
desarrollaron teorías atómicas que eran una síntesis del atomismo griego y el indio.
Desarrollaron y profundizaron en las antiguas ideas griegas e indias y aportaron otras
nuevas, como la posibilidad de hacer que existiesen partículas más pequeñas que un
átomo. Al mismo tiempo que la influencia islámica empezaba a extenderse por
Europa, las ideas atómicas islámicas, junto con las griegas e indias, comenzaron a
difundirse por toda Europa a finales de la Edad Media.
Teoría Atómica De Dalton
Después de los trabajos realizados por los griegos, el físico y químico británico
John Dalton propuso a principios del siglo XIX los fundamentos de la teoría atómica,
aportando así las bases para el rápido desarrollo de la química moderna. Los
siguientes postulados forman parte de la teoría atómico molecular:
1. La materia se compone de partículas pequeñas, definidas e indestructibles
llamadas “átomos”, que no se pueden dividir por ningún método físico, ni
químico ordinario.
2. Los átomos de un mismo elemento son todos idénticos y poseen las mismas
propiedades.
3. Las moléculas se forman mediante la unión de un número entero de átomos
de un mismo elemento simple, o de la unión de diferentes elementos simples.
4. Las moléculas de un elemento o sustancia simple se forman con átomos
idénticos del mismo elemento.
5. Cuando un solo átomo constituye la molécula de un elemento o sustancia
simple, dicha molécula constituye, a su vez, el átomo de ese propio elemento.
6. Las moléculas de las sustancias compuestas están formadas, al menos, por
átomos de dos elementos simples diferentes.
7. La materia ni se crea ni se destruye, sino que se transforma (Ley de la
conservación de la materia)
Para Dalton, la partícula más pequeña de una sustancia era el átomo. Si la
sustancia era simple, Dalton hablaba de "átomos simples"; por ejemplo de cloro, de
hidrogeno, etc. Si la sustancia era Compuesta, Dalton hablaba de” átomos
compuestos"; por ejemplo de agua. En realidad, los "átomos" de Dalton, son las
partículas llamadas moléculas.
Modelo Atómico de Thomson
Es una teoría sobre la estructura atómica propuesta en 1904 por Joseph John
Thomson, descubridor del electrón1 en 1897, mucho antes del descubrimiento del
protón y del neutrón. En dicho modelo, el átomo está compuesto por electrones de
carga negativa en un átomo positivo, como un pudin de pasas.2 Se pensaba que los
electrones se distribuían uniformemente alrededor del átomo. En otras ocasiones, en
lugar de una sopa de carga negativa se postulaba con una nube de carga positiva. En
1906 Thomson recibió el premio Nobel de Física por sus investigaciones en la
conducción eléctrica en gases.
El átomo no deja de ser un sistema material que contiene una cierta cantidad
de energía externa. Ésta provoca un cierto grado de atracción de los electrones
contenidos en la estructura atómica. Desde este punto de vista, puede interpretarse
que el modelo atómico de Thomson es un modelo actual como consecuencia de la
elasticidad de los electrones en el coseno de la citada estructura.
Si hacemos una interpretación del modelo atómico desde un punto de vista
más microscópico, puede definirse una estructura abierta para el mismo, dado que los
protones se encuentran inmersos y sumergidos en el seno de la masa que define la
carga neutra del átomo.
Modelo atómico de Rutherford
Es un modelo atómico o teoría sobre la estructura interna del átomo propuesto
por el químico y físico británico-neozelandés Ernest Rutherford para explicar los
resultados de su "experimento de la lámina de oro", realizado en 1911.
El modelo de Rutherford fue el primer modelo atómico que incorporó el
hecho de que el átomo estaba formado por dos partes: La corteza ,que está constituida
por todos los electrones que hay en el átomo, girando a gran distancia alrededor del
núcleo, y el núcleo ;es muy pequeño; en él se encuentra toda la carga eléctrica
positiva y casi toda la masa del átomo. Este modelo suponía que el átomo, estaba
formado por tres partículas: protones y neutrones, estos se encuentran en el núcleo; y
electrones (está en la corteza). Aunque hoy se sabe que los protones y los neutrones
son partículas compuestas y que las interacciones entre ellos requieren partículas
transmisoras de las fuerzas nucleares.
La importancia del modelo de Rutherford residió en proponer por primera vez
la existencia de un núcleo en el átomo. Término que, paradójicamente, no aparece en
sus escritos. Lo que Rutherford consideró esencial, para explicar los resultados
experimentales, fue "una concentración de carga" en el centro del átomo, ya que sin
ella, no podía explicarse que algunas partículas fueran rebotadas en dirección casi
opuesta a la incidente. Este fue un paso crucial en la comprensión de la materia, ya
implicaba la existencia de un núcleo atómico donde se concentraba toda la carga
positiva y más del 99,9% de la masa. Las estimaciones del núcleo revelaban que el
átomo en su mayor parte estaba vacío.
Rutherford propuso que los electrones orbitarían en ese espacio vacío
alrededor de un minúsculo núcleo atómico, situado en el centro del átomo. Además se
abrían varios problemas nuevos que llevarían al descubrimiento de nuevos hechos y
teorías al tratar de explicarlos:
Por un lado se planteó el problema de cómo un conjunto de cargas positivas
podían mantenerse unidas en un volumen tan pequeño, hecho que llevó
posteriormente a la postulación y descubrimiento de la fuerza nuclear fuerte,
que es una de las cuatro interacciones fundamentales.
Por otro lado existía otra dificultad proveniente de la electrodinámica clásica
que predice que una partícula cargada y acelerada, como sería el caso de los
electrones orbitando alrededor del núcleo, produciría radiación
electromagnética, perdiendo energía cayendo sobre el núcleo. Las leyes de
Newton, junto con las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo
aplicadas al átomo de Rutherford llevan a que en un tiempo del orden de 10 −
10s, toda la energía del átomo se habría radiado, con la consiguiente caída de
los electrones sobre el núcleo.2 Se trata, por tanto de un modelo físicamente
inestable, desde el punto de vista de la física clásica.
Según Rutherford, las órbitas de los electrones no están muy bien definidas y
forman una estructura compleja alrededor del núcleo, dándole un tamaño y forma
algo indefinidos. No obstante, los resultados de su experimento, permitieron calcular
que el radio del átomo era diez mil veces mayor que el núcleo mismo, lo que hace
que haya un gran espacio vacío en el interior de los átomos.
