UNIDAD I: Teoría Cuántica y Estructura Atómica.

1.1 El átomo y sus partículas subatómicas.

Una partícula subatómica es una partícula más pequeña que el átomo. Puede ser una partícula

elemental o una compuesta, a su vez, por otras partículas subatómicas, como son los quarks, que

componen los protones y neutrones. No obstante, existen otras partículas subatómicas, tanto

compuestas como elementales, que no son parte del átomo, como es el caso de los neutrinos y

bosones.

La mayoría de las partículas elementales que se han descubierto y estudiado no pueden

encontrarse en condiciones normales en la Tierra, generalmente porque son inestables (se

descomponen en partículas ya conocidas), o bien, son difíciles de producir de todas maneras. Estas

partículas, tanto estables como inestables, se producen al azar por la acción de los rayos cósmicos

al chocar con átomos de la atmósfera, y en los procesos que se dan en los aceleradores de

partículas, los cuales imitan un proceso similar al primero, pero en condiciones controladas. De

estas maneras, se han descubierto docenas de partículas subatómicas, y se teorizan cientos de

otras más. Ejemplos de partícula teórica es el gravitón; sin embargo, ésta y muchas otras no han

sido observadas en aceleradores de partículas modernos, ni en condiciones naturales en la

atmósfera (por la acción de rayos cósmicos).

1.1.1 Rayos Catódicos y Rayos Anódicos.

Los rayos catódicos son corrientes de electrones observados en tubos de vacío, es decir los tubos de

cristal que se equipan por lo menos con dos electrodos, un cátodo(electrodo negativo) y

un ánodo (electrodo positivo) en una configuración conocida como diodo. Cuando se calienta el cátodo,

emite una cierta radiación que viaja hacia el ánodo. Si las paredes internas de vidrio detrás del ánodo

están cubiertas con un material fluorescente, brillan intensamente. Una capa de metal colocada entre los

electrodos proyecta una sombra en la capa fluorescente. Esto significa que la causa de la emisión de luz

son los rayos emitidos por el cátodo al golpear la capa fluorescente.

Los rayos anódicos, también conocidos con el nombre de canales o positivos, son haces de rayos

positivos construidos por cationes atómicos o moleculares que se desplazan hacia

el electrodo negativo en un tubo de Crookes.

Estos rayos anódicos se forman cuando los electrones van desde el cátodo (-) al ánodo (+), y chocan

contra los átomos del gas encerrado en el tubo.

1.1.2 Radioactividad.

Es un fenómeno químico-físico por el cual algunos cuerpos o elementos químicos, llamados

radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas radiográficas

fecisterografias, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria,

entre otros.

La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables", es decir, que se mantienen

en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que, para alcanzar su estado

fundamental, deben perder energía.

La radiactividad puede ser:

- Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza.

- Artificial o inducida: manifestada por los radioisótopos producidos en transformaciones

artificiales.

1.2 Bases 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.

1.2.1 Teoría Ondulatoria de la Luz.

Propugnada por Christian Huygens en el año 1678, describe y explica lo que hoy se considera

como leyes de reflexión y refracción. Define a la luz como un movimiento ondulatorio semejante al

que se produce con el sonido.

Propuso el modelo ondulatorio, en el que se defendía que la luz no era mas que una perturbación

ondulatoria, parecida al sonido, y de tipo mecánico pues necesitaba un medio material para

propagarse. Supuso tres hipótesis:

1.- Todos los puntos de un frente de ondas eran centros emisores de ondas secundarias;

2.- De todo centro emisor se propagaban ondas en todas direcciones del espacio con velocidad

distinta en cada medio;

3.- Como la luz se propagaba en el vacío y necesitaba un material perfecto sin rozamiento, se

supuso que todo el espacio estaba ocupado por éter, que hacía de soporte de las ondas.

En aquella época, la teoría de Huygens no fue muy considerada, fundamentalmente, y tal como ya

lo mencionamos, dado al prestigio que alcanzó Newton. Pasó más de un siglo para que fuera

tomada en cuenta la Teoría Ondulatoria de la luz. Los experimentos del médico inglés Thomas

Young sobre los fenómenos de interferencias luminosas, y los del físico francés Auguste Jean

Fresnel sobre la difracción fueron decisivos para que ello ocurriera y se colocara en la tabla de

estudios de los físicos sobre la luz, la propuesta realizada en el siglo XVII por Huygens.

1.2.2 Radiación del cuerpo negro y teoría de Planck.

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.

Quien logró explicar este fenómeno fue Max Planck, en 1900, que debió para ello sacrificar los

conceptos básicos de la concepción ondulatoria de la radiación electromagnética.

1.2.3 Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal o fibra de carbono

cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en

general).

El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887, al observar que el arco

que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se

ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad.

Leyes de la emisión fotoeléctrica

1. Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incidente.

2. Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, también conocida como "Frecuencia Umbral".

3. Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente.

4. La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente, independientemente de la intensidad de la luz incidente. Este hecho se contrapone a la teoría Clásica:la Física Clásica esperaría que existiese un cierto retraso entre la absorción de energía y la emisión del electrón, inferior a un nanosegundo.