Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Encuentra los documentos específicos para los exámenes de tu universidad
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Ebooks gratuitos
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
Asignatura: Fundamentos de Quimica, Profesor: , Carrera: Física, Universidad: ULL
Tipo: Apuntes
Subido el 15/07/2014
1 / 44
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!
Los primeros intentos de los físicos del siglo XIX para comprender el comportamiento de los átomos y de las moléculas no fueron exitosos del todo. Al suponer que las moléculas se comportan como pelotas que rebotan, los físicos fueron capaces de predecir y explicar algunos fenómenos macroscópicos como la presión que ejercía un gas. Sin embargo este modelo no informaba del todo la estabilidad de las moléculas: es decir, no podía explicar que fuerzas mantenían unidos a los átomos. Paso mucho tiempo para que se descubriera - y aún más para que se aceptara- que las propiedades de los átomos y de las moléculas no son gobernadas por las mismas leyes físicas que rigen a los objetos más grandes.
La nueva era de la física comenzó en 1900 con el joven Físico alemán Max Planck. Al examinar los datos de la radiación que emitían los sólidos calentados a diferentes temperaturas, Planck descubrió que los átomos y las moléculas emiten energía sólo en cantidades discretas o cuantos. Los físicos siempre habían asumido que la energía es un proceso continuo y que en el proceso de radiación se podía liberar cualquier cantidad de energía. La teoría cuántica de Planck revolucionó la física. Sin duda, la serie de investigaciones que siguió a este descubrimiento modificó para siempre el concepto de la naturaleza.
Max Karl Ernst Ludwing Plank (1858-1947). Físico alemán. Recibió el Nobel de Física en 1918 por su teoría cuántica.
La velocidad es otra de las propiedades importantes de una onda, que depende del tipo de onda y del medio en el cual viaja (por ejemplo: aire, agua o vacío). La velocidad ( u ) de una onda es el producto de su longitud y frecuencia:
u = l n
EI concepto esencial de la ecuación anterior se comprende mejor cuando analizarnos las dimensiones físicas contenidas en los tres términos. La longitud de onda (l) expresa la longitud de la onda, o distancia/onda. La frecuencia (n) representa el numero de ondas que pasan por un punto de referencia por unidad de tiempo, es decir, ondas/tiempo. Por tanto, el producto de estos términos tiene las dimensiones de distancia/tiempo, que es velocidad:
La longitud de onda se expresa de forma usual en unidades de metros, centímetros o nanómetros, y la frecuencia se mide en hertz (Hz), dónde
1 Hz = 1 ciclo/s
EI termino "ciclo" se omite y la frecuencia se expresa como, por ejemplo, 25/s (que se lee "25 por segundo").
tiempo
ondas x onda
distancia tiempo
dis tancia
Hay otra característica esencial de la radiación que interviene e la discusión de la estructura atómica. A continuación introducimos estas características: interferencias y difracción. Si lanzamos dos piedras a un charco y caen muy cerca una de otra, observamos que parten de los puntos de impacto de las dos piedras. Los dos grupos de ondas interseccionan, y como podemos ver en la figura inferior izquierda, hay lugares en donde las ondas desaparecen y lugares donde persisten creando un patrón de entrecruzamiento característico. Cuando las ondas se encuentran coincidiendo en sus crestas (o en sus valles), las ondas se combinan formando las crestas altas (o valles más profundos) en el agua. En este caso se dice que las ondas están en fase y la suma de ondas se llama interferencia constructiva. Cuando las ondas se encuentran de modo que el máximo de una onda coincide con el valle de otra, las ondas se anulan y el agua queda plana. Se dice que estas ondas no están en fase y la anulación se denomina interferencia destructiva. La difracción es un fenómeno característico de las ondas que se basa en la desviación de éstas al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas. La interferencia se produce cuando la longitud de onda es mayor que las dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difracción disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado con la longitud de onda.
Las onda, más cortas, que también tienen la frecuencia mas alta, se asocian a los rayos g (gamma), que se forman durante los cambios ocurridos dentro del núcleo del átomo. Como se vera enseguida, a medida que aumenta la frecuencia, la radiación es más energética. Así, la radiación ultravioleta, los rayos X y los rayos g son radiaciones de alta energía.
Diversos tipos de radiación electro- magnética con distinta longitud de onda y frecuencia: Las ondas largas de radio se transmiten mediante grandes antenas, como las que se utilizan en las telecomunicaciones.
Cuando los sólidos se someten a calentamiento, emiten radiación electromagnética que abarca una amplia gama de longitudes de onda. La luz rojiza tenue de un calentador eléctrico o la luz blanca brillante de una lámpara de tungsteno son algunos ejemplos de radiación que emiten los sólidos calentados.
Las mediciones hechas en la última parte del siglo XIX, mostraron que la cantidad de energía radiante que emitía un objeto a una cierta temperatura, dependía de su longitud de onda. Sin embargo, la explicación de esta dependencia con la teoría ondulatoria establecida y con las leyes de la termodinámica no era del todo satisfactoria. Una de las teorías explicaba la dependencia de la longitud de onda corta pero no la de longitudes de onda mas largas. Otra teoría explicaba la dependencia de longitudes más largas, pero no la de las cortas. Era como si faltara algo fundamental en las leyes de la física clásica.