Modelo Atómico De Bohr
Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para realizar el modelo que lleva su
nombre. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz de explicar la estabilidad
de la materia y los espectros de emisión y absorción discretos que se observan en los
gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su
alrededor un electrón. El modelo atómico de Bohr partía conceptualmente del modelo
atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre cuantización que habían
surgido unos años antes con las investigaciones de Max Planck y Albert Einstein.
Debido a su simplicidad el modelo de Bohr es todavía utilizado frecuentemente como
una simplificación de la estructura de la materia.
En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo,
ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana posible al
núcleo. El electromagnetismo clásico predecía que una partícula cargada moviéndose
de forma circular emitiría energía por lo que los electrones deberían colapsar sobre el
núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este problema Bohr supuso que los
electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales
caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces identificarse
mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante. Este número "n"
recibe el nombre de Número Cuántico Principal.
Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado
y sólo podía variar en fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al
número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba del núcleo
cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno.
Estos niveles en un principio estaban clasificados por letras que empezaban en la
"K" y terminaban en la "Q". Posteriormente los niveles electrónicos se ordenaron por
números. Cada órbita tiene electrones con distintos niveles de energía obtenida que
después se tiene que liberar y por esa razón el electrón va saltando de una órbita a
otra hasta llegar a una que tenga el espacio y nivel adecuado, dependiendo de la
energía que posea, para liberarse sin problema y de nuevo volver a su órbita de
origen.
Sin embargo no explicaba el espectro de estructura fina que podría ser explicado
algunos años más tarde gracias al modelo atómico de Sommerfeld. Históricamente el
desarrollo del modelo atómico de Bohr junto con la dualidad onda-corpúsculo
permitiría a Erwin Schrödinger descubrir la ecuación fundamental de la mecánica
cuántica.
Modelo Atómico Actual
Entre los conocimientos actuales o no sobre el átomo, que han mantenido su
veracidad, se consideran los siguientes:
1. La presencia de un núcleo atómico con las partículas conocidas, la casi totalidad
de la masa atómica en un volumen muy pequeño.
2. Los estados estacionarios o niveles de energía fundamentales en los cuales se
distribuyen los electrones de acuerdo a su contenido energético.
3. La dualidad de la materia (carácter onda-partícula), aunque no tenga consecuencias
prácticas al tratarse de objetos de gran masa. En el caso de partículas pequeñas
(electrones) la longitud de onda tiene un valor comparable con las dimensiones del
átomo.
4. La probabilidad en un lugar de certeza, en cuanto a la posición, energía y
movimiento de un electrón, debido a la imprecisión de los estudios por el uso de la
luz de baja frecuencia.
Fue Erwin Schodinger, quien ideó el modelo atómico actual, llamado
"Ecuación de Onda", una fórmula matemática que considera los aspectos anteriores.
La solución de esta ecuación, es la función de onda (PSI), y es una medida de la
probabilidad de encontrar al electrón en el espacio. En este modelo, el área donde hay
mayor probabilidad de encontrar al electrón se denomina orbital.
El valor de la función de onda asociada con una partícula en movimiento esta
relacionada con la probabilidad de encontrar a la partícula en el punto (x,y,z) en el
instante de tiempo t.
En general una onda puede tomar valores positivos y negativos. una onda
puede representarse por medio de una cantidad compleja.
Piense por ejemplo en el campo eléctrico de una onda electromagnética. Una
probabilidad negativa, o compleja, es algo sin sentido. Esto significa que la función
de onda no es algo observable. Sin embargo el módulo (o cuadrado) de la función de
onda siempre es real y positivo. Por esto, a se le conoce como la densidad de
probabilidad.
La función de onda depende de los valores de tres (03) variables que reciben
la denominación de números cuánticos. Cada conjunto de números cuánticos, definen
una función específica para un electrón.
Teoría Cuántica
La física cuántica, también conocida como mecánica ondulatoria, es la rama
de la física que estudia el comportamiento de la materia cuando las dimensiones de
ésta son tan pequeñas, en torno a 1.000 átomos, que empiezan a notarse efectos como
la imposibilidad de conocer con exactitud la posición de una partícula, o su energía, o
conocer simultáneamente su posición y velocidad, sin afectar a la propia partícula
(descrito según el principio de incertidumbre de Heisenberg).
Surgió a lo largo de la primera mitad del siglo XX en respuesta a los
problemas que no podían ser resueltos por medio de la física clásica.
Los dos pilares de esta teoría son:
• Las partículas intercambian energía en múltiplos enteros de una cantidad mínima
posible, denominado quantum (cuanto) de energía.
• La posición de las partículas viene definida por una función que describe la
probabilidad de que dicha partícula se halle en tal posición en ese instante
Espectro electromagnético
El espectro electromagnético (o simplemente espectro) es el rango de todas las
radiaciones electromagnéricas posibles. El espectro de un objeto es la distribución
característica de la radiación electromagnética de ese objeto.
El espectro electromagnético se extiende desde las bajas frecuencias usadas
para la radio moderna (extremo de la onda larga) hasta los rayos gamma (extremo de
la onda corta), que cubren longitudes de onda de entre miles de kilómetros y la
fracción del tamaño de un átomo. Se piensa que el límite de la longitud de onda corta
está en las cercanías de la longitud Planck, mientras que el límite de la longitud de
onda larga es el tamaño del universo mismo, aunque en principio el espectro sea
infinito y continuo.
Rango del espectro
El espectro cubre la energía de ondas electromagnéticas que tienen longitudes
de onda diferentes. Las frecuencias de 30 Hz y más bajas pueden ser producidas por
ciertas nebulosas estelares y son importantes para su estudio. Se han descubierto
frecuencias tan altas como 2.9 * 1027 Hz a partir de fuentes astrofísicas.
La energía electromagnética en una longitud de onda particular λ (en el vacío)
tiene una frecuencia asociada f y una energía fotónica E. Así, el espectro
electromagnético puede expresarse en términos de cualquiera de estas tres variables,
que están relacionadas mediante ecuaciones.
De este modo, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una
longitud de onda corta y energía alta; las ondas de frecuencia baja tienen una longitud
de onda larga y energía baja.
Siempre que las ondas de luz (y otras ondas electromagnéticas) se encuentran
en un medio (materia), su longitud de onda se reduce. Las longitudes de onda de la
radiación electromagnética, sin importar el medio por el que viajen, son, por lo
general, citadas en términos de longitud de onda en el vacío, aunque no siempre se
declara explícitamente.
Generalmente, la radiación electromagnética se clasifica por la longitud de
onda: ondas de radio, microondas, infrarroja y región visible, que percibimos como
luz, rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma.
