Descubrimiento de partículas subatómicas

   El verdadero desarrollo se alcanzó con el estudio de las descargas eléctricas a través de gases erarecidos (a baja presión).

 En 1964 Willian Crookes descubre una radiación luminosa que se produce en un tubo de vidrio que contenía un gas a baja presión, después de una descarga de bajo voltaje. Esta observación origino la curiosidad necesaria para el descubrimiento de otros tipos de radiaciones, tales como los rayos catódicos, rayos canales, rayos X, radio actividad.

  Los rayos catódicos son una radiación originada en el cátodo, después de aplicada una descarga de alto voltaje. Viaja en línea recta hasta el ánodo, es altamente energética, puede producir efectos mecánicos, y se desvían hacia la placa positiva de un campo eléctrico, lo que demuestra su carga negativa.

  Las Partículas que componen esta radiación se originan en cualquier gas, lo que demuestra que son componentes atómico y se les llamo electrones.

  Los rayos canales son una luminosidad que viaja en línea de recta en dirección hacia el cátodo.

  Se desvía hacia la placa negativa del campo eléctrico, lo que demuestra que son de Naturaleza positiva. Tiene un tamaño mayor que el haz de los rayos catódicos. Se originan cuando el átomo pierde electrones para dirigirse hacia el ánodo. Las partículas producidas en el gas Hidrogeno, recibieron la denominación de protones.

  Rayos X, descubiertos por Roentgen en 1895, se producen en forma simultanea con los catódicos y canales. Esta radiación impresiona una placa fotográfica atravesando una cartulina negra, viaja en línea recta y puede ionizar los gases demuestra una naturaleza neutra desde el punto de vista eléctrico, debido a que permanece inalterable frente a un campo de naturaleza eléctrica.

Esta radiación ha sido ampliamente utilizada en la medicina y en el estudio de la disposición de las partículas en los sólidos.

  La Radioactividad es el alto contenido energético, capaz de ionizar un gas, impresionar capaz fotográficas, destellos de luz al incidir en elementos como el sulfuro de zinc (ZnS). A ser sometido a la acción de un campo magnético se distinguen tres tipos: positivas, negativas y neutras.

A finales del siglo XIX se intensifico su estudio por Bequerel y los esposos curie.

  Características del electrón

 El conocimiento del electrón no pasó del obtenido con los rayos catódicos. Es una partícula que se encuentran en los elementos químicos, que su salida implica un contenido energético grande, con carga negativa. Utilizando los conocimientos que se conocen acerca del campo electrónico y magnético, Thomson logra descubrir una característica cuantitativa del electrón: La carga especifica, es decir la carga en una unidad de masa (e/m), el valor es 1,76.108 coul/g.

 Hasta 1909 no se conoció la masa ni la carga de esta partícula, en ese año, A. Millikan ideó un aparato bastante sencillo para la determinación de la carga.

 Consiste en un envase de vidrio, con dos anillos mecánicos dispuestos horizontalmente, que servirán de electrodos para generar campos magnéticos entre ellos. En la parte superior se encuentra un gotero con aceite; y en el orificio, una malla que se encargara de dividir la gota de aceite en otras mas pequeñas. Además, con el frotamiento, se cargaran electrónicamente. La observación de la caída de las gotas se hará con un lente que se coloca en la zona intermedia a los anillos. Mientras no se conecte el campo magnético, la caída de las gotas la gobernara a la fuerza de gravedad.

 Sin embargo, al generar el campo, las partículas que se encuentren cargadas negativamente se sentirían atraídas por la placa positiva, y esta carga eléctrica con sentido eléctrico a la fuerza de gravedad, frenara la caída, incluso al igualarse la gota permanecerá suspendida en el aire.

 Igualando las dos fuerzas se pueden obtener las cargas de las micro gotas de aceite.

Se obtuvo el valor de 1.6x10-19 coulombios, o un múltiplo de este número lo que se explica con la adquisición de más de una carga negativa.

 Una vez conocida la carga del electrón, la masa resulto fácil de calcular a partir del valor de la carga especifica (e/m) logrado por Thomson. 

Modelo atómico de Dalton

John Dalton (Eaglesfield, Inglaterra 1766 - Manchester, Inglaterra 1844) fue un químico y físico británico que desarrollo la primera teoría atómica en la que se basa la ciencia física moderna. Su teoría fue formulada primeramente en 1803 y en 1808 publico su obra Nuevo sistema de filosofía química. En este libro explicaba su teoría atómica.

John Dalton

El modelo atómico de Dalton introduce la idea de discontinuidad de la materia, es decir, esta es la primera teoría científica de la historia que considera que la materia esta divida por átomos. Para el físico inglés, los átomos eran esferas macizas.

Mediante esta teoría Dalton observó que su teoría permitía, a la vez, interpretarlas propiedades físicas de los gases y explicar las leyes pondérales de las combinaciones químicas.

Postulados de Dalton

John Dalton escribió los siguientes postulados básicos sobre su teoría atómica:

La materia esta dividida por unas pequeñas partículas indivisibles e inalterables a las que denominamos átomos.

Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí, es decir, presentan la misma masa e iguales propiedades.

Los átomos de diferentes elementos químicos son distintos, en particular tienen distinta masa y propiedades diferentes.

Los átomos son indestructibles y retienen su identidad en los cambios químicos.

Los compuestos se forman cuando los átomos de diferentes elementos se unen entre sí, en una relación constante y sencilla, formando entidades definidas (hoy llamadas moléculas).

En su día en esta teoría atómica no se observo ningún error, pero gracias a otros modelos atómicos actualmente sabemos que los átomos sí pueden dividirse en y alterarse si estas expuestos a una serie de condiciones concretas.

Hoy en día es necesario introducir el concepto de los átomos isótopos, que son aquellos los cuales pertenecen al mismo elemento, que tienen distinta masa, y esa es justamente a característica que los diferencia entre sí.

Ley de proporciones múltiples

Dalton, además de esta teoría creó la ley de las proporciones múltiples. Cuando los elementos se combinan en mas de una proporción, y aunque los resultados de estas combinaciones son compuestos diferentes, existe una relación entre esas proporciones.

Cuando dos elementos se combinan para formar una más de un compuesto, las cantidades de uno de ellos que se combina con una cantidad fija del otro están relacionadas entre sí por números enteros sencillos.