En 1888, Heinrich Hertz descubrió que cuando la luz choca con la superficie de ciertos metales, se emiten electrones. Este fenómeno se denomina efecto fotoeléctrico y sus características más sobresalientes son:
Luz incidente
Metal
En 1905, sólo cinco años después de que Planck presentara su teoría cuántica, Albert Einstein utilizó la teoría para explicar el efecto fotoeléctrico. Einstein partió de una extraordinaria hipótesis al considerar que un rayo de luz es, en realidad, un torrente de partículas. Tomando como punto de partida la teoría cuántica de Planck, Einstein dedujo que cada una de estas partículas de la luz, denominadas posteriormente fotones por G.N. Lewis, debe poseer una energía E, de acuerdo con la ecuación
E = hn
donde n es la frecuencia de la luz. Los electrones se mantienen unidos en el metal por fuerzas se atracción y, para emitirlos, se necesita una luz que tenga una frecuencia suficientemente alta (es decir, una energía suficiente). El rayo de luz que incide sobre una superficie metálica puede compararse con la descarga de un rayo de partículas – fotones – sobre los átomos de metal. Si la frecuencia de los fotones es de una magnitud tal que h n es exactamente igual a la energía de enlace de los electrones en el metal, entonces la luz tendrá la energía suficiente para emitirlos. Con una luz de mayor frecuencia, los electrones no sólo serán emitidos, también adquirirán cierta energía cinética. A mayor frecuencia de la luz, mayor energía cinética de los electrones emitidos.
Ahora considere dos rayos de luz que tienen la misma frecuencia (que es mayor que la frecuencia umbral) pero diferentes intensidades. El rayo de luz más intenso consta de un mayor número de fotones; por consiguiente, emite más electrones de la superficie del metal que el rayo de luz más débil.
La teoría de Einstein acerca de la luz significó un dilema para los científicos. Por un lado, dicha teoría explica satisfactoriamente el efecto fotoeléctrico. Pero, por otro lado, la teoría de partícula de la luz no es consistente con su conocido comportamiento de onda. La única forma de resolver este dilema, es aceptar la idea de que la luz posee propiedades tanto de partícula como de onda. Acorde con el tipo de experimento, la luz se comporta como onda o como torrente de partículas. Este concepto se apartaba en forma radical de lo que pensaban los físicos sobre la materia y la radiación, y tomó mucho tiempo para que se aceptara.
Alto voltaje
Tubo de descarga
Colimador
Placa fotográfica
Prisma
Espectro de línea
Luz separada en sus componentes
Por su parte, los espectros de emisión de los átomos en fase gaseosa no muestran una distribución continua de longitudes de onda del rojo al violeta; más bien, los átomos producen líneas brillantes en distintas partes del espectro visible. Estos espectros de líneas corresponden a la emisión de la luz sólo a ciertas longitudes de onda.
Cuando las líneas del espectro de emisión de un elemento conocido coinciden exactamente con las líneas del espectro de emisión de una muestra desconocida, es posible establecer la identidad de esta muestra. Aunque ya se sabía que este procedimiento sería útil en el análisis químico, el origen de estas líneas se desconocía a principios del siglo XX.
En 1913, poco después de los descubrimientos de Planck y Einstein, el físico danés Niels Bohr dio a conocer una explicación teórica del espectro de emisión del átomo de hidrogeno. EI tratamiento de Bohr es muy complejo y no se considera correcto en todos sus detalles. Por ello, aquí sólo se concentrará en los planteamientos importantes y en los resultados finales que explican la posición de las líneas espectrales. Cuando Bohr abordo por primera vez este problema, los físicos ya sabían que los átomos estaban formados de electrones y protones. Consideraban al átomo como una unidad donde los electrones giraban alrededor del núcleo en orbitas circulares a gran velocidad. Se suponía que en el átomo de hidrogeno, la atracción electrostática entre el protón positivo y el electrón negativo empujaba al electrón hacia el interior, y que esta fuerza se contrarrestaba por la aceleración externa debida al movimiento circular del electrón. El modelo del átomo de Bohr incluía la idea de que los electrones se movían en órbitas circulares, pero imponía restricciones rigurosas: el único electrón del átomo de hidrógeno podía estar localizado sólo en ciertas órbitas. Dado que cada órbita tiene una energía particular, las energías asociadas al movimiento del electrón en las órbitas permitidas deberían tener un valor fijo, es decir, estar cuantificadas. Bohr suponía que la emisión de radiación por un átomo de hidrógeno excitado se debía a la caída del electrón desde una orbita de mayor energía a otra de menor energía, y esto originaba un cuanto de energía (un fotón) en forma de luz. Proceso de emisión en un átomo de hidrógeno excitado, según la teoría de Bohr. Un electrón que originalmente se encuentra en una órbita con una mayor energía (n=3) cae hacia una órbita de menor energía (n=2). Como resultado, se desprende un fotón
de energías entre las dos órbitas ocupadas por el electrón durante el proceso de emisión. n=
n=
n=
Fotón
La teoría de Bohr ayuda a explicar el espectro de líneas del átomo de hidrogeno. La energía radiante que absorbe el átomo hace que su electrón pase de un estado de energía más bajo (un menor valor de n ) a otro estado de mayor energía (caracterizado por un valor mayor de n ). Por el contrario, cuando el electrón se mueve desde un estado de mayor energía a otro de menor energía, se emite energía radiante en forma de un fotón. El movimiento cuantizado del electrón desde un estado de energía a otro, es análogo al que tiene una pelota de tenis en una escalera. La pelota puede parar en cualquier peldaño, pero nunca entre estos. EI viaje de la pelota de un peldaño inferior a uno superior demanda energía, pero si pasa de un peldaño más alto a uno más bajo, el proceso libera energía. La cantidad de energía asociada a cada uno de estos cambios esta determinada por la distancia que hay entre los peldaños inicial y final. De la misma manera, la cantidad de energía necesaria para mover un electrón en el átomo de Bohr depende de la diferencia de los niveles de energía entre los estados inicial y final.