El comportamiento de la radiación electromagnética depende de su longitud
de onda. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas, y las
frecuencias inferiores tienen longitudes de onda más largas. Cuando la radiación
electromagnética interacciona con átomos y moléculas, su comportamiento también
depende de la cantidad de energía por cuanto que transporta. La radiación
electromagnética puede dividirse en octavas (como las ondas sonoras).
La espectroscopia puede descubrir una región mucho más amplia del espectro
que el rango visible de 400 nm a 700 nm. Un espectroscopio de laboratorio común
puede descubrir longitudes de onda desde 2 nm a 2500 nm. Con este tipo de aparatos
puede obtenerse información detallada sobre las propiedades físicas de objetos, gases
o incluso estrellas. La espectrometría se usa sobre todo en astrofísica. Por ejemplo,
muchos átomos de hidrógeno emiten ondas de radio que tienen una longitud de onda
de 21.12 cm.
Espectros atómicos
Espectro atómico es un concepto usado en física y química para referirse a:
Espectro de absorción, radiación electromagnética absorbida por un átomo o
molécula.
Espectro de emisión, radiación electromagnética emitida por un átomo en
estado gaseoso.
Cada átomo es capaz de emitir o absorber radiación electromagnética, aunque
solamente en algunas frecuencias que son características propias de cada uno de los
diferentes elementos químicos.
Si, mediante suministro de energía calorífica, se estimula un determinado
elemento en su fase gaseosa, sus átomos emiten radiación en ciertas frecuencias del
visible, que constituyen su espectro de emisión.
Si el mismo elemento, también en estado de gas, recibe radiación
electromagnética, absorbe en ciertas frecuencias del visible, precisamente las mismas
en las que emite cuando se estimula mediante calor. Este será su espectro de
absorción.
Se cumple, así, la llamada Ley de Kirchoff, que nos indica que todo elemento
absorbe radiación en las mismas longitudes de onda en las que la emite. Los espectros
de absorción y de emisión resultan ser, pues, el negativo uno del otro.
Puesto que el espectro, tanto de emisión como de absorción, es característico de cada
elemento, sirve para identificar cada uno de los elementos de la tabla periódica, por
simple visualización y análisis de la posición de las líneas de absorción o emisión en
su espectro.
Estas características se manifiestan ya se trate de un elemento puro o bien combinado
con otros elementos, por lo que se obtiene un procedimiento bastante fiable de
identificación.
Podemos, en definitiva, identificar la existencia de determinados elementos químicos
en la composición de sistemas inaccesibles, como pueden ser objetos astronómicos,
planetas, estrellas o sistemas estelares lejanos, aparte de que, también, y debido al
Efecto Doppler-Fizeau, podemos establecer una componente de velocidad de
acercamiento o alejamiento de nosotros.
Ya sabemos que cuando hacemos pasar la luz a través de un prisma óptico se produce
el efecto llamado dispersión que consiste en la separación de las distintas longitudes
de onda que forman el rayo incidente.
La luz blanca produce al descomponerla lo que llamamos un espectro continuo, que
contiene el conjunto de colores que corresponde a la gama de longitudes de onda que
la integran.
Sin embargo, los elementos químicos en estado gaseoso y sometidos a temperaturas
elevadas producen espectros discontinuos en los que se aprecia un conjunto de líneas
que corresponden a emisiones de sólo algunas longitudes de onda. El siguiente
gráfico muestra el espectro de emisión del Na (sodio):
El conjunto de líneas espectrales que se obtiene para un elemento concreto es siempre
el mismo, incluso si el elemento forma parte de un compuesto complejo, y cada
elemento produce su propio espectro diferente al de cualquier otro elemento. Esto
significa que cada elemento tiene su propia firma espectral.
Si hacemos pasar la luz blanca por una sustancia antes de atravesar el prisma sólo
pasarán aquellas longitudes de onda que no hayan sido absorbidas por dicha sustancia
y obtendremos el espectro de absorción de dicha sustancia. El gráfico siguiente
muestra el espectro de absorción del sodio:
Observa que el sodio absorbe las mismas longitudes de onda que es capaz de emitir.
La regularidad encontrada en los espectros discontinuos supone un apoyo muy
importante para comprender la estructura de los átomos.
Ondas de radio
Son ondas electromagnéticas producidas por el hombre con un
circuitooscilante.
1 cm < lambda < 1 km
Se emplean en radidifusión, las ondas usadas en la televisión son las de
longitud de onda menor y las de radio son las de longitud de onda mayor. Las
radioondas más largas se reflejan en la ionosfera y se pueden detectar en antenas
situadas a grandes distancias del foco emisor. Las ondas medias se reflejan menos en
la ionosfera, debido a su gran longitud de onda pueden superar obstáculos, por lo que
pueden recorrergrandes distancias.
Para superar montañas necesitan repetidores. Las ondas cortas no se reflejan
en la ionosfera, requieren repetidores más próximos. Se transmiten a cualquier
distancia mediante los satélites artificiales. Este tipo de ondas son las que emiten la
TV,teléfonos móviles y los radares.
Ondas Infrarrojas
La "luz" infrarroja tiene una longitud de onda más larga que la luz visible. La
luz roja tiene una longitud de onda más larga que la de los demás colores de la luz; la
luz infrarroja tiene una longitud de onda aún mayor que la roja, de manera que la luz
infrarroja es una especie de luz "más roja que roja" o luz "más allá del color rojo". La
radiación infrarroja no se puede ver pero algunas veces la podemos sentir en forma de
calor.
La radiación infrarroja se encuentra entre la luz visible y las ondas de radio
del espectro electromagnético. La radiación infrarroja (IR) tiene longitudes de ondas
entre 1 milímetro y 750 nanómetros. La longitud de onda de la luz roja tiene 700
nanómetros (o 7 000 Å). La radiación infrarroja oscila con frecuencias entre 300
gigahertz (GHz ó 109hertz) y 400 terahertz (THz ó 1012hertz).
El espectro infrarrojo se puede subdividir en infrarrojo lejano (1 mm a 10 µm
longitud de onda), infrarrojo medio (10 a 2.5 µm longitud de onda), y casi infrarrojo
(2 500 a 750 nm longitud de onda). La porción del IR lejano que incluye la longitudes
de onda entre 100 y 1 000 µm, es algunas veces conocida como infrarrojo extremo.
Las fronteras no siempre son obvias, y las diferencias entre la IR extrema y las
frecuencias de radio de microondas son poco obvias.
Podemos sentir el calor de la radiación infrarroja. El calor que sienten nuestras
manos cuando las colocamos cerca de la hornilla de una cocina, una vez que se ha
apagado la hornilla (y ya no está al rojo vivo) y que aún no está completamente fría
es, radiación infrarroja.
