Mecanica Cuantica Entre Otros

OBJETIVO:

En esta unidad el alumno relacionara y utilizara las bases de la química moderna en su aplicación para el conocimiento de la estructura atómica: Orbitales Atómicos, Configuración Electrónica.

Conocerá los acontecimientos históricos más relevantes de la teoría cuántica.

Representara la configuración electrónica de los átomos utilizando los números cuánticos.

INTRODUCCIÒN

En esta apartado hablaremos de la teoría cuántica que es una teoría física basada en la unidad cuántica para describir las propiedades de las partículas subatómicas y la relación entre la materia y la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que en 1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades discretas llamadas “cuantos”. Otra idea fundamental de la teoría principio de incertidumbre, formulada por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud la posición y el momento lineal (longitud de onda) de una partícula subatómica.

Se tocará el tema del modelo atómico de Bohr en donde se decía que cada átomo tiene cierto número de electrones y que de estos se puede crear su estructura atómica y con esto podremos demostrar la distribución de los electrones dentro de un átomo.

También podremos conocer el postulado de Heinserberg donde conoceremos como llegó a la conclusión de que es imposible establecer con precisión tanto la posición como la energía de un electrón.

Y también conoceremos el postulado de Broglie donde demuestra que las partículas de materia podrían mostrar características de ondas.

TEORÍA EXPERIMENTAL DE LA MECÁNICA CUÁNTICA.

Esta teoría explica mucho del comportamiento de los electrones en los átomos:

Los electrones de los átomos de neón, los cuales se extienden hacia un nivel de energía más alto por medio de la electricidad, emiten luz cuando regresan hacia un nivel de energía mas bajo.

El físico austriaco Erwin Schrodinger (1887-1961) propuso una ecuación, ahora conocida como una ecuación de onda de Schrodinger, la cual habla tanto del comportamiento ondulatorio como el de la partícula del electrón, y con esto se trato diferente a las partículas subatómicas y a esto se le llama mecánica cuántica.

Al resolver la ecuación de Schrodinger da lugar a una serie definiciones matemáticas llamadas funciones de ondas las cuales describen al electrón en un átomo. Esta función de onda con una (letra minúscula griega psi). Aunque la función por si sola no tiene un significado físico directo, el cuadrado de la función, si proporciona información sobre la posición del electrón cuando este se encuentra en un estado de energía permitido.

Por lo tanto en el modelo de la mecánica cuántica hablamos de la probabilidad de que el electrón se encuentre en cierta región del espacio. Como resultado, el cuadrado de la función de onda, en un punto dado del espacio representa la probabilidad de que el electrón se encuentre en dicha posición. Por esta razón la función de onda al cuadrado se conoce como; la densidad de probabilidad o la densidad electrónica.

TEORÍA DE LA LUZ.

La estructura electrónica de los átomos provino del análisis de la luz que emiten o absorben las sustancias. Así que para comprender la estructura atómica definiremos que es la luz.

La luz que podemos apreciar con nuestros ojos, luz visible, es un ejemplo de radiación electromagnética. Debido a que ésta transporta la energía del espacio, también se le conoce como energía radiante.

Todos los tipos de radiación electromagnética se mueven a través del vacío a una velocidad de 3.00x108m/s, la velocidad de la luz. Todas tienen características ondulatorias parecidas a alas ondas que se mueven en el agua. La sección transversal de una onda de agua muestra que es periódica, lo que significa que las crestas y valles se repiten a intervalos regulares. La distancia entre dos crestas o valles se conoce como longitud de onda. El número de longitudes de onda completas o ciclos, que pasan por un punto dado cada segundo es la frecuencia de la onda.

En esta figura podemos observar una onda y sus componentes

EL CUERPO NEGRO, EFECTO FOTOELÉCTRICO Y TEORÍA DE PLANCK.

Aunque en el modelo ondulatorio de la luz explica aspectos de comportamiento. Pero en particular hablaremos de algunos de ellos para comprender cómo interactúa la radiación electromagnética con los átomos.

• La emisión de la luz que provienen de objetos calientes (radiación de cuerpo negro).

• La emisión de electrones proveniente de superficies metálicas en las que incide la luz (efecto fotoeléctrico).

