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Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura Universidad Nacional del Nordeste. QUIMICA GENERAL. Ingeniería en Electrónica, Ingeniería Eléctrica, Ingeniería en Agrimensura Licenciatura en Física, Prof. en Física. UNIDAD II: Estructura atómica de la materia.
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Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura Universidad Nacional del Nordeste QUIMICA GENERAL Ingeniería en Electrónica, Ingeniería Eléctrica, Ingeniería en Agrimensura Licenciatura en Física, Prof. en Física
UNIDAD II: Estructura atómica de la materia Evidencias que muestran la complejidad del átomo. Modelo atómico de Rutherford – Bohr. El átomo de hidrógeno. Naturaleza de la luz. Espectros atómicos. Rayos X y el número atómico. Dualidad onda – partícula. Principio de incertidumbre de Heisenberg. Modelo atómico moderno.
Objetivos • Conocer la evidencia de la existencia y propiedades de los electrones, protones y neutrones. • Aprender cómo están distribuidas estas partículas en los átomos. • Aprender acerca de la naturaleza ondulatoria de la luz y cómo se relacionan longitud de onda, frecuencia y velocidad. • Conocer la descripción corpuscular de la luz, y como se relaciona con la descripción ondulatoria. • Acerca de los espectros atómicos de emisión y absorción y cómo fueron la base de un importante avance en la teoría atómica. • Acerca de la descripción mecanocuántica del átomo.
Dalton (1803) Thomson (1904) Cargas positivas y negativas Rutherford (1911) El núcleo Bhor (1913) Niveles de energía Schrödinger (1926) Modelo de nube electrónica Evolución del modelo atómico
Revisión histórica H. Hertz descubre el efecto fotoeléctrico 1888 J.J. Thomson determina para el electrón m/e: el electrón es una partícula con carga negativa (Nobel de Física 1906) 1897 1988 Max Planck introduce la teoría cuántica: la energía es discontinua (Nobel Física 1918) 1905 Einstein explica el efecto fotoeléctrico: la radiación electromagnética tiene pds “corpusculares” Einstein explica el efecto fotoeléctrico: la radiación electromagnética tiene pds “corpusculares” la mayor parte del átomo está vacío. 19091911 Ernest Rutherford: átomo nuclear
Revisión histórica Niels Bohr: resuelve el dilema del átomo de Rutherford mediante una mezcla de teoría clásica y cuántica (Nobel Física 1922) 1913 1920 1925 Dos ideas básicas que conducen al modelo mecano-cuántico del átomo: Principio de incertidumbre de Heisenberg (Nobel Física 1932) Las partículas atómicas pueden tener propiedades ondulatorias (Louis de Broglie, Nobel Física 1929) Comprobación de la hipótesis de De Broglie: Davisson y Germer G. P. Thomson C.J.Davisson y G. P. Thomson (Nobel de Física 1937) 1905 19091911 Erwin Schrödinger desarrolla la Mecánica Cuántica sustitución de la teoría de Bohr
Antecedentes del átomo nuclear • Leucipo y Demócrito (450 aC) • La materia está formada por partículas muy pequeñas e indivisibles. Teoría atómica de Dalton • John Dalton (1803) reintrodujo una teoría atómica sistemática basada en los elementos de Lavoisier. • Los átomos son indivisibles y no se pueden crear ni destruir en una reacción química. • Cada átomo de un elemento es exactamente igual a otro del mismo elemento y diferente de otros átomos de otros elementos. • Cuando los átomos se combinan entre sí, lo hacen en proporciones de pequeños números enteros.
Evidencias experimentales de la naturaleza eléctrica de la materia • Experimentos que permitieron determinar que el átomo contiene partículas cargadas: • Radiactividad rayos , y • Tubos de descarga electrón • Década de 1890: • Roetgen …..rayos X • Becquerel, Cuerie, Rutherford ……..radiactividad La desintegración espontánea de los átomos radiactivos naturales para formar partículas de menor tamaño contradice la hipótesis de Dalton de que los átomos son inalterables.