La atmósfera de la Tierra es opaca en gran parte debido a la parte infrarroja
del espectro. El vapor de agua, dióxido de carbono, metano y otros gases
invernaderos tienden a absorber la radiación infrarroja (IR), atrapando calor adicional
en la atmósfera inferior de la Tierra.
Los lentes de visión nocturna, así como el control remoto de una TV usan
"luz" infrarroja para poder funcionar.
Luz Visible
La luz visible es una de las formas como se desplaza la energía. Las ondas de
luz son el resultado de vibraciones de campos eléctricos y magnéticos, y es por esto
que son una forma de radiación electromagnética (EM). La luz visible es tan sólo uno
de los muchos tipos de radiación EM, y ocupa un pequeño rango de la totalidad del
espectro electromagnético. Sin embargo, podemos percibir la luz directamente con
nuestros ojos, y por la gran importancia que tiene para nosotros, elevamos la
importancia de esta pequeña ventana en el espectro de rayos EM.
Las ondas de luz tienen longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros (4 000
y 7 000 Å). A medida que el arcoíris se llena de matices, nuestros ojos perciben
diferentes longitudes de ondas de luz. La luz roja tiene longitudes de onda
relativamente largas, aproximadamente 700 nm (10-9 metros) de largo. La luz azul y
la luz morada tienen ondas cortas, aproximadamente 400 nm. Las ondas más cortas
vibran a mayores frecuencias, y tienen energías más elevadas. Las luz roja tiene una
frecuencia aproximada de 430 terahertz, mientras que la frecuencia de la luz azul es
de aproximadamente 750 terahertz. Los fotones rojos tienen aproximadamente 1.8
electrón-Volt(eV) de energía, mientras que cada fotón azul transmite
aproximadamente 3.1 eV.
Los vecinos de la luz visible en el espectro EM son la radiación infrarroja de
un lado, y luz ultravioleta del otro lado. La radiación infrarroja tiene longitudes de
ondas más largas que la luz roja, es por esto que oscila a una frecuencia menor y lleva
consigo menor energía. La radiación ultravioleta tiene longitudes de ondas más cortas
que la luz azul o violeta, por lo que oscila más rápidamente, y porta mayor cantidad
de energía por protón que la luz visible.
La luz viaja a la increíble velocidad de 299 792 458 kilómetros por segundo
(aproximadamente 186 282.4 millas por segundo). A esta increíble velocidad, ¡la luz
podría girar más de siete veces alrededor de la Tierra en cada segundo!. La letra "c"
minúscula se usa en las ecuaciones para representar la velocidad de la luz, como es el
caso de la famosa relación entre energía y materia de Einstein: "E = mc2". Todas las
formas de ondas electromagnéticas, incluyendo los rayos X y las ondas de radio, y
todas las demás frecuencias a lo largo del espectro EM, también viajan a la velocidad
de la luz. La luz viaja más rápidamente en el vacío, y se mueve más lentamente en
materiales como agua o vidrio.
Efecto Fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material
cuando se hace incidir sobre la radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta,
en general). A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y
la materia:
Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia
o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio
hacia la mitad del siglo XIX.
Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en
energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884.
Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.
El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887,
al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión
alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja
en la oscuridad. La explicación teórica fue hecha por Albert Einstein, quien publicó
en 1905 el revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de la
luz”, basando su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre
los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert AndrewsMillikan pasó diez años
experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta, para
finalmente concluir que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan fueran
condecorados con premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.
Rayos X
Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que
las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los
rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos
gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se
producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor
energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X
surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica,
fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía de los
rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma
producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizante porque al
interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir,
origina partículas con carga (iones).
Los rayos x, son energía electromagnética invisible, la cual es utilizada, como
una manera para obtener o sacar imágenes internas de los tejidos, huesos y órganos de
nuestro cuerpo u organismo.
Es por medio de este proceso, que un especialista, determina si los huesos de
un paciente están intactos o rotos, luego de un accidente. De la misma manera, uno se
puede enterar de lesiones internas en los órganos. Además, los rayos x, son utilizados
para descubrir si una persona posee o no, algún tumor cancerígeno.
La historia de los rayos x comienza con los experimentos del científico
William Crookes, en el siglo XIX, quien investigó los efectos de ciertos gases, en
conjunto con descargas de energía. Estos experimentos, se desarrollaban en un tubo
que contenía al vacío, y electrodos para que se generaran corrientes de alto voltaje. El
lo llamó tubo de Crookes. Pues bien, este tubo al estar cerca de placas fotográficas,
generaba en las mismas algunas imágenes ciertamente borrosas. Pero este físico
inglés, no continuó investigando mayormente este efecto.
Es así, como NikolaTelsa en 1887, comenzó a estudiar este efecto creado por
medio de los tubos de Crookes. Claro que tras su investigación, se dio cuenta de los
peligros para los organismos biológicos de estas radiaciones y alerto a la comunidad
científica.
Pero no fue hasta 1895, que Wilhelm Conrado Röntgen, que es considerado
quien inventó los rayos x, documentando estos experimentos con tubos al vacío fue el
primero en llamar rayos x a la radiación emitida, por ser de tipo desconocida. Por
ello, este científico fue galardonado con el primer Premio Nobel de Física. Más
adelante en sus experimentos notó casualmente que esta radiación podía atravesar
objetos materiales y dejar impresiones de su paso a través de estos y por supuesto, al
pasar a través del cuerpo humano con sus huesos; se dió cuenta de esto al sujetar con
su mano objetos para la experimentación. En 1896 publicó su descubrimiento y dio la
primera demostración.
Rayos Ultravioleta
Es un tipo de radiación. La luz ultravioleta (UV) tiene una longitud de onda
más corta que la de la luz visible. Los colores morado y violeta tienen longitudes de
onda más cortas que otros colores de luz, y la luz ultravioleta tiene longitudes de
ondas aún más cortas que la ultravioleta, de manera que es una especie de luz "más
morada que el morado" o una luz que va "más allá del violeta".
La radiación ultravioleta se encuentra entre la luz visible y los rayos X del
espectro electromagnético. La "luz" ultravioleta (UV) tiene longitudes de onda entre
380 y 10 nanómetros. La longitud de onda de la luz ultravioleta tiene
aproximadamente 400 nanómetros (4 000 Å).La radiación ultravioleta oscila entre
valores de 800 terahertz (THz ó 1012hertz) y 30 000 THz.