Representación de distintos átomos según Dalton:

ð Oxígeno

ð Hidrógeno

Azufre

Cobre

ð Carbono

Representación de un cambio químico según Dalton:

ð + ðððð

Esto quería decir que un átomo de oxígeno más un átomo de hidrógeno daba un átomo o molécula de agua

La formación de agua a partir de oxígeno e hidrógeno supone la combinación de átomos de estos elementos para formar “moléculas” de agua. Dalton, equivocadamente, supuso que la molécula de agua contenía un átomo de oxígeno y otro de hidrógeno

3.- Modelo atómico de Thomson

Joseph John Thomson (Cheetam Hill, Inglaterra 1856 - Cambridge, Inglaterra 1940) se interesó por los problemas de la física en general, pero especialmente investigó las propiedades eléctricas de la materia.

Joseph John Thomson

Según el modelo de Thomson el átomo consistía en una esfera de materia cargada positivamente en la que se hallaban incrustados de un modo parecido como lo están las pasas en un pastel. Este sencillo modelo explicaba el hecho de que la materia fuese eléctricamente neutra.

Descubrimiento del electrón

El primer experimento que condujo a este modelo atómico fue hecho por Thomson entre los años 1989 a 1903, mediante el cual estudió la descarga eléctrica que se produce dentro de los tubos al vacío parcial, llamados tubos de rayos catódicos. El aire enrarecido pare que si alguna partícula pequeña se desplaza y choca una molécula de nitrógeno u oxigeno, se produzca una iluminación en la dirección del flujo de partículas de modo que pueda identificarse. Thomson encontró que cuando un voltaje suficientemente alto era aplicado entre los electrodos como muestra la figura, un rayo al que llamo rayo catódico se producía.

Este rayo viajaba hacia el electrodo (+) por lo que Thomson dedujo que se trataba de un flujo de partículas repelidas por el electrodo (-) por lo que necesariamente las partículas del flujo eran (-) a las cuales llamo desde entonces electrones.

Para demostrar que se trataba de partículas cargadas negativamente Thomson ideó colocar “otra pila” con electrodos positivo y negativo perpendiculares al haz que se origina en el polo negativo, como muestra la siguiente figura. Así él también descubrió que el flujo se desviaba hacia el polo positivo de la pila

Modelo de átomo de Thomson

Naturalmente que estas consideraciones conducen al problema de la distribución dentro de un átomo de las cargas positivas y negativas. Como ya hemos dicho anteriormente J.J. Thomson propuso un modelo atómico de un átomo según el cual los electrones cargados negativamente estaban localizados dentro de una distribución de carga positiva. Se suponía que la distribución de la carga positiva era de forma esférica con un radio cuyo orden de magnitud era de 10-10 m  () que era el radio conocido para un átomo. Debido a su repulsión mutua, los electrones se deberían distribuir uniformemente en la esfera de carga positiva, por lo que este modelo también es conocido como pastel de pasas. En un átomo en su estado de energía posible más bajo, los electrones deberían estar fijos en sus posiciones de equilibrio, en cambio, en los átomos excitados, los electrones deberían vibrar alrededor de un cuerpo cargado acelerado, tal como un electrón vibrando, emite una redacción electromagnética, era posible entender la emisión de dicha radicación por átomos excitados. Sin embargo, existía un desacuerdo con los espectros atómicos observados.

Modelo atómico de Thomson

4.- Modelo atómico de Rutherford

Ernest Rutherford (Nelson, Nueva Zelanda 1871 - Cambridge, Inglaterra 1937) fue un físico británico y alumno de J.J. Thomson. Dedico su vida al estudio de la materia y la radiactividad.

Ernest Rutherford

Experimento de Rutherford

El experimento de Rutherford consistía en bombardear una lámina de oro muy fina, de un aproximado espesor de 10-3 cm, con un haz de partículas . Las partículas son iones He2+; son uno de los tipos de partículas que se producen cuando se descompone una sustancia radiactiva.

Según el modelo de Thomson lo que cabía esperar es que el haz de partículas atravesase la lamina separándose algo más unas partículas de otras. Sin embargo, Rutherford obtuvo unos resultados sorprendentes: algunas partículas sufrían desviaciones considerables y una mínima parte incluso rebotaba en la lámina de oro y volvía hacia atrás.

Las grandes desviaciones de algunas partículas sólo se podían explicar por choque contra una partícula de gran masa y elevada carga positiva. Esto hizo suponer a Rutherford que toda la carga positiva del átomo estaba concentrada en un pequeño gránulo, donde residía, además, la casi totalidad de su masa. Los datos experimentales indicaban que el radio del núcleo era mas de diez mil veces menor que el del átomo.

Como el peso atómico de los elementos tenia un valor mucho mayor que el calculado a base de los protones del núcleo, Rutherford sugirió que en los núcleos de los átomos tenían que existir otras partículas de masa casi igual a la del protón, pero sin carga eléctrica, por lo que las llamoneutrones. El neutrón fue descubierto experimentalmente en 1932 por Chadwick, quien, al bombardear el berilio con partículas , observó que se producían unas partículas que identificó con los neutrones predichos por Rutherford.

PartículaCarga electrónica

(Coulombs)Masa (kg.)

Electrón -1,6021 · 10-19 9,1091 · 10-31Protón +1,6021 · 10-19 1,6725 · 10-27

Neutrón ¯¯ 1,6748 · 10-27

Postulados de Rutherford

En 1911, Ernest Rutherford introdujo un nuevo modelo de átomo, también llamado modelo atómico planetario. Rutherford consideró que el átomo se dividía en:

Un núcleo central, el cual contiene los protones y neutrones, y por tanto allí, se concentra toda la carga positiva y también casi toda la masa del átomo.

Una corteza, formada por los electrones, que giran alrededor del núcleo en órbitas circulares, de forma similar a como los planetas giran alrededor del Solo, por lo que también es llamado modelo atómico planetario

Los experimentos de Rutherford demostraron que el núcleo es muy pequeño con el tamaño de todo el átomo, por lo que podemos decir que el átomo esta prácticamente hueco.

