Biologia. Características de las ondas

TEMA 2

Teoría cuántica. Átomo de hidrógeno. Espectros atómicos. Principio de incertidumbre de Heisenberg. Ecuación de Schrödinger. Números cuánticos. Orbitales atómicos.

La naturaleza de la luz. Radiación electromagnética.

La luz es radiación electromagnética. La radiación electromagnética es una forma de transmitir energía en la que los campos eléctricos y magnéticos se propagan por ondas.

Características de las ondas:

• La longitud de onda (λ) / frecuencia (v) determina el color.
• Velocidad: los electrones al cambiar de velocidad pueden producir luz visible.
• La radiación electromagnética se produce por aceleración de una partícula cargada eléctricamente.
• Amplitud afecta al brillo de la luz.
• La frecuencia (w) es el nº de crestas que pasan por un punto dado en la unidad de tiempo

La velocidad de propagación de la onda (c) = λ · v

Propiedades de las ondas. Interferencias.

El efecto llamado interferencia puede observarse en todo tipo de ondas. Las ondas se suman y su amplitud resultante puede aumentar o disminuir.

• Interferencia constructiva: Cuando las ondas se encuentran coincidiendo en sus crestas (forman crestas más altas). En este caso, las ondas están en fase.
• Interferencia destructiva: Cuando las ondas tienen un desfase de una semi-longitud de onda la destrucción de total, la amplitud es cero y la energía es cero. Puede haber destrucción parcial.

Espectros atómicos.

Si tienen todas las longitudes de ondas del visible se ve blanca. Pero cada compuesto emite un color, que es característico del ion metálico.

• Los átomos pueden emitir espectros discontinuos, que se denominan espectros atómicos o de líneas.
• Cada elemento tiene su propio espectro de líneas.
• Ej: El litio 🡪 rojo; el sodio 🡪 naranja; El potasio🡪 violeta.

Espectro del átomo de hidrógeno.

Balmer encontró la ecuación para expresar la frecuencia de cada línea del espectro del hidrógeno. Concretamente tiene 4 líneas o series.

Teoría cuántica de Planck

Max Planck hizo una propuesta, la energía es como la materia, discontinua. Quería explicar la radiación emitida por un cuerpo caliente.

De acuerdo con los espectros, la energía es emitida y absorbida en cuantos de magnitud.

Ecuación de Planck: ∆E = h v = h c λ-1

• La cantidad mínima de energía que se puede intercambiar por radiación es hv, que es la energía de un fotón.
• El efecto fotoeléctrico, Einstein propuso que la radiación electromagnética tiene propiedades corpusculares y que los fotones tienen una energía característica.
• Las energías de las vibraciones de las moléculas también están cuantizadas.

El modelo atómico de Bohr para el hidrógeno.

Bohr utilizo una mezcla de la cuántica de Planck con la física clásica y postuló que para un átomo de hidrógeno:

• El electrón se mueve en órbitas circulares alrededor del núcleo.
• El electrón sólo tiene órbitas permitidas. En una órbita su energía es constante. Esta propiedad de que sólo tiene permitido ciertos valores y que lo condice a unas orbitas, se denomina momento angular. Valores: nh/2π.
• Un electrón puede pasar solamente de una órbita permitida a otra. En estas transiciones están implicadas cantidades discretas y fijas de energía absorbida o emitida.
• Relación con espectroscopia: νfotón = (Efinal-Einicial)/h

[pic 1][pic 2]

Aplicación de la teoría cuántica de Planck al espectro de emisión del átomo de hidrógeno.

Los electrones absorben o emiten energía cuando cambian de nivel energético.

Por mecánica cuántica se puede llegar a que las energías (En) permitidas para el único electrón de un átomo hidrogenoide vienen dadas por:

• En = -Z2Rn-2
• y R = 2,1798 10-18 J

Todos los estados con el mismo valor de n tienen la misma energía.

Para n 🡪 ∞ se forma catión.

Nivel fundamental: n=1.

h · v = E2 – E1

Dualidad onda-partícula y naturaleza del electrón.

Cada partícula tiene una longitud de onda asociada con ella, y objetos como los electrones pueden comportarse como partículas o como ondas. Un electrón en un átomo se comporta como una onda estacionaria.

Ecuación de Broglie: λ = h (m v)-1        

El espín es otra propiedad fundamental. Un electrón tiene un nº cuántico del espín electrónico (1/2). En presencia de un campo magnético, el nº cuántico del momento magnético del espín electrónico puede ser +/- ½.

...