Algunas veces, el espectro ultravioleta se subdivide en los rayos UV cercanos
(longitudes de onda de 380 a 200 nanómetros) y un rayo UV extremo (longitudes de
onda de 200 a 10 nm). El aire normal es generalmente opaco para los rayos UV
menores a 200 nm (el extremo del rayo de los rayos UV); el oxígeno absorbe la "luz"
en esa parte del espectro de rayos UV.
En términos de impactos sobre el medio ambiente y la salud de los seres
humanos (¡y en su elección de anteojos de sol!), podría ser de utilidad subdividir el
espectro de luz UV de diferente manera, por ejemplo, en UV-A ("luz negra" u onda
larga de rayos UV con longitud de onda de 380 a 315 nm), UV-B (onda mediana
desde 315 hasta 280 nm), y UV-C (el "germicida" u onda corta de rayos UV, que
oscila entre 280 y 10 nm).
La atmósfera de la Tierra previene que la mayoría de los rayos UV
provenientes del espacio lleguen al suelo. La radiación UV-C es completamente
bloqueada a unos 35 km. de altitud, por el ozono estratosférico. La mayoría de los
rayos UV-A llegan hasta la superficie, pero los rayos UV-A hacen poco daño
genético a los tejidos. Los rayos UV-B son responsables de las quemaduras de Sol y
el cáncer de piel, aun cuando la mayoría es absorbida por el ozono justo antes de
llegar a la superficie. Los niveles de radiación UV-B existentes en la superficie son
particularmente sensibles a los niveles de ozono en la estratosfera.
La radiación ultravioleta causa quemaduras de la piel. También se usa para
esterilizar envases de vidrio usados en investigaciones médicas y biológicas.
Rayos Gamma
La radiación gamma o rayos gamma (γ) es un tipo de radiación
electromagnética, y por tanto formada por fotones, producida generalmente por
elementos radiactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par
positrón-electrón. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida en
fenómenos astrofísicos de gran violencia.
Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo
de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la
radiación alfa o beta. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las
células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos.
La energía de esta naturaleza se mide en megaelectronvoltios (MeV). Un MeV
corresponde a fotones gamma de longitudes de onda inferiores a 10 − 11 m o
frecuencias superiores a 1019Hz.
Los rayos gamma se producen en la desexcitación de un nucleón de un nivel o
estado excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos
radiactivos. Los rayos gamma se diferencian de los rayos X en su origen, debido a
que estos últimos se producen a nivel extranuclear, por fenómenos de frenado
electrónico. Generalmente asociada con la energía nuclear y los reactores nucleares,
la radiactividad se encuentra en nuestro entorno natural, desde los rayos cósmicos,
que nos bombardean desde el sol y las galaxias de fuera de nuestro Sistema Solar,
hasta algunos isótopos radiactivos que forman parte de nuestro entorno natural.
En general, los rayos gamma producidos en el espacio no llegan a la superficie
de la Tierra, pues son absorbidos en la alta atmósfera. Para observar el universo en
estas frecuencias, es necesario utilizar globos de gran altitud u observatorios
espaciales. En ambos casos se utiliza el efecto Compton para detectar los rayos
gamma. Estos rayos gamma se producen en fenómenos astrofísicos de alta energía
como explosiones de supernovas o núcleos de galaxias activas. En astrofísica se
denominan GRB (Gamma RayBursts) a fuentes de rayos gamma que duran unos
segundos o unas pocas horas siendo sucedidos por un brillo decreciente de la fuente
en rayos X durante algunos días. Ocurren en posiciones aleatorias del cielo y su
origen permanece todavía bajo discusión científica. En todo caso parecen constituir
los fenómenos más energéticos del Universo.
La excepción son los rayos gamma de energía por encima de unos miles de
MeV (o sea, gigaelectronvoltios o GeV), que, al incidir en la atmósfera, producen
miles de partículas (cascada atmosférica extensa) que, como viajan a velocidades
cercanas a las de la luz en el aire, generan radiación de Cherenkov. Esta radiación es
detectada en la superficie de la Tierra mediante un tipo de telescopio llamado
telescopio Cherenkov.
Rayos Alfa
Las partículas o rayos alfa (α) son núcleos completamente ionizados, es decir,
sin su envoltura de electrones correspondiente, de helio-4 (4He). Estos núcleos están
formados por dos protones y dos neutrones. Al carecer de electrones, su carga
eléctrica es positiva (+2qe), mientras que su masa es de 4 uma.
Se generan habitualmente en reacciones nucleares o desintegración radiactiva
de otros núclidos que se transmutan en elementos más ligeros mediante la emisión de
dichas partículas. Su capacidad de penetración es pequeña; en la atmósfera pierden
rápidamente su energía cinética, porque interaccionan fuertemente con otras
moléculas debido a su gran masa y carga eléctrica, generando una cantidad
considerable de iones por centímetro de longitud recorrida. En general no pueden
atravesar espesores de varias hojas de papel.
Tiene una carga de coulombs y una masa de kg.
Rayos Beta
Son radiaciones de partículas formadas por electrones o positrones emitidos
desde un núcleo en desintegración beta y que viajan a gran velocidad. Puesto que son
partículas con carga positiva o negativa, ionizan directamente.
Los rayos beta son partículas cargadas emitidas por ciertos núcleos
radiactivos. Estas partículas, que son idénticas, excepto en el signo de la carga, se
clasifican en positrones (+) y negatrones (-), que son idénticos a los electrones del
átomo. El intervalo de energía cinética con que aparecen estas partículas oscila entre
cero y 3-5 MeV.
Un rayo beta de 5 MeV de energía se detiene en 1 cm de material de densidad
superior a 2.8 g/mL. El paso de los rayos beta a través de la materia es
macroscópicamente observable por el efecto calórico, debido a la energía cinética
disipada. Esta radiación también puede provocar ciertas reacciones químicas y
producir cambios estructurales en los materiales por donde pasa, por ejemplo,
decolorar al vidrio. Los instrumentos para detectar los rayos beta son la cámara de
ionización, el contador Geiger, el contador proporcional y el detector de centelleo.
Las radiaciones ionizantes como los protones, deuterones, partículas alfa y
neutrones, pueden producirse simultáneamente cuando una partícula de energía alta
choca y rompe un átomo.
Fusión Nuclear
La fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga
similar se unen para formar un núcleo más pesado. Se acompaña de la liberación o
absorción de una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un
estado plasmático.
La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (que, junto con el
níquel, tiene la mayor energía de enlace por nucleón) libera energía en general,
mientras que la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía; y
viceversa para el proceso inverso, fisión nuclear. En el caso más simple de fusión del
hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear
fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de
energía.
