Teoria Cuantica Y Estructura Atomica

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Teoría Cuántica y Estructura Atómica

Alfredo Cortéz Guzmán °

° Ingeniería en Sistemas Computacionales °

Instituto Tecnológico de Morelia

Resumen—Se explica a través de una serie de teorías como se logra definir la estructura actual del átomo. Una vez que Planck determina que la energía esta en forma cuántica y que la luz posee partículas llamadas fotones, da paso a experimentos como el efecto fotoeléctrico y la emisión de espectros, por medio de los cuales se concluyen las primeras teorías de la estructura del átomo, con Bohr y Sommerfield. Posteriormente De Broglie concluye que no solo la luz, sino también la materia esta en forma cuántica y se logran avances importantes en la estructura del átomo, según Schrödinger los electrones se encuentran en posiciones aleatorias dentro de orbitales elípticos llamados subniveles definidos por los números cuánticos, se logra entonces establecer configuraciones electrónicas de los elementos regidos por reglas expuestas por Aufbau, Pauli y Hund, esto permitió comprender a los elementos químicos y sus compuestos, por consecuente aplicar todas las teorías establecidas.

Palabras clave—Teoría, postulado, orbitales, número cuántico, número atómico, modelo atómico, fotón, espectro, electrón, configuración electrónica.

I. INTRODUCCIÓN.

L

a química es probablemente la única rama de las ciencias experimentales cuyo objeto de estudio está en permanente expansión, dado que el número de nuevas moléculas, sintetizadas por el hombre crece día a día. El mundo actual y nuestra vida cotidiana están marcados por un sinnúmero de productos de síntesis, desde los materiales más diversos en forma de fibras, plásticos o colorantes, hasta los medicamentos, los plaguicidas o los fertilizantes. Gran parte de la "cultura del bienestar" se fundamenta en la puesta a disposición del hombre de estos productos que son fruto, entre otras cosas, de un profundo conocimiento de la estructura atómica y molecular.

Los entes objeto de estudio por parte de la Química, las moléculas, son átomos enlazados entre sí para formar un edificio más complejo y con propiedades completamente distintas de las de sus constituyentes. Parece lógico que una de las primeras inquietudes de los científicos fuera conocer las características de esos constituyentes, en un primer intento para entender cómo se unen entre sí para formar nuevos sistemas que van desde la simplicidad de una molécula de hidrógeno a la complejidad de una proteína. Por otra parte, de nada serviría el esfuerzo de sintetizar nuevas moléculas si no fuésemos capaces de entender y explicar sus estructuras y propiedades y por ende predecir su posible comportamiento y aplicaciones.

II. EL ÁTOMO Y LA CONSTITUCIÓN DE SUS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS.

A. El átomo

En la filosofía de la antigua Grecia la palabra “átomo” se empleaba para referirse a la parte más pequeña de materia que podía concebirse y era considerada indestructible. De hecho, átomo significa en griego “no divisible”. El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo avanzó muy lentamente a lo largo de los siglos, ya que los estudiosos solo se limitaban a especular sobre él [1].

Fig. 1. Un átomo es tan pequeño que una sola gota de agua contiene más de mil trillones de átomos.

B. Estructura

Todo átomo está formado por dos partes, que son:

a) Núcleo atómico: corresponde a la zona central. En él se encuentra la mayor masa del átomo.

b) Corteza atómica: corresponde a la zona que rodea al núcleo. Es la parte más voluminosa del átomo.

C. Partículas subatómicas

Pero en el átomo existe algo más. Tanto en el núcleo como en la corteza se ubican varias partículas muy pequeñas; son las llamadas partículas sub-atómicas. Existen 3 tipos de partículas sub-atómicas.

a) Protones. Se caracterizan porque:

• Están en el núcleo del átomo.

• Tienen carga eléctrica positiva.

• Se simbolizan P+.

• Tienen una masa significativa.

b) Neutrones. Se caracterizan porque:

• Se encuentran en el núcleo del átomo.

• No tienen carga eléctrica.

• Se simbolizan n.

• Tienen masa muy similar a la de los protones.