Al igual que los modelos atómicos anteriores, el de Dalton y Thomson, el modelo de Rutherford no explicaba ciertos comportamientos de los átomos ni el espectro atómico de éstos. Este modelo atómico se contradecía con las leyes del electromagnetismo de Maxwell, las cuales estaban ampliamente comprobadas mediante numerosos datos experimentales. Según las leyes de Maxwell, una carga eléctrica en movimiento, como es el electrón, debería emitir energía continuamente en forma de radiación, con lo que llegaría un momento en el que el electrón caería sobre el núcleo del átomo y, por tanto, la materia se destruiría; esto debería ocurrir en un tiempo muy breve.

5.- Modelo atómico de Bohr

Espectros atómicos:

Cuando se hace pasar la radiación emitida por un cuerpo caliente a través de un prisma óptico, se descompone en distintas radiaciones electromagnéticas dependiendo de su distinta longitud de onda (los distintos colores de la luz visible, radiaciones infrarrojas y ultravioletas) dando lugar a un espectro óptico. Todas las radiaciones obtenidas impresionan las películas fotográficas y así pueden ser registradas.

Espectro de emisión:

Aquellos espectros que se obtienen al descomponer las radiaciones emitidas por un cuerpo, cuando éste ha sido excitado previamente.

Los espectros de emisión continuos se obtienen al pasar radiaciones de cualquier sólido incandescente por un prisma. Todos los sólidos a la misma temperatura producen espectros de emisión iguales.

Espectro de la luz blanca

Los espectros de emisión discontinuos se obtienen al pasar la luz de vapor o gas previamente excitado. En este caso las radiaciones emitidas son características de átomos excitados.

Espectro de emisión del Litio

Espectros de absorción:

Los espectros atómicos resultantes de intercalar una determinada sustancia entre luna fuente de luz y un prisma.

Los espectros de absorción continuos se obtienen al intercalar el sólido entre el foco de radiación y el prisma. Así, por ejemplo, si intercalamos un vidrio de color azul quedan absorbidas todas las radiaciones excepto la radiación azul.

Los espectros de absorción discontinuos se producen al intercalar vapor o gas entre la fuente de radiación y el prisma. Se observan bandas o rayas situadas a la misma longitud de onda que los espectros de emisión de esos mismos vapores o gases.

Espectro de absorción del Litio

Formula de Rydberg:

Permite calcular la longitud de onda, , de cualquiera de las líneas que forman el espectro del hidrógeno:

1/ = R (1/n12 - 1/n22)

: longitud de onda de cada línea del espectro (1/: número de ondas)

n1, n2: números enteros positivos (n1< n2)

R: constante de Rydberg = 109677,7 cm-1

Esta misma fórmula puede utilizarse para calcular la frecuencia de cada línea espectral; en ese caso, 1/ se reemplaza por la frecuencia v, y la constante R vale 3,29 · 1015 s-1.

En función del valor n1, podemos distinguir diferentes series en el espectro atómico del hidrógeno:

n1 = 1: serie d Lyman

n2 = 2: serie de Balmer

n3 = 3: serie de Paschen

n4 = 4: serie de Brackett

n5 = 5: serie de Pfund

n6 =6: serie de Humphreys

Teoría cuántica de Planck

Sabemos que la materia está dividida en unas partículas mínimas, los átomos, de forma que cualquier cantidad de materia será siempre un número entero átomos. La teoría cuántica de Planck será extiende esta idea a la energía: cuando una sustancia absorbe o emite energía, no puede absorberse o emitirse cualquier cantidad de energía, sino que definimos una cantidad mínima llamada cuanto (que será el equivalente en energía a lo que es el átomo para la materia). De esta manera, cualquier cantidad de energía que se emita o se absorba deberá ser un número entero de cuantos.

Max Planck

Cuando la energía está en forma de radiación electromagnética (es decir, de una radiación similar a la luz), se denomina energía radiante y su unidad mínima recibe el nombre de fotón. La energía de un fotón viene dada

por la ecuación de Planck:

E = h · v

h: constante de Planck = 6,62 · 10-34 J · s

v: frecuencia de la radiación (es un parámetro que sirve para diferenciar unas radiaciones de otras).

Postulados de Bohr:

El modelo atómico de Rutherford llevaba a unas conclusiones que se contradecían claramente con los datos experimentales. Para evitar esto, Niels Bohr (Copenhague 1885 - Copenhague 1962) planteó unos postulados que no estaban demostrados en principio pero que después llevaba a unas conclusiones que sí eran coherentes con los datos experimentales; es decir, la justificación experimental de este modelo es a posteriori.

Niels Bohr

En 1913 Niels Bohr desarrollo un modelo en el que exponía los siguientes postulados:

Un electrón en un átomo se mueve en una órbita circular alrededor del núcleo bajo la influencia de la atracción de Coulomb entre el electrón y el núcleo, sujetándose a las leyes de la mecánica clásica.

En vez de una infinidad de órbitas que eran posibles en la mecánica clásica, para un electrón solo es posible moverse en una, para la cual su momento angular de orbital es un múltiplo entero de h, la constante de Planck dividida entre 2, donde n es el número cuántico principal.

A pesar de que el electrón se acelera constantemente cuando se mueve en una de estas órbitas permitidas no radia energía electromagnética. Entonces su energía total E permanece constante.

Se emite radiación electromagnética si un electrón, que inicialmente se mueve en una órbita de energía total Ei, cambia su movimiento de manera discontinua para moverse en una órbita de energía total Ef. La frecuencia de la radiación emitida v es igual a la cantidad (Ei-Ef) dividida entre la constante de Planck, h.

Modelo atómico de Bohr

Explicación de los espectros atómicos por el modelo de Bohr

Bohr introdujo el número cuántico principal, el número n, que da nombre a las distintas órbitas de átomo.

El electrón, cuando emite energía cae de una órbita a otra más próxima al núcleo, lo contrario ocurre cuando el electrón capta energía.

Según la teoría electromagnética una carga acelerada tiene que irradiar energía, no puede haber ningún orbital

permanente. Por eso Bohr argumentaba que no se podía perder energía continuamente sino en cuantos (de acuerdo con la teoría de Planck) equivalentes a la diferencia de energía entre las órbitas posibles.

Cuando a un átomo se le suministra energía y los electrones saltan a niveles más energéticos, como todo sistema tiene a tener la menor energía posible, el átomo es inestable y los electrones desplazados vuelven a ocupar en un tiempo muy breve el lugar que dejasen vacío de menor energía, llamados niveles energéticos fundamentales.