La fusión nuclear se produce de forma natural en las estrellas. La fusión
artificial también se ha logrado en varias empresas, aunque todavía no ha sido
totalmente controlada. Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de
Ernest Rutherford conducidos unos pocos años antes, la fusión de núcleos ligeros
(isótopos de hidrógeno) fue observada por primera vez por Mark Oliphant en 1932;
los pasos del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas posteriormente fueron
elaborados por Hans Bethe durante el resto de esa década. La investigación sobre la
fusión para fines militares se inició en la década de 1940 como parte del Proyecto
Manhattan, pero no tuvo éxito hasta 1952. La investigación sobre la fusión controlada
con fines civiles se inició en la década de 1950, y continúa hasta hoy en día.
Fisión Nuclear
La fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en
el núcleoatómico. La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más
núcleos pequeños, además de algunos subproductos.
Neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del
núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta
energía).
La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico lo que supone que se
liberan cantidades sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que
la liberada en las reacciones químicas convencionales, en las que están implicadas
las cortezas electrónicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación
gamma como de energía cinética de los fragmentos de la fisión, que calentarán
la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzca la fisión.
La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del
núcleo de un átomo fisionable con una partícula de la energía correcta; la otra
partícula es generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el
núcleo, haciéndolo inestable (como una pirámide de naranjas en el supermercado
llega a ser inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la velocidad correcta). El
núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión
que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media
de dos y medio por reacción), y algunos fotones.
Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser
varios elementos químicos. Los elementos que se producen son resultado del azar,
pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad
de protones y neutrones del átomo fisionado original.
Los productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos, no
son isótopos estables; estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de
desintegración.
Reactivo Nuclear
Las Reacciones Nucleares son aquellas donde se altera la composición de los
núcleos atómicos liberándose enormes cantidades de energía.
Características de las reacciones nucleares
• Las reacciones nucleares son producidas por partículas nucleares.
• Las reacciones nucleares causan transmutación de los elementos, conversión
de un átomo a otro.
• Las reacciones nucleares ocurren con cambios de energía que superan a las de
las reacciones químicas.
• Las reacciones nucleares son independientes de las condiciones ambientales.
• La reactividad nuclear de un elemento es independiente de la forma en que se
halle, bien sea libre o formando compuestos.
Un reactor
nuclear es un dispositivo
en donde se produce
una reacción
nuclear controlada. Se puede utilizar para la obtención de energía en las denominadas
centrales nucleares, la producción de materiales fisionables, como el plutonio, para
ser usados en armamento nuclear, la propulsión de buques o de satélites artificiales o
la investigación. Una central nuclear puede tener varios reactores. Actualmente solo
producen energía de forma comercial los reactores nucleares de fisión, aunque
existen reactores nucleares de fusión experimentales.
También podría decirse que es una instalación física donde se produce,
mantiene y controla una reacción nuclear en cadena. Por lo tanto, en un reactor
nuclear se utiliza un combustible adecuado que permita asegurar la normal
producción de energía generada por las sucesivas fisiones. Algunos reactores pueden
disipar el calor obtenido de las fisiones, otros sin embargo utilizan el calor para
producir energía eléctrica.
La potencia de un reactor de fisión puede variar desde unos
pocos kW térmicos a unos 4500 MW térmicos (1500 MW "eléctricos"). Deben ser
instalados en zonas cercanas al agua, como cualquier central térmica, para refrigerar
el circuito, y deben ser emplazados en zonas sísmicamente estables para evitar
accidentes. Poseen grandes medidas de seguridad. No emiten gases que dañen la
atmósfera pero producen residuos radiactivos que duran decenas de miles de años, y
que deben ser almacenados para su posterior uso en reactores avanzados y así reducir
su tiempo de vida a unos cuantos cientos de años.
Teoría de la Reactividad
La teoría de la relatividad incluye dos teorías (la de la relatividad especial y la de la relatividad general) formuladas por Einstein a principios del siglo XX, que pretendían resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica newtoniana y el electromagnetismo.
La teoría especial de la relatividad, también llamada teoría de la relatividad
restringida, es una teoría física publicada en 1905 por Albert Einstein. Surge de la
observación de que la velocidad de la luz en el vacío es igual en todos los sistemas de
referencia inerciales y de sacar todas las consecuencias del principio de relatividad de
Galileo, según el cual cualquier experiencia hecha en un sistema de referencia inercial
se desarrollará de manera idéntica en cualquier otro sistema inercial.
La teoría especial de la relatividad estableció nuevas ecuaciones que permitían
pasar de un sistema de referencia inercial a otro. Las ecuaciones correspondientes
conducen a fenómenos que chocan con el sentido común, siendo uno de los más
asombrosos y más famosos la llamada paradoja de los gemelos.
La relatividad especial tuvo también un impacto en la filosofía, eliminando
toda posibilidad de existencia de un tiempo y de un espacio absoluto en el conjunto
del universo.
La teoría general de la relatividad o relatividad general es una teoría del
campo gravitatorio y de los sistemas de referencia generales, publicada por Albert
Einstein en 1915 y 1916.
El nombre de la teoría se debe a que generaliza la llamada teoría especial de la
relatividad. Los principios fundamentales introducidos en esta generalización son
el Principio de equivalencia, que describe la aceleración y la gravedad como aspectos
distintos de la misma realidad, la noción de la curvatura del espacio-tiempo y
el principio de covariancia generalizado.
La intuición básica de Einstein fue postular que en un punto concreto no se
puede distinguir experimentalmente entre un cuerpo acelerado uniformemente y
un campo gravitatorio uniforme. La teoría general de la relatividad permitió también
reformular el campo de la cosmología.
Experimento de Broglie
En 1924, el físico francés, Louis-Victor de Broglie (1892-1987), formuló
una hipótesis en la que afirmaba que:
Toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares
comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico.
Para postular esta propiedad de la materia De Broglie se basó en la
explicación del efecto fotoeléctrico, que poco antes había dado Albert
Einstein sugiriendo la naturaleza cuántica de la luz. Para Einstein, la energía
transportada por las ondas luminosas estaba cuantizada, distribuida en pequeños
paquetes energía o cuantos de luz, que más tarde serían denominadosfotones, y cuya
energía dependía de la frecuencia de la luz a través de la relación: , donde
es la frecuencia de la onda luminosa y la constante de Planck. Albert Einstein
proponía de esta forma, que en determinados procesos las ondas electromagnéticas
que forman la luz se comportan como corpúsculos. De Broglie se preguntó que por
qué no podría ser de manera inversa, es decir, que una partícula material (un
corpúsculo) pudiese mostrar el mismo comportamiento que una onda.
