TEMA 2: ESTRUCTURA ATÓMICA

1. DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS QUE IMPULSARON LA TEORIA ATOMICA

LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA

En 1774, Antoine Lavoisier realizo un experimento calentando un recipiente de vidrio cerrado que contenía una muestra de estaño y aire. Encontró que la masa antes del calentamiento (recipiente de vidrio + estaño + aire) y después del calentamiento era la misma.

La ley de conservación de la masa dice que en una reacción química la masa no se crea ni se destruye.

LA TEORÍA ATÓMICA DE DALTON

En el periodo desde 1803 hasta 1808, Dalton, utilizo las dos leyes fundamentales de las combinaciones químicas que acabamos de describir, como base de una teoría atómica. Su teoría se baso en tres supuestos:

1. Cada elemento quimico se compone de partículas diminutas e indivisibles denominadas atomos. Los átomos no pueden crearse ni destruirse durante una transformación química.

2. Todos los atomos de un elemento son semejantes en masa(peso) y otraaa propiedades, pero los atomos de un elemento son diferentes de los del resto de los elementos.

3. En cada uno de los compuestos, los diferentes elementos se combinan en una proporción numérica sencilla.

Si los atomos de un elemento son indestructibles, entonces los mismos atomos deben estar presentes después de una reacción química. La masa total permanece invariable.

La teoría atómica de Dalton condujo a la ley de las proporciones multiples.

Las masas relativas características del os atomos de los diferentes elementos se conocen como pesos atomicos.

Errores del modelo de Dalton

El descubrimiento de los rayos catódicos (electrones) refutó la idea de que los átomos eran indivisibles. El descubrimiento de los isótopos refutó la idea de que todos los átomos de un elemento eran iguales en masa. La idea de que los átomos se combinan en relaciones numéricassencillas sigue siendo válida.

¿DE QUÉ ESTAN COMPUESTOS LOS ATOMOS?

Algunos objetos muestran una propiedad denominada carga eléctrica, que puede ser positiva o negativa. Las cargas positivas y negativas se atraen entre si, mientras que dos cargas positivas o negativas se repelen. Todos los objetos materiales están formados por partículas cargadas. Un objeto eléctricamente neutro tiene un numero igual de partículas cargadas positiva y negativamente y no lleva carga neta. Si el numero de cargas positivas es mayor que el numero de cargas negativas, el objeto tiene una carga neta positiva. Si el numero de cargas negativas excede al de las positivas, el objeto tiene una carga neta negativa.

El descubrimiento de los electrones

El primer tubo de rayos catódicos fue construido por Michael Faraday . Al hacer pasar la electricidad a través de tubos de vidrio sometidos al vacio, Faraday descubrió los rayos catódicos, un tipo de radiación emitida por el polo negativo o catodo. La radiación atravesaba el tubo evacuado hacia el polo positivo o ánodo. Posteriormente los científicos encontraron que los rayos catódicos viajaban en línea recta y tienen propiedades que son independientes del matarial del catodo. Los rayos catódicos producidos en el CRT son invisibles, y solo pueden detectarse por la luz emitida por los materiales con los que chocan. Estos materiales denominados luminiscentes se utilizan como pintura al final del CRT de manera que pueda verse el recorrido de los rayos catódicos. Otra observación importante sobre los rayos catódicos es que son desviados por los campos eléctricos y magnéticos de la forma esperada para las partículas cargadas negativamente.

En 1897, J.J. Thomson establecio la relación entre la masa y la carga eléctrica (e) de los rayos catódicos, es decir, m/e. Thomson, también concluyo que los rayos catódicos son partículas fundamentales de materia cargadas negativamente y que se encuentran en todos los atomos. Posteriormente a los rayos catódicos se les dio el nombre de electrones.

Robert Millikan, determinó la carga electrónica e mediante una serie de experimentos con gotas de aceite. El valor de la carga electrónica aceptado actualmente, e, expresado en culombios con cinco cifras significativas es -1,6022x10-19 C.