Así pues, ya tenemos una explicación de los espectros atómicos con el modelo de Bohr. Cuando un átomo es excitado por alguna energía exterior, algún electrón absorbe dicha energía pasando de un nivel energético fundamental a niveles de energía superior. Como, según Planck, la absorción de energía esta cuantizada, la diferencia de energía entre ambos niveles será h·v. El electrón absorbe solo una radiación de frecuencia v determinada mayor, cuanto mayor sea el “salto” del electrón.

Como el átomo excitado es inestable, en un tiempo muy breve el electrón desplazado volverá al nivel energético fundamental, emitiendo una energía de la misma frecuencia, h·v, que absorbió anteriormente.

Así el espectro de emisión de un elemento estará formado por líneas definidas, situadas en la misma longitud de onda que el espectro de emisión, separadas por zonas oscuras.

Ello explica por que los espectros de vapores o gases son discontinuos.

Es un hecho experimental que cada elemento químico tiene su espectro atómico característico.

Fue a partir de las series del hidrogeno, de las frecuencias de las distintas radiaciones emitidas, de donde Bohr dedujo los niveles de energía correspondientes a las órbitas permitidas. Sin embargo, al aplicar esta distribución de los niveles energéticos a otros elementos no se correspondían esos cálculos teóricos con los resultados experimentales

de los espectros, que eran mucho más complejos. Incluso el mismo átomo de hidrogeno con espectroscopios más precisos producía líneas que con el modelo de Bohr no se podían explicar

6.- Modelo atómico actual. Modelo mecano-cuántico

Corrección de Sommerfield

Al perfeccionarse los espectroscopios, aparatos que muestran los espectros atómicos, se observo que las líneas del espectro del hidrogeno eran en realidad varias líneas muy juntas. Y lo que Bohr creyó que eran estados únicos de energía, eran varios estados muy próximos entre sí. Sommerfield lo interpretó diciendo que las órbitas podían ser elípticas. Para ello introdujo un nuevo número cuántico l, también llamado número azimutal, que puede valer:

l= 0, 1, ...... , (n-1)

Con este nuevo número cuántico, se determinan los tipos de orbitales s, p, d y f

l=0 orbital tipo s

l=1 orbital tipo p

l=2 orbital tipo d

l=3 orbital tipo f

ejemplos de orbitales

Este número nombra a cada uno de los niveles de energía posibles para cada valor de n. Con Sommerfield, para determinar la posición del electrón en el átomo de hidrogeno hay que dar dos números cuánticos l y m.

Efecto Zeeman

Cuando se obtiene un espectro del átomo de hidrogeno mientras el gas esta dentro de un campo magnético se observa un desdoblamiento de líneas que analizó Sommerfield. Cada una de estas líneas se desdobla en

varias. Este fenómeno desaparecía al eliminar el campo magnético por lo que no se debe a que existían nuevos estados distintos de energía del electrón, sino que está provocado por la interacción del campo magnético externo y el campo magnético que crea el electrón al girar en su órbita.

Este problema se solucionó pensando que para algunas órbitas de Sommerfield existen varias orientaciones posibles en el espacio que interaccionan de forma distinta con el campo magnético externo. Para ello se creo un nuevo número cuántico que vale para cada valor de l:

m= -l, ..... , -1, 0, 1, ..... , +l

Para determinar la posición del electrón en el átomo de hidrógeno hay que dar tres números cuánticos: n, l, m.

Al perfeccionar los espectroscopios y analizar los espectros obtenidos por el efecto Zeeman, se comprobó que cada línea era en realidad dos líneas muy juntas. A esto se le llamó efecto Zeeman anómalo, y si desaparecía el campo magnético también desaparecía este efecto.

Se explicó admitiendo que el electrón puede girar sobre sí mismo y hay dos posibles giros, que interaccionaban de forma distinta con el campo magnético externo y que por eso cada línea se desdoblaba en dos. Se creó un nuevo número cuántico s, o número de spin o giro, al que se le dio dos valores, uno para cada sentido:

s= ±1/2

Después de esto se podía describir la posición de un electrón mediante cuatro números cuánticos: n, l, m y s.

Sin embargo, tanto la corrección de Sommerfield como el efecto Zeeman, tan solo servían para el átomo de hidrogeno, puesto que su aplicación en la descripción de otros átomos fracasó.

Dualidad onda corpúsculo de De Broglie

La naturaleza de la luz no es fácilmente analizable a no ser que la consideremos de tipo ondulatorio a fin de explicar ciertos fenómenos, como la refracción o la difracción entre otros, o de tipo cropuscular al pretender hacerlo con otros fenómenos como el fotoeléctrico.

En 1923 el físico francés Louis De Broglie (Dieppe, Francia 1892 - París, Francia 1987) extendió el carácter dual de la luz a los electrones, protones, neutrones, átomos y moléculas y en general a todas las partículas materiales. Basándose en consideraciones relativas y en la teoría cuántica pensó que si la luz se comportaba como onda y como partícula la materia debería poseer este carácter dual.

Louis De Broglie

El movimiento de una partícula puede considerarse como el movimiento de un paquete de ondas, algo así como la superposición de varias ondas de longitudes de onda poco diferentes, cuyas oscilaciones se intensifican al máximo en el punto del espacio ocupado por la partícula, no hay nada de imaginario en estas ondas de materia, son tan reales como las ondas luminosas y las del sonido, aunque no sean observables en todos los casos, como ocurre con las ondas electromagnéticas, los espectros ondulatorios y de partículas de los cuerpos en movimiento nunca se pueden observar al mismo tiempo.

En ciertas situaciones una partícula en movimiento presenta propiedades ondulatorias y en otras situaciones presenta propiedades de partícula.

Principio de incertidumbre de Heisenberg

Uno de los aspectos más importantes de la mecánica cuántica es que no es posible determinar simultáneamente y de un modo completamente preciso la posición y la cantidad de movimiento de una partícula. Esta limitación de conocer la posición y la cantidad de movimiento de, en este caso, los electrones de un átomo se le conoce como principio de incertidumbre de Heisenberg (Würzburg, Alemania 1901 - Munich, Alemania 1976).