El físico francés relacionó la longitud de onda, λ (lambda) con la cantidad de
movimiento de la partícula, mediante la fórmula:
donde λ es la longitud de la onda asociada a la partícula de masa m que se mueve a
una velocidad v, y h es la constante de Planck. El producto es también el módulo
del vector , o cantidad de movimiento de la partícula. Viendo la fórmula se aprecia
fácilmente, que a medida que la masa del cuerpo o su velocidad aumentan, disminuye
considerablemente la longitud de onda.
Esta hipótesis se confirmó tres años después para los electrones, con la
observación de los resultados del experimento de la doble rendija de Young en
la difracción de electrones en dos investigaciones independientes. En la Universidad
de Aberdeen, George Paget Thomson pasó un haz de electrones a través de una
delgada placa de metal y observó los diferentes esquemas predichos. En
los Laboratorios Bell, Clinton Joseph Davisson y Lester Halbert Germer guiaron su
haz a través de una celda cristalina.
La ecuación de De Broglie se puede aplicar a toda la materia. Los cuerpos
macroscópicos, también tendrían asociada una onda, pero, dado que su masa es muy
grande, la longitud de onda resulta tan pequeña que en ellos se hace imposible
apreciar sus características ondulatorias.
De Broglie recibió el Premio Nobel de Física en 1929 por esta hipótesis.
Thomson y Davisson compartieron el Nobel de 1937 por su trabajo experimental.
Ecuación de Onda
La ecuación de Schrödinger fue desarrollada por el físico austríaco Erwin
Schrödinger en 1925. Describe la evolución temporal de una partícula masiva no
relativista. Es de importancia central en la teoría de la mecánica cuántica, donde
representa para las partículas microscópicas un papel análogo a la segunda ley de
Newton en la mecánica clásica. Las partículas microscópicas incluyen a las partículas
elementales, tales como electrones, así como sistemas de partículas, tales como
núcleos atómicos.
En mecánica cuántica, el estado en el instante t de un sistema se describe por
un elemento del espacio complejo de Hilbert — usando la notación bra-ket de
Paul Dirac. representa las probabilidades de resultados de todas las medidas
posibles de un sistema.
La evolución temporal de se describe por la ecuación de Schrödinger :
donde
: es la unidad imaginaria ;
: es la constante de Planck normalizada (h/2π) ;
: es el hamiltoniano, dependiente del tiempo en general, el observable
corresponde a la energía total del sistema ;
: es el observable posición ;
: es el observable impulso.
Como con la fuerza en la segunda ley de Newton, su forma exacta no la da la
ecuación de Schrödinger, y ha de ser determinada independientemente, a partir de las
propiedades físicas del sistema cuántico.
Debe notarse que, contrariamente a las ecuaciones de Maxwell que describen la
evolución de las ondas electromagnéticas, la ecuación de Schrödinger es no
relativista. Nótese también que esta ecuación no se demuestra: es un postulado. Se
supone correcta después de que Davisson y Germer hubieron confirmado
experimentalmente la hipótesis de Louis de Broglie.
Para más información del papel de los operadores en mecánica cuántica, véase la
formulación matemática de la mecánica cuántica.
Función de Onda
La función de onda se refiere a la ecuación de Schrödinger que calcula en
términosprobabilísticos, más o menos el momento y lugar donde puede localizarse un
electrón en un átomo, debido a que las teorías de la época y anteriores los situaban
como fijos en los átomos. La función de onda es un modelo válido para átomos
pequeños con un electrón o dos en sus orbitas. Si es posible extender la explicación a
nivel "molécula" , sería más o menos encontrar la probabilidad de encontrar el
electrón de enlace en un momento y espacio dado, para moléculas pequeñas.
Una función de onda de orbital atómico (o de valencia) tiene la cualidad de
solo tomar en cuenta términos de un solo átomo aislado.
Pero si tú tienes una molécula entonces ya tienes al menos dos átomos por lo
que necesitas una nueva función de onda.
La función de onda para un orbital molecular será una combinación lineal
(espero que comprendas ese término) de las funciones de onda de los orbitales
atómicos (como una primera aproximación).
Esto es debido a que la función de onda para un orbital atómico sirve para
describir la distribución electrónica en el átomo.
Pero al analizar moléculas se requiere describir la distribución electrónica
tanto en las regiones que se puede decir "pertenecen a cada átomo" como a aquella
región en donde haya una mayor densidad electrónica, es decir, un enlace.
Las funciones de onda se deben de ir mejorando para que al aplicar los
operadores correspondientes te den valores más cercanos a la realidad y se deben de
conservar con una cualidad de "asimétricas" para poder ser tomadas como válidas
para modelar el comportamiento de los electrones.
También deben de mejorarse los operadores aplicados a la función de onda
apra tomar en cuenta las interacciones que se tienen núcleo-electrón o bien de todos
los núcleos y los electrones (por eso se agregan términos al operados Hamiltoniano
para describir mejor la energía cinética o la energía potencial del sistema).
En realidad son cosas conceptuales muy densas en cuanto a matemáticas pero
espero que esto haya despejado un poco tu duda.
Número cuántico
Los números cuánticos son unos números que se conservan en los sistemas
cuánticos. Corresponden con aquellos observables que conmutan con el Hamiltoniano
del sistema. Así, los números cuánticos permiten caracterizar los estados
estacionarios, es decir los estados propios del sistema.
En física atómica, los números cuánticos son valores numéricos discretos que
nos indican las características de los electrones en los átomos, esto está basado en la
teoría atómica de Niels Bohr que es el modelo atómico más aceptado y utilizado en
los últimos tiempos por su simplicidad.
En física de partículas también se emplea el término números cuánticos para
designar a los posibles valores de ciertos observables o magnitud física que poseen un
espectro o rango posible de valores discreto.
Conjunto de números cuánticos
El conjunto de números cuánticos más ampliamente estudiado es el de un
electrón simple en un átomo: a causa de que no es útil solamente en química, siendo
la noción básica detrás de la tabla periódica, valencia y otras propiedades, sino
también porque es un problema resoluble y realista.
En particular, se refiere a los números que caracterizan los estados propios
estacionarios de un electrón de un átomo hidrogenoide y que, por tanto, describen los
orbitales atómicos. Estos números cuánticos son:
I)El número cuántico principal n Este número cuántico indica la distancia
entre el núcleo y el electrón, medida en niveles energéticos, pero la distancia
media en unidades de longitud también crece monótonamente con n. Los
valores de este número, que corresponde al número del nivel energético,
varían entre 1 e infinito, mas solo se conocen átomos que tengan hasta 7
niveles energéticos en su estado fundamental.