Evidencias experimentales de la naturaleza eléctrica de la materia Radiactividad: Los rayos son corpúsculos materiales que transportan carga eléctrica positiva. Se mueven a altas velocidades (30000 km/s), no son detectables por el ojo humano, son núcleos del elemento helio. Los rayos son partículas muy pequeñas que transportan carga eléctrica negativa. Son electrones que se mueven a velocidades cercanas a 200000 km/s. Los rayos radiaciones luminosas invisibles al ojo humano con propiedades semejantes a las de la luz, se mueven a una velocidad de 300000 km/s.
Evidencias experimentales de la naturaleza eléctrica de la materia Cuantización de la electricidad. En los tiempos de Dalton, se consideraba a la electricidad como un fluído continuo. Michael Faraday: Leyes de la Electrólisis (1833). Con base en los experimentos de Faraday, George Stoneydedujo en 1874 que la electricidad, al igual que la materia, es de naturaleza atómica y consiste en partículas. A la carga de una partícula simple la llamóelectrón.
Evidencias experimentales de la naturaleza eléctrica de la materia Rayos catódicos. Experimento • Cuando la P del gas se reduce (10-2atm), el gas se vuelve conductor, la corrientefluye y el gas fluoresce (emiteluz), cuando la P se reduce aúnmás, el gas deja de emitirluz, pero la corrientesiguefluyendo entre los electrodos y el vidrio del extremo del ánodo del tubo, fluoresce. Si esteextremo del tubo se recubre con una material luminiscente, se produce un resplandorbrillante. El cátodoemiteunaradiacióncapaz de inducirluminiscencia: rayoscatódicos Fig.1. Tubos de descarga: tubo de vidrio sellado conectado a una fuente de alto voltaje.
Evidencias experimentales de la naturaleza eléctrica de la materia • Estos rayos poseen momento, poseen masa y son desviados por los campos magnéticos y eléctricos como lo harían partículas con carga negativa: se demuestra así el carácter corpuscular de los rayos catódicos. Sir J. J. Thompson demostró en 1897 que estas partículas eran electrones. • Explicación: en un tubo de descarga, las partículas neutras –átomos o moléculas- se ionizan en electrones e iones positivos. Estas partículas con carga adquieren Ec bajo la influencia del campo eléctrico y pueden transferir E a partículas neutras por medio de colisiones.Esta E se muestra en forma de luz, característica del gas encerrado en el tubo. A P muy bajas, el N° de colisiones es también bajo, y por ello existe un N° alto de iones positivos de gran energía que chocan con el cátodo.
Evidencias experimentales de la naturaleza eléctrica de la materia Rayos positivos. Experimento • Al ser bombardeado el cátodo emite rayos catódicos, y si se usa un cátodo perforado, emergerán iones positivos detrás de éste. EugenGoldsteinrealizó esta experiencia en 1886 y logró detectarlos rayos positivos, su comportamiento en campos eléctricos y magnéticos es el que se espera para partículas con carga positiva pero a diferencia de los rayos catódicos, depende de la naturaleza del gas encerrado en el tubo.
Rayos X • Mediante experimentos sobre la fluorescencia producida por los rayos catódicos, Wilhelm Rӧntgendescubre en 1895, una radiación capaz de atravesar placas de vidrio y de metales, a la que llamó Rayos X: se produce cuando los electrones de alta velocidad chocan con un objeto. Estos rayos exhiben fenómenos de difracción, reflexión y refracción pero no son desviados por campos eléctricos o magnéticos, son por lo tanto ondas electromagnéticas de naturaleza similar a la de la luz.
Modelo atómico de Thomson • En 1904, Thomson postuló que un átomo está compuesto de una esfera de electricidad positiva en la cual están incrustados los electrones en número suficiente para neutralizar la carga positiva, como la masa de un electrón es muy pequeña comparada con la del átomo, casi toda la masa de éste está asociada a la carga positiva.
Experimento de Rutherford. 1910 El experimento consistió en bombardear una fina lámina de oro con un haz de partículas alfa y observar cómo la lámina afectaba a la trayectoria de dichos rayos.