El principio de incertidumbre de Heisenberg es una consecuencia de la dualidad onda-partícula de la radiación y de la materia. Todos los objetos, independientemente de su tamaño, están regidos por el principio de incertidumbre, lo que significa que su posición y cantidad de movimiento se pueden expresar solamente como probabilidades, pero este principio sólo es significativo para dimensiones tan pequeñas como las que presentan los átomos y moléculas, partículas elementales de la materia. Este principio de Heisenberg carece de interés en la mecánica clásica, ya

que las magnitudes involucradas son extremadamente grandes comparadas con el valor constante de h, constante de Planck.

Ecuación de Schrödinger

En 1926 el físico austríaco Erwin Schrödinger (Viena, Austria 1887 - Viena, Austria 1961) basándose en la hipótesis de Louis De Broglie y la idea de orbitas permitidas por el modelo atómico de Bohr, supone que esas orbitas debían contener un numero entero de longitudes de onda lo que daría origen a una onda estacionaria. Considerar una onda asociada al electrón explicaría la razón de ser de los orbitales atómicos posibles que Bohr estableció como postulado, cuya circunferencia seria múltiplo de la longitud de onda de los electrones.

Erwin Schrödinger

El estado del electrón se obtendría mediante la ecuación de Schrödinger postulada en 1926:

Los resultados de esta ecuación, teniendo en cuenta el principio de incertidumbre, obtienen la llamada función de onda, , aproximación de carácter estadístico que nos permite deducir para cada nivel de energía la probabilidad de que los electrones estén en una u otra situación. Las órbitas electrónicas quedan situadas por zonas del espacio en la que existe el 99% de probabilidad de encontrar al electrón, a la que llamamos orbitales.

Números cuánticos

La situación de los electrones, su nivel de energía y otras características se expresan mediante los números cuánticos. Estos números cuánticos, que se fueron introduciendo como postulados a partir de las modificaciones introducidas por Sommerfield y Zeeman en el modelo atómico de Bohr para explicar los fenómenos experimentales con el átomo de hidrogeno, se pueden deducir teóricamente al resolver la ecuación de onda de Schrödinger.

Cada electrón, dentro de un átomo de un elemento, viene identificado por cuatro números cuánticos:

Número cuántico principal, n:

El número cuántico principal, representado por la letra n, nos da idea del nivel de energía y el volumen real del orbital.

n = 1, 2, 3, 4, .....

Número cuántico secundario o azimutal, l:

El número cuántico azimutal, el cual se representa con la letra l, describe la forma de la región que ocupa un electrón, es decir la forma del orbital en la que se encuentra el electrón de ese átomo.

l= 0, 1, 2, ......., (n-1)

Estos valores se representan por las letras s, p, d y f

l= 0 orbital tipo s

l=1 orbital tipo p

l=2 orbital tipo d

l=3 orbital tipo f

Número cuántico magnético, m:

El número cuántico magnético, que se representa con la letra m, nos indica la orientación espacial que tiene un orbital atómico al someter el átomo a un campo magnético (efecto Zeeman).

m= -l, ...., -1, 0, +1, ...., +l

Así, por ejemplo, para el valor l=1 el valor de m= -1, 0, 1; las cuales son tres regiones de mayor probabilidad donde encontrar al electrón.

Número de spin, s:

El número cuántico de spin, el cual es representado por la letra s, describe en uno de los orbitales del átomo el spin o giro de un electrón sobre sí mismo

s = ± ½

orbital tipo s orbital tipo p

Los griegos aportaron mucho al mundo de la física, desarrollando las bases de los principios fundamentales

modernos, tales como la conservación de la masa, la teoría atómica, y otros semejantes. En los siglos

siguientes al período griego, ocurrieron muy pocos desarrollos nuevos.

Cuando la intensa fuerza intelectual del Renacimiento ingresó en el campo de la física, Copérnico y otros

grandes pensadores, comenzaron a descartar las ideas de los griegos en favor de nuevas ideas basadas en

métodos empíricos.

Debido a que con las teorías de Copérnico terminó la vieja era del conocimiento científica y comenzó la nueva

revolución científica, es adecuado incluirlo con los pensadores antiguos.

624-547 a. de

C.

Thales de Mileto postula que el agua es la sustancia básica de la Tierra. También

estaba enterado de la fuerza de atracción entre imanes y del efecto en el ámbar, al

frotarlo.

580-500 a. de

C.

Pitágoras sostuvo que la Tierra era esférica. Buscó una comprensión matemática del

universo.

500-428 a. de

C., 484-424

a. de C.

Anaxágoras y Empédocles. Anaxágoras desafió la afirmación de los griegos, sobre la

creación y destrucción de la materia, enseñando que los cambios en la materia se deben

a diferentes ordenamientos de partículas indivisibles (sus enseñanzas fueron un

antecedente para la ley de conservación de la masa). Empédocles redujo estas partes

indivisibles a cuatro elementos: tierra, aire, fuego, y agua.

460-370 a. de

C.

Demócrito desarrolló la teoría de que el universo está formado por espacio vacío y

un número (casi) infinito de partículas invisibles , que se diferencian unas de otras en

suforma, posición, y disposición. Toda la materia está hecha de partículas indivisibles

llamadas átomos.

384-322 a. de

C.

Aristóteles formalizó la recopilación del conocimiento científico. Si bien es dificultoso

señalar como suya una teoría en particular, el resultado global de esta compilación de

conocimientos fue proveer las bases fundamentales de la ciencia por unos mil años.

310-230 a. de

C.

Aristarchus describe una cosmología idéntica a la propuesta por Copérnico 2,000 años

más tarde. Sin embargo, dado el gran prestigio de Aristóteles, el modelo heliocéntrico

de Aristarchus fue rechazado en favor del modelo geocéntrico.

287-212 a. de

C.

A rquímedes fue un gran pionero en física teórica. Proporcionó los fundamentos de la

hidrostática.

70-147Ptolomeo de Alejandría recogió los conocimientos ópticos de su época. También

inventó una compleja teoría del movimiento planetario.

~1000 Alhazen, un árabe, produjo 7 libros sobre óptica.

1214 - 1294 Roger Bacon enseñó que para aprender los secretos de la naturaleza, primero debemos

observar. Por lo tanto indicó el método con el cual la gente puede desarrollar teorías

deductivas, usando las evidencias del mundo natural.

