TEORÍA CUÁNTICA Y ESTRUCTURA ATÓMICA.

TEORÍA CUÁNTICA Y ESTRUCTURA ATÓMICA

INTRODUCCIÓN

La química es la ciencia que estudia la materia y los cambios que ocurren en ella, mientras que con materia nos referimos a todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, por lo tanto, podemos observar que todo lo que nos rodea es materia, pero ¿cómo podemos estudiar las propiedades de las cosas que nos rodean?, ¿cómo podemos saber cuáles son sus propiedades y en qué áreas nos pueden ser de utilidad?, bueno, pues es la química a través del estudio de la estructura atómica, la que nos puede dar respuesta a esas preguntas, y para ello es necesario estudiar la composición de la materia.

Teoría atómica

En el siglo V a. C., fue el filósofo griego Demócrito expresó que la materia estaba compuesta de  partículas pequeñas e indivisibles a las que llamó “átomos”, idea que prevaleció hasta 1808, cuando John Dalton propuso la teoría atómica, dando una definición más precisa acerca de los átomos. Con estas hipótesis marcó los inicios de la química moderna:

1. Todos los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas e indivisibles llamadas átomos
2. Los átomos de un mismo elemento son idénticos, ya que tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas, lo que los hace diferentes a los átomos de un elemento diferente.
3. Todos los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. La relación entre los átomos que forman dicho compuesto, es siempre un número entero o una fracción sencilla. Este postulado se basa en la Ley de las proporciones definidas de Joseph Proust, que dice que al tomar diferentes muestras de un mismo compuesto siempre encontraremos los mismos elementos en la misma proporción.
4. Durante una reacción química, los átomos no se crean ni se destruyen, más bien, sólo se separan, combinan o reordenan para dar origen a un nuevo compuesto. Se basa en la Ley de la conservación de la masa, es decir, la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Sin embargo, el avance de la ciencia y las investigaciones continuaron para dar paso al descubrimiento de partículas aún más pequeñas llamadas partículas subatómicas: electrones, protones y neutrones.

EL ELECTRÓN

En la década de 1890, los científicos comenzaron a estudiar las descargas eléctricas a través de tubos catódicos. Al aplicar alto voltaje, se produce radiación (emisión y transmisión de energía a través del espacio en  forma de ondas) dentro del mismo. Algunos experimentos consistieron en colocar por fuera del tubo, dos placas con carga eléctrica y un electroimán, los cuales revelaron que los campos magnéticos y eléctricos desviaban los rayos catódicos, sugiriendo así que tenían carga eléctrica.

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TUBO DE RAYOS CATÓDICOS

Fue J. J. Thomson, quien observó que los rayos eran atraídos por la placa positiva y repelidos por la carga negativa, concluyendo así que consistían en partículas con carga negativa. Estas partículas se conocen como electrones.

EL PROTÓN

En los inicios del siglo XX ya se sabía que el átomo estaba compuesto por electrones y que era eléctricamente neutro, es decir, que tenía el mismo número de cargas positivas y negativas. Thomson propuso el “modelo del pudín de pasas”, en el que podía visualizarse el átomo como una esfera cargada positivamente en la que se encontraban incrustados los electrones como pasas en un pastel.

Tiempo después fue Rutherford quién propuso que la mayor parte del átomo era espacio vacío  y que las cargas positivas, a las que conocemos como protones, estaban concentradas en un conglomerado al centro del átomo, al que llamó núcleo.

Los protones tienen la misma cantidad de carga que el electrón, pero una masa aproximadamente 1840 veces mayor que la del electrón.

EL NEUTRÓN

En 1932, James Chadwick, probó la existencia de otra partícula subatómica en el núcleo. Bombardeó una lámina de berilio con partículas α y el metal emitió una radiación de muy alta energía, después de más experimentos, demostró que eran partículas con carga neutra y una masa un poco mayor que la de los protones, les llamó neutrones.

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Los átomos de los elementos difieren entre sí debido a que tienen diferente número de electrones, protones y neutrones.

Número Atómico (Z)

Se refiere a la cantidad de protones dentro de núcleo del átomo de un elemento, que es igual al número de electrones en órbita del mismo.

Número De Masa (A)

Se refiere al número de protones y neutrones dentro del núcleo del átomo de un elemento.

Isótopos

 Se refiere a los átomos de un mismo elemento con igual número atómico y diferente número de masa.

LA TEORÍA CUÁNTICA

Para comprender de manera más clara la teoría cuántica debemos recordar algunos conceptos, tales como:

• Onda: Alteración vibracional mediante la cual se transmite energía.
• Longitud de onda (λ): Distancia entre crestas o valles sucesivos.
• Frecuencia (ν): Número de longitudes de onda completas, o ciclos, que pasan por un punto específico durante un segundo.
• Amplitud: Distancia  vertical de la línea media de una onda a su cresta o a su valle.
• Velocidad de onda: Es el producto de su longitud por su frecuencia.

En 1873, James Maxwell propuso que la luz visible se compone de ondas electromagnéticas. Describió con exactitud la manera en la que la energía se propaga en forma de radiación a través del espacio como una vibración de campos eléctrico y magnético, es decir, como radiación electromagnética. La velocidad de estas ondas es comúnmente conocida como velocidad de la luz,  c, y es igual a 3 x 10 8 m/s

La física clásica asumía que los átomos emitían o absorbían cualquier cantidad de energía radiante, sin embargo, Planck propuso que los átomos emitían o absorbían energía en pequeños paquetes. A esta cantidad mínima de energía que se podía emitir o absorber en forma de radiación electromagnética, Plank, la llamó cuanto. 

En 1905, Albert Einsten utilizó la teoría de Plank para resolver las dudas existentes sobre el efecto fotoeléctrico, fenómeno en el cual los electrones son expulsados desde la superficie de ciertos metales  que se han expuesto a la luz de al menos determinada frecuencia mínima. Einsten dedujo que cada partícula de luz, llamada fotón, debía poseer una energía proporcional a la frecuencia de la luz. Así, la energía radiante misma está cuantizada.

La teoría de Einsten fue un gran dilema, ya que por un lado explicaba el efecto fotoeléctrico pero por otro, la teoría de partícula de la luz no era consistente con su ya conocido comportamiento de onda, por lo que la única manera de resolver el dilema fue aceptar que la luz posee propiedades tanto de partícula como de onda.

Después que Rutherford descubriera la naturaleza nuclear del átomo, los científicos pensaron en el átomo como un “sistema solar microscópico” en el que los electrones estaban en órbita alrededor del núcleo.

Bohr supuso inicialmente que los electrones se movían en órbitas circulares alrededor del núcleo. Sin embargo, según la física clásica una partícula con carga eléctrica (como un electrón) que se mueve en una trayectoria circular debería perder energía continuamente por emisión de radiación electromagnética. Al perder energía, el electrón tendría que seguir una espiral hasta caer en el núcleo. Bohr supuso que las leyes conocidas de la física eran inadecuadas para describir todos los aspectos de los átomos. Además, Bohr adoptó la idea de Planck de que las energías están cuantizadas. Bohr basó su modelo en tres postulados:

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