Experimento de Rutherford. 1910 Resultados esperados de acuerdo al modelo de Thomson Resultados observados, algunas partículas se desvían, por lo tanto debe existir una zona en la que hay concentración de carga positiva Cuando una partícula se aproxima al núcleo, se produce una repulsión y el ángulo de desviación depende de la distancia entre la partícula y el núcleo.
Modelo nuclear de Rutherford • El átomo es vacío en su mayor parte, por ello la mayoría de las partículas pasan a través del metal siguiendo una trayectoria recta. • La carga positiva y también su masa está concentrada en un volumen reducido al que llamó núcleo. • Para que el átomo sea eléctricamente neutro debe existir un cierto N° de e- (los suficientes para igualar la carga positiva) que rodea a éste y determina el volumen del átomo.
Modelo atómico de Rutherford • Existencia de un núcleo central con carga positiva = a la • negativa de los electrones • 99.9 % de la masa • rn: 10-15 m =1/100000 ra • Electrones fuera del núcleo. • La carga positiva de un átomo se debe a los protones.
Inconvenientes del modelo de Rutherford • Físicamente inestable: • si el electrón estaba quieto debería ser atraído por el • núcleo y finalmente colapsar con el. • si se movía describiendo órbitas, la teoría • Electromagnética predecía que iría perdiendo energía y • finalmente caer. • Incapaz de predecir los espectros atómicos. • La solución … Niels Bhor
La Luz Revisión histórica • Newton (1675), teoría corpuscular de la luz • Huygens, naturaleza ondulatoria • Young (1800), experimentos de difracción: teoría ondulatoria, explicaba reflexión y refracción • Fresnel (1815), base matemática de la teoría ondulatoria • Röentgen (1895), descubrió los rayos X • Maxwell: teoria de onda electromagnética • Plank (1900), radiación de cuerpo negro • Einstein (1905), efecto fotoeléctrico • Compton (1922), dispersión de la luz
Características de la REM • - Los campos eléctricos y magnéticos se propagan como ondas a través del espacio vacío o a través de un medio • - Como toda onda, la REM transmite energía • La luz es un tipo de REM: campo eléctrico y magnético oscilantes de idéntica amplitud pero perpendiculares.
Características de la REM Componente del campo eléctrico Componente del campo magnético Dirección de propagación Componente del campo eléctrico Componente del campo magnético Dirección de propagación
Magnitudes que definen la REM Frecuencia () es el Nº de ciclos por unidad de tiempo y su unidad en el SI es el Hertz: Hz o s-1 (1 ciclo/s) Longitud de onda (): distancia entre dos máximos m Amplitud (A): desplazamiento desde un máximo al nivel cero Velocidad (c): 2,997925.108 m·s-1.Constante para todas las radiaciones electromagnéticas cuando se transmiten en el vacío c = . = c/ = c/
Región del visible Visible al ojo humano. La región del visible se extiende desde los 200 hasta los 900 nm. La luz solar a nivel del suelo se encuentra entre los 400 y 700 nm, región en la que el ojo humano es más sensible. Un objeto se ve del color de la luz que refleja, en lugar del color de la luz que absorbe. (La clorofila hace que las plantas sean verdes porque absorbe luz roja (655 nm) y azul violeta (430 nm) mientras que refleja la luz verde hacia el observador Longitud de onda en nanómetros
Una nueva física. La mecánica cuántica Bases experimentales de la mecánica cuántica • Radiación de un cuerpo negro: Hipótesis de Planck • Efecto fotoeléctrico • Espectros electrónicos • El átomo de Bohr • Nuevas ideas que condujeron a la mecánica cuántica • Hipótesis de DeBroglie • Principio de incertidumbre.