• Son los responsables de mantener unidos los protones en el núcleo.

c) Electrones. Se caracterizan porque:

• Se encuentran en la corteza del átomo.

• Giran alrededor del núcleo a gran velocidad

• Tienen carga eléctrica negativa

• Se simbolizan e.

• Su masa es muy ínfima en relación a la masa de las otras sub-partículas.

III. LA BASE EXPERIMENTAL DE LA TEORÍA CUÁNTICA.

La teoría cuántica, es una teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones 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 contribución fundamental al desarrollo de la teoría fue el principio de incertidumbre, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica. Derivado de las teorías anteriores, surgen los siguientes conceptos:

Número Atómico.- Número de electrones que es igual a su número de protones del elemento.

Número de Masa.- Es la suma de protones y neutrones que contiene el núcleo.

Isótopo.- Es el elemento que tiene igual número atómico que otro con distinto número de neutrones y por lo tanto diferente número de masa.

Masa Atómica.- Es la suma promedio de los isótopos que existen en la naturaleza comparado con el carbono 12 (C¹²). Es la suma promedio de los isótopos.

Masa Formula.- Es la suma de la masa atómica de todos los átomos presentes en la formula.

Masa Molecular.- La suma de las masas atómicas de todos los átomos que forman una molécula y se expresa en U. M. A.

Negro de Carbono o Negro de Humo.- producto del carbono derivado del petróleo y se asemeja a lo que es el cuerpo negro. Ejemplo: Las llantas de los carros [2].

A. Planck y la radiación de cuerpo negro.

El físico alemán Max Karl Ernst Ludwig Planck en 1900, dice que la interacción entre la materia y la radiación, no se verifica de manera continua, sino por pequeñas pulsadas llamados cuantos (radiaciones electromagnéticas emitidas en unidades discretas de energía), como resultado de los estudios de la radiación del cuerpo negro (cuerpo o superficie ideal, que absorbe toda la energía radiante sin reflejar ninguna). Planck diseño una fórmula matemática que describiera las curvas reales con exactitud, para demostrar que no todas las formas de radiación electromagnética estaban constituidas por ondas, después, dedujo una hipótesis física que pudiera explicar la fórmula. Su hipótesis fue que la energía sólo es radiada en cuantos cuya energía es hð, donde ð es la frecuencia de la radiación y h es el `cuanto de acción', ahora conocido como constante de Planck. Según Planck, la energía de un “cuanto de luz” (fotón), es igual a la frecuencia de la luz multiplicada por una constante. La primera medida fiable de la constante de Planck (1916) se debió al físico estadounidense Robert Millikan. El valor actualmente aceptado es h = 6,626 × 10ᶺ-34 julios/segundo.

ECUACIÓN DE PLANCK E " f (1)

La energía es directamente proporcional a la frecuencia. Derivando a partir de esa teoría el concepto de cuerpo negro, se dice que cuando un cuerpo es calentado, emite radiación electromagnética en un amplio rango de frecuencias. El cuerpo negro (ideal) es aquel que además absorbe toda la radiación que llega a él sin reflejarla, de tal forma que sólo emite la correspondiente a su temperatura. A fines del siglo XIX fue posible medir la radiación de un cuerpo negro con mucha precisión. La intensidad de esta radiación puede en principio ser calculada utilizando las leyes del electromagnetismo. El problema de principios del siglo XX consistía en que si bien el espectro teórico y los resultados experimentales coincidían para bajas frecuencias (infrarrojo), estos diferían radicalmente a altas frecuencias. Este problema era conocido con el provocativo nombre de “la catástrofe ultravioleta”, ya que la predicción teórica diverge a infinito en ese límite.

B. Efecto fotoeléctrico.

Es la formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. Esto sucede cuando se agrega suficiente energía para vencer las fuerzas de atracción que existen en las superficies del metal y se emiten electrones por la acción de los rayos ultravioleta o de los rayos X produciéndose otro efecto de luz relacionado con la electricidad. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico (experimento en 1887 del el efecto fotoeléctrico externo, a medida que

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