1473 - 1543

Nicolás Copérnico impulsó la teoría de que la Tierra gira alrededor del sol. Este

modelo heliocéntrico fue revolucionario porque desafió el dogma vigente, a causa de la

autoridad científica de Aristóteles, y causó una completa conmoción científica y

filosófica.

 

Luego de la revolución de Copérnico, se hizo evidente que las teorías científicas no debían ser aceptadas sin

investigaciones rigurosas. Las comunicaciones entre los científicos crecieron y surgieron nuevos

descubrimientos.

1564 -

1642

Galileo Galilei es considerado por muchos como el padre de la física moderna, por su

preocupación por reemplazar los viejos postulados, en favor de teorías nuevas, deducidas

científicamente. Es famoso por sus teorías sobre la mecánica celeste, y sus trabajos en el área

de la mecánica, que le abrieron camino a Newton.

1546 -

1601,

1571 -

1630

Tycho Brahe y Johannes Kepler. Los datos de los movimientos de objetos celestes muy

exactos de Brahe, le permitieron a Kepler desarrollar su teoría del movimiento planetario

elíptico, y proporcionaron una evidencia para el sistema Copernicano. Además, Kepler

escribió una descripción cualitativa de la gravitación.

1642 -

1727

Sir Isaac Newton desarrolló las leyes de la mecánica (la ahora llamada mecánica clásica), que

explican el movimiento de los objetos en forma matemática.

1773 -

1829Thomas Young desarrolló la teoría ondulatoria de la luz y describió la interferencia de la luz.

1791 -

1867

Michael Faraday creó el motor eléctrico, y fue capaz de explicar la inducción

electromagnética, que proporciona la primera evidencia de que la electricidad y el magnetismo

están relacionados. También descubrió la electrólisis y describió la ley de conservación de la

energía.

1799 -

1878

Las investigaciones de Joesph Henry sobre inducción electromagnética, fueron realizadas al

mismo tiempo que las de Faraday. Él construyó el primer motor; su trabajo con el

electromagnetismo condujo directamente al desarrollo del telégrafo.

1873

James Clerk Maxwell realizó investigaciones importantes en tres áreas: visión en color, teoría

molecular, y teoría electromagnética. Las ideas subyacentes en las teorías de Maxwell sobre el

electromagnetismo, describen la propagación de las ondas de luz en el vacío.

1874 George Stoney desarrolló una teoría del electrón y estimó su masa.

1895 Wilhelm Röntgen descubrió los rayos x.

1898 Marie y Pierre Curie separaron los elementos radioactivos.

1898

Joseph Thompson midió el electrón, y desarrolló su modelo "de la torta con pasas" del átomo

-- dice que el átomo es una esfera con carga positiva uniformemente distribuida, con pequeños

electrones negativos como pasas adentro.

 

A comienzos del siglo veinte, los científicos pensaban que habían logrado comprender la mayoría de los

principios fundamentales de la naturaleza. Los átomos eran los bloques constructivos sólidos de la naturaleza;

la gente creía en las leyes Newtonianas del movimiento; y la mayoría de los problemas parecían estar

resueltos. Sin embargo, comenzando con la teoría de la relatividad de Einstein, que modifica la mecánica de

Newton, los científicos gradualmente se dieron cuenta de que su conocimiento estaba lejos de ser completo.

El creciente campo de la mecánica cuántica era de particular interés; la mecánica cuántica alteró

completamente los conceptos fundamentales de la física.

1900Max Planck sugirió que la radiación está cuantificada (aparece en cantidades

discretas.)

1905

Albert Einstein, uno de los pocos científicos que tomó en serio las ideas de Planck;

propuso un cuanto de luz (el fotón) que se comporta como una partícula. Las otras

teorías de Einstein explicaron la equivalencia entre la masa y la energía, la dualidad

partícula-onda de los fotones, el principio de equivalencia, y especialmente la

relatividad.

1909

Hans Geiger y Ernest Marsden, bajo la supervisión de Ernest Rutherford,

dispersaron partículas alfa mediante una hoja de oro y observaron grandes ángulos de

dispersión; sugirieron que los átomos tienen un núcleo pequeño y denso, cargado

positivamente.

1911Ernest Rutherford infirió la existencia del núcleo como resultado de la dispersión de

las partículas alfa en el experimento realizado por Hans Geiger y Ernest Marsden.

1912 Albert Einstein explicó la curvatura del espacio-tiempo.

1913Niels Bohr tuvo éxito al construir una teoría de la estructura atómica, basándose en

ideas cuánticas.

1919 Ernest Rutherford encontró la primer evidencia de un protón.

1921James Chadwick y E.S. Bieler concluyeron que alguna fuerzas fuerte tiene que

mantener unido el núcleo.

1923Arthur Compton descubrió la naturaleza cuántica (partícula) de los rayos x,

confirmando de este modo al fotón como partícula.

1924 Louis de Broglie propuso que la materia tiene propiedades ondulatorias.

1925 (Enero) Wolfgang Pauli formuló el principio de exclusión para los electrones de un átomo.

1925 (Abril)Walther Bothe y Hans Geiger demostraron que la energía y la masa se conservan en

los procesos atómicos.

1926

Erwin Schroedinger desarrolló la mecánica ondulatoria, que describe el

comportamiento de sistemas cuánticos constituidos por bosones. Max Born le dio una

interpretación probabilística a la mecánica cuántica. G.N. Lewis propuso el nombre de

"fotón" para el cuanto de luz.

1927 Se observó que ciertos materiales emiten electrones (decaimiento beta). Dado que

ambos, el átomo y el núcleo, tienen niveles discretos de energía, es difícil entender por

qué los electrones producidos en esta transición, pueden tener un espectro continuo (vea

1930 para tener una respuesta.)

1927

Werner Heisenberg formuló el principio de incerteza: cuanto más sabe usted sobre la

energía de una partícula, menos sabrá sobre el tiempo en el que tiene esa energía (y

viceversa.) La misma incertidumbre se aplica al ímpetu y la coordenada.

1928Paul Dirac combinó la mecánica cuántica y la relatividad especial para describir al

electrón.