Los iones, atomos o meloculas cargadas, se producen por la acción de una radiación energética como los rayos x. Algunos de estos iones llegan a unirse a pequeñas gotitas de aceite, proporcionándoles una carga neta. La velocidad de caída de una gotita en el campo eléctrico entre las placas del condensador aumenta o disminuye dependiendo de la magnitud y el signo de la carga de la gota.

El descubrimiento de Rutherford

En 1909, Rutherford y su ayudante Hans Geiger, iniciaron una línea de investigación utilizando partículas α como sondas para estudiar la estructura interna de los átomos y lo que observaron fue lo siguiente:

· La mayor parte de las partículas α atravesaban la lámina sin desviarse.

·Algunas partículas α se desvían ligeramente.

·Unas pocas se desviaban mucho al atravesar la lámina.

· Un número semejante no atravesó la lámina sino que rebotó en la misma dirección con la que había llegado.

Hacia 1911, Rutherford tenia una explicación a todo lo anterior. Basó su explicación en un modelo del atomo conocido como el atomo nuclear, que tiene las siguientes características:

1. La mayor parte de la masa y toda la carga positiva de un atomo esta centrada en una región muy pequeña denominada nucleo. La mayor parte del atomo es un espacio vacio.

2. La magnitud de la carga positiva es diferente para los distintos atomos y es aproximadamente la mitad del peso atomico del elemento

3. Fuera del nucleo existen tantos electrones como unidades de carga positiva hay en el nucleo. El atomo en su conjunto es eléctricamente neutro.

El descubrimiento de protones y neutrones

El átomo nuclear de Rutherford sugirió la existencia en los nucleos de los atomos, de partículas fundamentales de la materia cargadas positivamente. El mismo Rutherford descubrió estas partículas denominadas protones en 1919, al estudiar la dispersión de las partículas α por atomos de nitrógeno en el aire. Los protones eran liberados como resultado de las colisiones entre partículas α y los nucleos de los atomos de nitrógeno. Rutherford predijo la existencia en el nucleo de partículas eléctricamente neutras. En 1932, James Chadwick demostró la existencia de una nueva radiación penetrante que consistía en haces de partículas neutras. Estas partículas , llamadas neutrones, procedían de los nucleos atomos.

Errores del modelo de Rutherford

La falla del modelo de Rutherford radica en el planteamiento de que toda partícula eléctrica, separada de su posición de equilibrio, vibra con una frecuencia determinada, originando la emisión de una onda electromagnética. Esta vibración disminuye cuando pierde energía, hasta quedar en reposo, por lo que la fuerza centrífuga se anula, ocasionando un choque entre el electrón y el núcleo.

TEORÍA CUÁNTICA

Como en el caso de los espectros atomicos, la física clásica no podía proporcionar una completa explicación de la emisión de luz por los solidos calientes, conocida como radiación del cuerpo negro. La teoría clásica predice que la intensidad de la radiación emitida debería aumentar indefinidamente, como indican las líneas discontinuas. Planck para explicar que la intensidad no aumenta indefinidamente, hizo una propuesta revolucionaria: la energía, como la materis, es discontinua. Esta es la diferencia esencial entre la física clásica de la época de Planck y la nueva teoría cuántica que el propuso: la física clásica no limita la cantidad de energía que un sistema puede tener, mientras que la teoría cuántica limita esta energía a un conjunto discreto de valores específicos. La diferencia entre dos de las energías permitidas de un sistema también tiene un valor específico, llamado un cuanto de energía. Esto significa que cuando la energía aumenta de un valor permitido al siguiente, aumenta en un incremento pequeño o cuanto.

El modelo que Planck utilizo para la emisión de radiacion electromagnética fue el de un grupo de átomos en la superficie de un objeto caliente oscilando juntos con la misma frecuencia. La hipotesis de Planck fue que el grupo de atomos, el oscilador, debe tener una energia que se corresponde con la ecuación.