Distribución espectral de la radiación del cuerpo negro Radiación de un cuerpo negro
Hipótesis de Planck Para explicar la radiación de un cuerpo negro enuncia una idea revolucionaria Los átomos radiantes se comportan como osciladores armónicos y cada uno oscila con una frecuencia: Cada oscilador puede absorber o emitir energía de radiación (cuanto) en una cantidad proporcional a su frecuencia E=h. La energía de los osciladores está cuantizada En= n.h. h (Constante de Planck) = 6,62607·10-34 J.s La energía, como la materia, es discontinua. Está cuantizada
Efecto fotoeléctrico Observación (H. Hertz, 1888): Cuando una radiación monocromática de suficiente energía incide sobre determinados metales … Se emiten electrones
El efecto fotoeléctrico. Einstein, 1905 Einsten sugiere una idea corpuscular de la luz: la luz se puede considerar como una corriente de partículas (fotones) de energía cuantizada La energía aportada por el fotón se invierte en: • arrancar al electrón de la superficie del metal • conferirle, una vez arrancado, una cierta energía cinética
Naturaleza dual de la luz La luz se puede comportarcomo una onday como una partícula: -Fenómenos ondulatorios • Difracción • Interferencia -Fenómenos fotónicos • Emisión de un cuerpo radiante • Efecto fotoeléctrico ¿y la materia? ¿también tiene naturaleza dual?
El modelo atómico de Bohr • Niels Bohr fue el primero en aplicar las nuevas ideas de la mecánica cuántica a la concepción del átomo. Es el padre del átomo cuántico. Su modelo permite interpretar de modo exacto el espectro de emisión del átomo de H (las series que se conocían en 1913)
El modelo atómico de Bohr Como el espectro del átomo de H, se puede expresar por medio de una ecuación con cuadrados de números enteros, Bohr postuló que la energía del electrón solamente puede tener los valores dados por: En donde n es un número entero adimensional llamado número cuántico principal. A estos valores energéticos se les denomina “niveles de energía” del electrón o del átomo de H. El primer nivel energético, cuando el número cuántico principal del electrón es 1, se llama “estado normal o fundamental” del átomo de H, todos los demás niveles energéticos se llaman estados excitados
El modelo atómico de Bohr • El electrón gira con una determinada energía fija, sin emitir ni absorber. ¿cuál es el valor de esta energía en el átomo normal de H? Bohr calculó cuánto trabajo debe efectuarse para separar al electrón desde su posición normal cercana al protón (núcleo) hasta una distancia tan lejana () que la atracción sea prácticamente cero. Bohr describió entonces al átomo normal de H como un protón estacionario y un electrón que gira a su alrededor con una energía de -2,179.10-18 J • ¿Puede el electrón asumir otra energía que no sea ésa? la energía del electrón puede tener otros valores, pero estos valores deben estar cuantizados.
El modelo atómico de Bohr • Bohr luego supuso un mecanismo para la absorción y emisión de energía. La absorción de radiación corresponde a una transición –”salto electrónico” entre dos niveles energéticos cualesquiera, desde uno más bajo a uno más alto. La emisión de radiación desde uno más alto a uno más bajo. En la absorción, la energía del electrón aumenta, mientras que en la emisión disminuye, pero sólo de acuerdo con las diferencias entre dos niveles energéticos. La energía perdida aparece como un fotón. • Dado que la E del electrón está cuantizada, el átomo de H solamente puede emitir o absorber fotones cuyas energías sean iguales a la diferencia entre dos niveles energéticos
El modelo atómico de Bohr • Por consiguiente una línea espectral se origina cuando el electrón cae de un nivel a otro de menor energía: E(energía del fotón emitido) = En2- En1 • Usando la ecuación anterior Bohrpredijo la energía de los fotones que deben ser emitidos por el átomo de H. Para una transición electrónica entre dos niveles cualesquiera, la diferencia de energía de esos dos niveles es igual a la energía de la radiación absorbida o emitida por el átomo de H
El modelo atómico de Bohr Resumiendo, el modelo atómico de Bohrse basa en cuatro postulados: • El electrón gira alrededor del núcleo en órbitas circulares permitidas. • Cada órbita permitida tiene una energía definida, es decir la energía está cuantificada. • Cuando el electrón se halla en una órbita permitida es estable, es decir no irradia energía, sólo puede ganar o perder energía cuando pasa de una órbita permitida a otra. • Para que el electrón se halle en una órbita permitida debe cumplir con la condición cuántica, la cual establece que el momento angular del electrón debe ser un múltiplo entero de la cantidad ( h/2).
representa la unidad atómica de longitud El modelo atómico de Bohr