1930

La mecánica cuántica y la relatividad especial están bien establecidas. Hay tres

partículas fundamentales: protones, electrones, y fotones. Max Born, después de tomar

conocimiento de la ecuación de Dirac, dijo, "La física, como la conocemos, será

obsoleta en seis meses."

1930Wolfgang Pauli sugirió el neutrino para explicar el espectro continuo de los electrones

en el decaimiento beta.

1931

Paul Dirac comprendió que las partículas cargadas positivamente requeridas por su

ecuación eran nuevos objetos (el los llamó "positrones"). Son exactamente como

electrones, pero cargados positivamente. Este es el primer ejemplo de antipartículas.

1931James Chadwick descubrió el neutrón. Los mecanismos de las uniones nucleares y los

decaimientos se convirtieron en problemas principales.

1933-34

Enrico Fermi desarrolló una teoría del decaimiento beta, que introdujo las

interacciones débiles. Ésta es la primera teoría que usa explícitamente los neutrinos y

los cambios de sabor de las partículas.

1933-34

Hideki Yukawa combinó la relatividad y la teoría cuántica, para describir las

interacciones nucleares sobre la base del intercambio, entre protones y neutrones, de

nuevas partículas (mesones llamados "piones"). A partir del tamaño del núcleo,

Yukawa concluyó que la masa de las supuestas partículas (mesones) es superior a la

masa de 200 electrones. Éste es el comienzo de la teoría mesónica de las fuerzas

nucleares.

1937

Una partícula con una masa de 200 electrones es descubierta en los rayos cósmicos.

Mientras que al principio, los físicos pensaron que era el pión de Yukawa, se descubrió

más tarde que era un muón.

1938

E.C.G. Stuckelberg observó que los protones y los neutrones no decaen hacia ninguna

combinación de electrones, neutrinos, muones, o sus antipartículas. La estabilidad del

protón no puede ser explicada en términos de conservación de energía o de carga;

propuso la conservación independiente del número de partículas pesadas.

1941C. Moller y Abraham Pais introdujeron el termino "nucleón" como un término

genérico para los protones y los neutrones.

1946-47 Los físicos comprendieron que la partícula del rayo cósmico, que se pensaba que era el

mesón de Yukawa, es en cambio un "muón", la primer partícula en ser encontrada, de

las de la segunda generación de partículas materiales. Este descubrimiento fue

completamente inesperado -- I.I. Rabi comentó "¿quién ordenó eto?" El término

"leptón" se introdujo para describir objetos que no interactúan demasiado fuerte (los

electrones y los muones son leptones).

1947En los rayos cósmicos es encontrado un mesón, que interactúa fuertemente, y se

determina que es un pión.

1947Los físicos desarrollan procedimientos para calcular las propiedades electromagnéticas

de los electrones, positrones, y fotones. Introducción de los diagramas de Feynman.

1948 El sincro-ciclotrón de Berkeley produce los primeros piones artificiales.

1949

Enrico Fermi y C.N. Yang sugieren que un pión es una estructura compuesta por un

nucleón y un antinucleón. Esta idea de partículas compuestas es completamente

revolucionaria.

1949 Descubrimiento de K+ vía sus decaimientos.

1950 Es descubierto el pión neutro.

1951

Se descubren dos nuevos tipos de partículas en los rayos cósmicos. Son descubiertas

mientras se observan unas trazas en forma de V; se las descubre al reconstruir los

objetos eléctricamente neutros, que tenían que haber decaído, para producir los dos

objetos cargados, que dejaron las trazas. Las partículas fueron llamadas la lambda0 y la

K0.

1952Descubrimiento de la partícula delta: eran cuatro partículas similares (delta++, delta+,

delta0, y delta-.)

1952Donald Glaser inventó la cámara burbuja. Comienza a operar el Cosmotrón de

Brookhaven , un acelerador de 1.3 GeV.

1953El comienzo de la "explosión del número de partículas"-- una verdadera proliferación

de partículas.

1953 - 57

La dispersión de electrones por un núcleo, revela una distribución de la densidad de

carga dentro de los protones, y neutrones. La descripción de esta estructura

electromagnética de los protones y neutrones, sugiere cierta estructura interna en estos

objetos; a pesar de eso se los sigue considerando como partículas fundamentales.

1954

C.N. Yang y Robert Mills desarrollan un nuevo tipo de teoría, llamada "teorías de

calibre (o de Gauge)." Aunque no fueron aceptadas en ese momento, este tipo de teorías

constituyen actualmente la base del Modelo Standard.

1957Julian Schwinger escribe un trabajo proponiendo la unificación de las interacciones

débiles y electromagnéticas.

1957-59

Julian Schwinger, Sidney Bludman, y Sheldon Glashow, en trabajos separados,

sugieren que todas las interacciones débiles son mediadas por bosones pesados

cargados, más tarde llamados W+ y W-. Realmente, Yukawa fue el primero que discutió

el intercambio de bosones veinte años antes, pero él había propuesto al pión como

mediador de las fuerzas débiles.

1961 A medida que el número de partículas conocidas se incrementaba, el grupo SU(3), un

esquema de clasificación matemático para organizar las partículas, ayudó a los físicos a

reconocer patrones en los tipos de partículas.

1962Los experimentos verificaron que existen dos tipos distintos de neutrinos (neutrinos

electrón y neutrinos muón). Esto ya había sido inferido, por consideraciones teóricas.

 

A mediados de los 60, los físicos comprendieron que sus ideas previas, en las que toda la materia estaba

compuesta de protones, neutrones, y electrones, como partículas fundamentales, era insuficientes para

explicar las nuevas partículas que se estaban descubriendo. La teoría de los quarks, de Gell-Mann y Zweig

solucionó estos problemas. Durante los últimos treinta años, la teoría que hoy se conoce como el Modelo

Standard de las Partículas e Interacciones, ha crecido gradualmente y han ganado aceptación, a partir de las

nuevas evidencias proporcionadas por los aceleradores de partículas. 

1964

Murray Gell-Mann y George Zweig introdujeron la idea tentativa de los quarks.

Sugirieron que los mesones y los bariones están compuestos por quarks o antiquarks de

tres tipos, llamados up, down y strange (u, d, s), con spin 1/2 y cargas eléctricas 2/3, -

1/3, -1/3, respectivamente (resulta que esta teoría no es completamente exacta). Ya que

estas cargas nunca han sido observadas, la introducción de los quarks fue tratada como

una explicación matemática de los patrones de sabor, seguidos por las masas de las

partículas, más que como un postulado de existencia de objetos físicos reales. Más

tarde, los desarrollos teóricos y experimentales, nos permitieron considerar a los quarks

como objetos físicos reales, aunque no puedan ser aislados.