Para aplicar la ecuación al proceso de emisión en un átomo de hidrógeno, suponga que el electrón está inicialmente en un estado excitado representado por el número cuántico principal ni. Durante la emisión de radiación, el electrón cae a un estado de energía más bajo caracterizado por el número cuántico principal nf (los subíndices i y f expresan los estados inicial y final, respectivamente). Este estado de menor energía puede ser otro estado excitado o también el estado fundamental. La diferencia de energía entre los estados inicial y final es DE = Ef - Ei por tanto,
dado que esta transición lleva a la emisión de un fotón de frecuencia n y energía h n, se puede escribir
n
n
i
2 H f
H
D n 2 i
2 i
H n
n
E h R
i
2 i
H n
n
Cuando se emite un fotón, ni > nf. En consecuencia, el término entre paréntesis es negativo y DE es negativo (la energía se pierde hacia los alrededores). Cuando se absorbe energía, ni < nf y el término entre paréntesis es positivo, también DE es ahora positivo.
Para explicar el efecto fotoeléctrico, Einstein sugirió que la luz tiene propiedades semejantes a las de la partículas y que está constituida por fotones. Sin embargo, otros fenómenos, como la dispersión de la luz por un prisma produciendo un espectro, se comprende mejor en términos de la teoría ondulatoria de la luz. Por tanto, la luz parece tener una naturaleza dual.
En 1924, Louis de Broglie, considerando la naturaleza de la luz y de la materia, formuló una proposición sorprendente: las partículas pequeñas de materia a veces pueden mostrar propiedades de ondas.
¿Cómo llegó De Broglie a esta proposición?. El conocía la famosa ecuación de Einstein
donde m es la masa relativista del fotón y c es la velocidad de la luz. Combinó esta ecuación con la relación de Planck para la energía de un fotón E= h n, de la siguiente manera,
donde p es el momento del fotón. Utilizando nl= c , tenemos,
Para aplicar esta ecuación a un a partícula material como un electrón, De Broglie sustituyo el momento p, por su equivalente, el producto de la masa de la partícula m , y su velocidad, u. Cuando se hace esto, se llega a la famosa relación de De Broglie
h n mc^2 mc p
2
34
Calcule la longitud de onda de la "partícula" en los siguientes dos casos: a) EI servicio más rápido en el tenis es de una 0,62 m/s. Calcule la longitud de onda asociada a una pelota de tenis de 6,0 x 10-2^ kg que viaja a esta velocidad. b) Calcule la longitud de onda asociada a un electrón que se desplaza a 63 m/s.
a)
Si se considera que el tamaño de un átomo es alrededor de 1·10-10m, ésta es una longitud de onda sumamente pequeña. Por esta razón, ningún dispositivo de medición existente puede detectar las propiedades de onda de una pelota de tenis
b)
Esta longitud de onda 1.1·10-5^ m o 1,1·10^4 nm) se encuentra en la región infrarroja. Este cálculo muestra que sólo los electrones (y otras partículas submicroscópicas) tiene longitudes de onda susceptibles de medición
31
34
En esta ecuación queda implícito que una partícula en movimiento se trata como si fuera una onda, y esta última puede mostrar propiedades de una partícula. El lado izquierdo de la ecuación expresa la propiedad de una onda, es decir, su longitud de onda, en tanto que el lado derecho incluye a la masa, una propiedad característica de una partícula.
Al poco tiempo de que De Broglie formulara su ecuación, Clinton Davisson y Lester Germer, en Estados Unidos, y G.P, Thomson, en Inglaterra, demostraron que los electrones poseen propiedades ondulatorias. Al dirigir un rayo de electrones sobre una delgada lámina de oro, Thomson detectó una serie de anillos concéntricos en una pantalla, similar al patrón que se observa con los rayos X (que son ondas).