• Teoría de Planck.

La distribución de la longitud de onda de la radiación depende de la temperatura; un objeto caliente que se torna rojo se encuentra menos caliente que uno que se torna blanco. Varios físicos estudiaron este fenómeno tratando de entender la relación entre la temperatura, la intensidad y las longitudes de onda de las radiaciones emitidas.

En 1900 un físico alemán llamado Max Planck (1858-1947), asumió que los átomos solo podían emitir o absorber energía en “paquetes” discretos de cierto tamaño mínimo. Plack dio el nombre de cuanto

(cantidad fija) a la cantidad mas pequeña de energía que puede emitirse o absorberse como radiación electromagnética. Propuso que la energía, E, de un solo cuanto es igual a una constante por la frecuencia de la radiación.

E=hv

Donde h se conoce como constante de Planck y tiene un valor de 6.626X10-34 joules-segundo (J-s)

De acuerdo con la teoría de Planck la materia puede emitir o absorber energía solo en múltiplos enteros de hv, tal como hv, 2hv, 3hv, y así sucesivamente. Si decimos que la cantidad de energía emitida por un átomo es de 3hv, decimos que se emitieron 3 cuantos de energía.

Puede liberarse solo en cantidades específicas, decimos que las energías permitidas están cuantizadas, sus valores están restringidos a ciertas cantidades.

EFECTO FOTOELÉCTRICO.

En 1905 , Albert Einstein utilizó la teoría de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico. Sus experimentos habían mostrado que la luz que incidía en una superficie metálica limpia ocasionaba que la superficie emitiera electrones. Cada metal tiene una frecuencia mínima de luz debajo de la cual no se emiten electrones

Einstein asumió que la energía radiante que incidía sobre la superficie metálicano se comportaba como una onda, sino como si se tratara de un flujo de paquetes diminutos de energía. Cada paquete de energía, llamado fotón, se comporta como una partícula diminuta.

Al aplicar la teoría de Planck, Einstein dedujo que cada fotón debía tener una energía igual a la constante de Planck por la frecuencia de la luz:

ENERGÍA DEL FOTÓN= E= hv.

Por lo tanto, la misma energía radiante está cuantizada.

Entonces un fotón puede incidir sobre una superficie metálica y ser absorbido, también puede transferir su energía, llamada función trabajo, para que un electrón supere las fuerzas de atracción que lo retienen en el metal. Si los fotones tienen energía suficiente, los electrones son emitidos desde el metal. Y si los fotones tienen mas de la energía requerida (energía del umbral), para liberar electrones, el exceso de energía se hace evidente como la energía cinética de los electrones emitidos.

La teoría fotónica de Einstein nos indica que en algún momento obtendríamos el destello más pequeño de energía, dado por E=hv. El destello más pequeño de energía consiste en un solo fotón de luz.

Aunque Einstein considera a la luz como un flujo de partículas y no como una onda, y explica el efecto fotoeléctrico. La única forma de resolver este dilema es adoptar lo que podría parecer una posición muy inusual, debemos considerar que la luz posee tanto características ondulatorias como partículas, y según la situación, se comportara mas como una onda o mas como partícula.

ÁTOMO DE BOHR

Los trabajos de Planck y Einstein preparó el camino para comprender como se acomodan los electrones en los átomos. Fue Bohr quien ofreció una explicación teórica.

Espectros de líneas: Una fuente particular de energía radiante puede emitir una solo longitud de onda, como en el caso de la luz de laser, la radiación por una sola longitud de onda es monocromática. Sin embargo muchas fuentes comunes, producen radiación que contiene muchas longitudes de ondas distintas. Un espectro se produce cuando la radiación de tales fuentes se separa en diferentes componentes de longitud de onda.

Esta gama de colores la cual contiene la luz de todas las longitudes

desde onda, se conoce como espectro continuo. (Como el arcoíris)

Aquí observamos el espectro de líneas.

MODELO DE BOHR

Para explicar el espectro de líneas de hidrogeno, Bohr asumió que los electrones, se movían en orbitas circulares alrededor del núcleo. Sin embargo la física clásica dice; que una partícula cargada

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