E= nhv

donde E es la energia, n es un numero entero positivo, v es la frecuencia del oscilador yh la constante de Plank y tiene el valor h = 6,62607 X 10-34 Js

El postulado de Planck puede enunciarse de una forma más general: la energia de uncuanto de radiacion electromagnética es proporcional a la frecuencia de la radiacion,cuanto mas alta es la frecuencia, mayor es la energia. Esto se resume en lo que conocemoscomo la ecuación de Planck

E = hv

El modelo del atomo nuclear de Rutherford no indica como se ordenanlos electrones alrededor del nucleo de un atomo. De acuerdo con la fisica clasica, loselectrones estacionarios cargados negativamente deberian ser atraidos por el nucleo cargadopositivamente. Esto sugiere que los electrones en un atomo deben estar en movimientocomo los planetas en orbitas alrededor del Sol. Sin embargo, de nuevo de acuerdocon la fisica clasica, los electrones en orbitas deberian acelerarse continuamente y deberianradiar energia. Al perder energia, los electrones deberian acercarse al nucleo con unmovimiento en espiral hasta juntarse con el. En 1913, Niels Bohr (1885-1962) resolvio estedilema utilizando la hipotesis cuantica de Planck. Con una mezcla interesante de teoriaclasica y cuantica, Bohr postulo que para un atomo de hidrogeno:1,2 y 3 (*)La teoria de Bohr predice los radios de las orbitas permitidas en un atomo de hidrogeno.Rn= n2a0, donde n=1,2,3…

La teoria tambien nos permite calcular las velocidades del electron en estas orbitas,y lo que es mas importante, la energia. Por convenio, cuando el electron esta separadodel nucleo se dice que esta en el cero de energia. Cuando un electron libre es atraido porel nucleo y confinado en una orbita n, la energia del electron se hace negativa, y su valordesciende a

En= -RH/n2

Podemos calcular las energias de los estados de energia permitidos, o niveles de energia, del atomo de hidrogeno. Esta representacion se llama diagrama de niveles de energía.Normalmente el electron en un atomo de hidrogeno se encuentra en la orbita mas proxima al nucleo (n = 1). Esta es la energia permitida mas baja, o el estado fundamental.Cuando el electron adquiere un cuanto de energia pasa a un nivel mas alto (n = 2, 3 ,...)y el atomo se encuentra en un estado excitado. Cuando el electron cae desde una orbitade numero alto a otra de numero mas bajo, se emite una cantidad determinada de energia,que es la diferencia entre la energia de los dos niveles.

La teoría de Bohr y la espectroscopia

la teoria de Bohr proporciona un modelo para comprender los espectros de emision de los atomos. Los espectros de emision se obtienen cuando los atomos individuales de una coleccion de atomos, , se excitan a los estados excitados posibles del atomo. A continuacion, los atomos se relajan a estadosde energia mas bajos emitiendo fotones de una frecuencia.Para que tenga lugar la absorcion de un foton, la energia del foton debe coincidir exactamentecon la diferencia de energia entre los estados inicial y final.

LIMITACIONES DEL MODELO DE BOHR

Desde un punto de vista experimental, la teoria no puede explicar los espectros de emision de los atomos e iones con mas de un electron. Ademas, la teoria no puede explicar el efecto de los campos magneticos sobre los espectros de emision. Desde un punto de vista basico, la teoria de Bohr es una mezcla complicada de fisica clasica y no clasica. No explica por qué  los electrones sólo pueden estar en órbitas estacionarias donde el momento angular L sea múltiplo de nh/2pi. Enuncio el postulado solamente para que la teoria estuviera de acuerdo con el experimento.Las orbitas circulares de la teoria de Bohr no existen en la mecanica cuantica

DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA. PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE

¿Cómo están incorporados los electrones dentro de los atomos?

Thomson pensó que la carga positiva necesaria para contrarrestar las cargas negativas de los electrones en un atomo neutro estaba en forma de una nube difusa. Sugirió que los electrones, flotaban en esta nube difusa de carga positiva, semejante a una masa de

gelatina con los electrones a modo de frutas embebidos en ella. A este modelo se le dio el nombre de budín de ciruelas.