II) El número cuántico del momento angular o azimutal (l =
0,1,2,3,4,5,...,n-1), indica la forma de los orbitales y el subnivel de energía en
el que se encuentra el electrón. Un orbital de un átomo hidrogenoide tiene l
nodos angulares y n-1-l nodos radiales. Si:
l = 0:Subórbita "s" ("forma circular") →s proviene de sharp (nitido) (*)
l = 1:Subórbita "p" ("forma semicircular achatada") →p proviene de principal
(*)
l = 2:Subórbita "d" ("forma lobular, con anillo nodal") →d proviene de difuse
(difuso) (*)
l = 3:Subórbita "f" ("lobulares con nodos radiales") →f proviene de
fundamental (*)
l = 4:Subórbita "g" (*)
l = 5:Subórbita "h" (*)
III) El número cuántico magnético (m, ml), Indica la orientación espacial
del subnivel de energía, "(m = -l,...,0,...,l)". Para cada valor de l hay 2l+1
valores de m.
IV) El número cuántico de espín (s, ms), indica el sentido de giro del campo
magnético que produce el electrón al girar sobre su eje. Toma valores 1/2 y -
1/2.
En resumen, el estado cuántico de un electrón está determinado por sus
números cuánticos:
nombre símbolosignificado
orbitalrango de valores valor ejemplo
número cuántico
principalshell o capa
número cuántico
secundario o
azimutal (momento
angular)
subshell o
subcapa
para :
número cuántico
magnético,
(proyección del
momento angular)
energía shift
para
:
número cuántico
proyección de espínespín
para un electrón, sea:
Principio de la incertidumbre
Werner K. Heisenberg, físico alemán conocido por enunciar el principio de incertidumbre que lleva su nombre en 1927, siendo una contribución fundamental para la teoría cuántica.
El principio de incertidumbre de Heisenberg, también conocido la “relación de indeterminación”, afirma la imposibilidad de realizar la medición precisa de la posición y del momento lineal (cantidad de movimientos) de una partícula al mismo tiempo. Esto produce que las partículas, en su movimiento no tienen una trayectoria definida.
Heisenberg presentó su modelo atómico, negándose a describir al átomo como un compuesto de partículas y ondas, ya que pensaba que cualquier intento de
describir al átomo de dicha manera fracasaría. El prefería hacer referencia a los niveles de energía o a las órbitas de los electrones, usando términos numéricos, utilizando lo que llamó“mecánica de matriz”.
Para conseguir entender mejor este principio, se suele pensar en el electrón, ya que para realizar la medida o para poder ver a esta partícula se necesita la ayuda de un fotón, que choque contra el electrón modificando su posición, así como su velocidad, pero siempre se comete un error al intentar medirlo, por muy perfecto que sea el instrumental que utilizamos para el experimento, éste introducirá un fallo imposible de anular.
Si en un estado concreto se realizan varias copias iguales de un sistema, como puede ser un átomo, las medidas que se realicen de la posición y cantidad de movimiento, difieren según la distribución de la probabilidad que haya en el estado cuántico de dicho sistema. Las medidas del objeto que se esté observando se verán afectadas por una desviación estándar, designada como Δx, para la posición y Δp, para el movimiento. Se comprueba así el principio de indeterminación que matemáticamente se expresa como:
Δx . Δp ≥ h/2π
donde “h” es la constante de Planck con un valor conocido de h= 6.6260693 (11) x 10^-34 J.s
La indeterminación posición-momento no se produce en la física de sistemas clásicos, ya que ésta se utiliza en estados cuánticos del átomo, siendo h demasiado pequeña. La forma más conocida, que reemplaza el principio de indeterminación para el tiempo-energía se escribe como:
ΔE. Δt ≥ h/2π
Siendo esta la relación que se utiliza para estudiar la definición de la energía del vacío, y en la mecánica cuántica, se usa para estudiar la formación de partículas virtuales y sus consecuencias.
A parte de las dos relaciones anteriores, existen otras “desigualdades”, como por ejemplo Ji, en el momento angular total de un sistema:
En donde i, j y k son diferentes y Ji expresa el momento angular en un eje Xi :
ΔJi ΔJj ≥ h/2π │( Jk)│
En un sistema cuántico de 2 magnitudes físicas, por ejemplo, a y b, interpretadas por operadores como A y B, no será factible preparar sistemas en el estado Ψ, si los desvíos estandar de a y b no cumplen la condición:
ΔΨA . ΔΨB ≥ ½ │( Ψ [ A,B ] Ψ ) │
El principio de incertidumbre tiene sus consecuencias, pues produce un cambio en la física, ya que se pasa de tener un conocimiento totalmente preciso en la teoría, pero no en el conocimiento, que se encuentra basado en probabilidades.Este resultado, como tanto otros en la mecánica cuántica, sólo afecta a la fisicoquímica subatómica, debido a que la constante de Planck es bastante pequeña, en un universo macroscópico la incertidumbre cuántica es despreciable, y continúan teniendo validez las teorías relativistas, como la de Einstein.
En mecánica cuántica, las partículas no siguen caminos definidos, no se puede saber el valor exacto de las magnitudes físicas que explican el estado de movimiento de una partícula, solamente una estadística de su distribución, por lo cual tampoco se puede saber la trayectoria de una partícula. Pero, en cambio si se puede decir que hay una cierta probabilidad de que una partícula esté en una región concreta del espacio en un momento dado.
Se suele decir que el determinismo científico, se anula con el carácter probabilístico de la cuántica, pero existen diversas formas de interpretar la mecánica cuántica, y por ejemplo, Stephen Hawking comenta que la mecánica cuántica en sí, es determinista, siendo posible que su supuesta indeterminación sea porque verdaderamente no existen posiciones o velocidades de partículas, sino que todo sean ondas. Así, los físicos y químicos cuánticos intentarían insertar a las ondas dentro de las ideas previas sobre posiciones y velocidades.
El “principio de incertidumbre” influyó notablemente en el pensamiento físico y filosófico de la época. Es frecuente leer que el principio de la incertidumbre borra
todas las certezas de la naturaleza, dando a entender, que la ciencia no sabe ni sabrá nunca hacia donde se dirige, ya que el conocimiento científico depende de la imprevisibilidad del Universo, donde la relación causa- efecto no siempre van de la mano.
Heisenberg obtuvo el premio Nobel de física en 1932, gracias a las grandes aportaciones que dio a la mecánica cuántica. Su principio de incertidumbre jugó un papel importante, no solo en la ciencia , sino también en el avance del pensamiento filosófico actual.
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