1964

Ya que los leptones tenían cierto patrón, varios trabajos sugirieron la existencia de un

cuarto quark, con otro sabor, para que el patrón de los quarks sea similar al de los

leptones; actualmente los sabores se llaman generaciones de materia. Muy pocos físicos

tomaron seriamente esta sugerencia en ese momento. Sheldon Glashow y James

Bjorken acuñaron el término "charm" (encanto) para el cuarto (c) quark.

1965O.W. Greenberg, M.Y. Han, y Yoichiro Nambu introdujeron la propiedad de

carga de colordel quark. Todos los hadrones observados son de color neutro.

...1966...El modelo del quark es aceptado en forma relativamente lenta, debido a que los quarks

no han sido observados.

1967

Steven Weinberg y Abdus Salam separadamente propusieron una teoría que unifica

las interacciones electromagnéticas y débiles formando la interacción electrodébil. Sus

teorías requieren la existencia de un bosón neutro, que interactúa en forma débil (ahora

llamado el Z0)y que sea el mediador de la interacción débil; ese bosón no había sido

observado aún en aquel tiempo. Ellos también predijeron la existencia de un bosón,

masivo, adicional, llamado el bosón de Higgs que no ha sido aún observado hoy día.

1968-69

En el Acelerador Lineal de Stanford, en un experimento en el cual se hace que los

electrones sean dispersados por protones, los electrones parecen "rebotar" contra un

pequeño centro duro dentro del protón. James Bjorken y Richard

Feynman analizaron estos datos en términos de un modelo de partículas constituyentes

dentro del protón (ellos no usaron el nombre "quark" para los constituyentes, aunque

igualmente este experimento proporcionó evidencia para los quarks.)

1970 Sheldon Glashow, John Iliopoulos, y Luciano Maiani reconocieron la importancia

crítica de un cuarto tipo de quark en el contexto del Modelo Standard. Un cuarto quark

permite una teoría que tiene interacciones débiles mediadas por un Z0, con cambio de

sabor.

1973

Donald Perkins, estimulado por una predicción del Modelo Standard, volvió a analizar

algunos datos viejos del CERN y encontró indicadores de interacciones débiles sin

intercambio de carga de color (debida al intercambio de un Z0.)

1973

Fue formulada una teoría cuántica de campos, para las interacciones fuertes. Esta teoría

de quarks y gluones (que ahora es parte del Modelo Standard) es similar, en su

estructura, a la electrodinámica cuántica (QED), pero dado que las interacciones fuertes

actúan sobre las cargas de color, esta teoría se llama cromodinámica cuántica (QCD).

Los quarks están destinados a ser partículas reales, con una carga de color. Los gluones

son los cuantos, sin masa, del campo de las interacciones fuertes. Esta teoría de

interacciones fuertes fue primero sugerida por Harald Fritzsch y Murray Gell-Mann.

1973

David Politzer, David Gross, y Frank Wilczek descubrieron que la teoría de color de

las interacciones fuertes tiene una propiedad especial, hoy llamada "libertad asintótica."

Esta propiedad es necesaria para describir los datos de 1968-69 en relación con el

protón.

1974

En una conferencia, John Iliopoulos presentó, por primera vez en un único reporte, la

visión de la física ahora llamada el Modelo Standard. Si Usted quiere entender los

distintos aspectos del Modelo Standard, por favor explore la ruta del Modelo Standard.

1974 (Nov.)

Burton Richter y Samuel Ting, liderando experimentos independientes, anunciaron el

mismo día su descubrimiento de la misma nueva partícula. Ting y sus colaboradores en

Brookhaven llamaron a esta partícula la partícula "J", mientras que Richter y sus

colaboradores en SLAC llamaron a esta partícula la partícula psi. Ya que los

descubrimientos tuvieron igual importancia, la partícula es conocida comúnmente como

la partícula J/psi. La partícula J/psi es un mesón charm-anticharm.

1976

Gerson Goldhaber y Francois Pierre encontraron el mesón D0 (y los quarks antiup y

charm). Las predicciones teóricas concordaron dramáticamente con los resultados

experimentales, ofreciendo un fuerte soporte al Modelo Standard.

1976

El leptón tau fue descubierto por Martin Perl y sus colaboradores en SLAC. Ya que

este leptón es la primer partícula registrada de la tercera generación, fue completamente

inesperado.

1977

Leon Lederman y sus colaboradores en el Fermilab descubrieron sin embargo otro

quark (y su antiquark). Este quark fue llamado el quark "bottom". Ya que los físicos se

imaginaban que los quarks venían en pares, este descubrimiento incentivó la búsqueda

del sexto quark -- "top."

1978

Charles Prescott y Richard Taylor observaron una interacción débil mediada por un

Z0, en la dispersión por deuterio, de electrones polarizados, en la que aparece una

violación de la conservación frente a paridad, como lo predijo el Modelo Standard y

confirmando así la predicción teórica.

1979 Se encuentra en PETRA una fuerte evidencia de un gluón radiado por un quark o

antiquark iniciales. PETRA es una facilidad de colisión de haces del laboratorio DESY

en Hamburgo.

1983

Los bosones intermediarios, W± y el Z0, requeridos por la teoría electrodébil, son

observados en dos experimentos que usan el sincrotrón del CERN y que emplean las

técnicas desarrolladas por Carlo Rubbia y Simon Van der Meer para colisionar

protones y antiprotones.

1989

Los experimentos llevados a cabo en SLAC y en CERN sugirieron fuertemente que hay

tres y sólo tres generaciones de partículas fundamentales. Esto se infiere de la

observación que el tiempo de vida del bosón Z0-, sólo es consistente con la existencia

de exactamente tres neutrinos muy livianos (o sin masa).

1995

Después de dieciocho años de búsqueda en muchos aceleradores, los experimentos

CDF y D0 en el Fermilab descubrieron el quark top con una masa inesperada de 175

GeV. Nadie entiende por qué la masa es tan diferente de la de los otros cinco quarks.