Unidad 1 ÓPTICA CUÁNTICA. SU IMPACTO EN LA SOCIEDAD Y EL MEDIO AMBIENTE.

INTRODUCCION: En el semestre anterior estudiaste los distintos fenómenos que se producen cuando

la luz atraviesa o incide sobre diferentes sustancias, estos fueron:

Reflexión: es el fenómeno por el cual parte de la luz que llega a un objeto es devuelta por este. Todos los cuerpos poseen la propiedad de reflejar parte de la luz que incide sobre

ellos, aunque unos la poseen en mayor grado que otros.

Con este fenómeno se explican las imágenes en superficies como los espejos.

Refracción: consiste en el cambio de dirección que experimenta un rayo de luz,

cuando este atraviesa la frontera entre dos medios de densidades ópticas diferentes

a) Si el ángulo de incidencia es de 0 grados, el de refracción también lo es. A

medida que aumenta el primero, también aumenta el segundo.

b) Cuando la luz pasa de un medio de menor densidad óptica a otro de mayor, el

ángulo de refracción es menor que el de incidencia y viceversa.

Como caso particular de este fenómeno es la reflexión total. Esta ocurre cuando el

haz de luz se propaga desde un medio de mayor densidad óptica hasta otro de

menor densidad, para determinado ángulo de incidencia, llamado ángulo límite, el

cual varía según sean las sustancias. Este fenómeno recibe el nombre de reflexión

total interna y es muy utilizado en la construcción de equipos, instrumentos y fibras

ópticas (los cables de fibra óptica funcionan por este principio).

Asociado a este fenómeno se estudio el concepto de índice de refracción n el cual

nos da la relación entre las velocidades de la luz en cada uno de los dos medios que

atravesó.

La ley que me relaciona el índice de refracción y los ángulos es la ley de Snell y su

expresión matemática es:

senrnsenin 21 = (1.1)

Donde el índice de refracción n1 es el del medio del cual proviene la luz y n2 el del

medio en el cual penetra.

VCn = (1.2) donde c es la velocidad de la luz en el vacío ( 3 x 10 8 m / s) y v la

velocidad en el medio que atraviesa. Este índice se denomina absoluto.

El índice de refracción relativo entre dos sustancias sería:

βα

sensen

VVn ==

2

1

Difusión de la luz al fenómeno de la desviación de su energía hacia los lados,

cuando esta atraviesa una sustancia transparente que presenta heterogeneidades.

Cuando la luz proveniente del sol viaja a través de la atmósfera, experimenta una

desviación lateral por difusión que es más intensa para el color violeta y azul, que

son los que tienen menor longitud de onda. La combinación de esos colores forma el

azul celeste del cielo.

Las tonalidades rojizas de los atardeceres y amaneceres, también se explican por la

difusión.

Interferencia de la luz, el fenómeno de la superposición de dos o mas haces

luminosos coherentes, lo cual da lugar a la formación de zonas claras y oscuras.

FIGURA 1.1 pag. 1 12mo. Grado 1ra. Parte año 1991

Fig. 1.1

La difracción de la luz es el fenómeno por el cual la dirección de esta se curva al

pasar por la vecindad de los objetos.

La distribución de la iluminación que se obtiene como resultado del fenómeno

anterior se denomina Patrón de Difracción.

El fenómeno de la difracción es apreciable cuando la longitud de onda es del orden

del obstáculo. En el caso de la luz esta se verifica apreciablemente cuando la

abertura, el orificio o el obstáculo tienen dimensiones inferiores a las décimas de

milímetro. También se observa cuando se interpone al haz de luz un cuerpo cuyos

bordes sean casi perfectos, como en el caso de una cuchilla de afeitar ver fig. 1.2

Lámina 3 inciso f pág. 156 texto de 12 1 parte año 2000.

Fig. 1.2

Un instrumento óptico que tiene gran aplicación práctica es la red de difracción, la

cual está constituida por un gran número de finas ranuras separadas por intervalos

opacos ver fig. 1.3 Con ayuda de las redes de difracción se pueden hacer

mediciones de la longitud de onda, mucho más exactas que con el experimento de

Young.

FIGURA 6.18 pag. 241 texto 12 grado año 1979

Fig. 1.3

Estos dos fenómenos fueron cruciales, ya que a partir de aquí se midió una ( λ )

longitud de onda para la luz y por tanto se aceptó que la luz era una onda a partir

del siglo XIX.

Polarización: fenómeno mediante el cual la ondas transversales (oscilan

perpendicular a la dirección en que se propagan desordenadamente y en todas

direcciones) al atravesar una sustancia emergen oscilando en una sola dirección (o

son absorbidas totalmente).

Este fenómeno llevó a determinar que la luz es una onda transversal ya que es una

propiedad solo de este tipo de onda ver figura 1.4.

Fig. 1.4

Y como conclusión se llegó a que la luz es una onda electromagnética y que por tanto se

propaga a la velocidad de 300 000 km / s en el vacio.

1. RADIACIÓN TERMICA. El Sol es la mayor fuente de energía calorífica en el Sistema Solar. Nuestro planeta

Tierra recibe esta forma de energía en tránsito por un mecanismo llamado radiación,

el cual ya has estudiado como forma de transmisión del calor.

Esa energía atraviesa la distancia Sol – Tierra (150 000 000 km) en 8,5 minutos

aproximadamente y entre ambos no hay aire es el vacío y este es mal conductor del

calor, y tampoco puede ser la convección pues se necesitan masas de aire para ello.

Toda energía que se transmite por radiación, con independencia de su naturaleza,

se denomina “energía radiante”. La energía radiante se manifiesta en todo el

espectro de radiaciones electromagnéticas, pero entre toda la diversidad de las

radiaciones electromagnéticas es posible destacar una que se manifiesta a cualquier

temperaturas y por tanto, es inherente a todos los cuerpos, es la conocida como

radiación térmica o radiación de calor.

La radiación térmica no es más que la emisión de radiación electromagnética

provocada por la energía interna de los cuerpos y cuya intensidad corresponde

fundamentalmente a la zona del espectro correspondiente al infrarrojo. Es importante

comprender que esta energía es emitida por el cuerpo debido al movimiento térmico

de sus moléculas, de ahí su nombre. Puesto que una medida de este movimiento es

la temperatura, es de esperar una relación entre la radiación térmica y la

temperatura.

En dependencia de la temperatura del cuerpo, varía la intensidad de la radiación y la

composición espectral, causa por la cual no siempre la radiación térmica se percibe

por el ojo humano (espectro visible).

1.2 EQUILIBRIO TÉRMICO.

Sabemos que todo cuerpo cuya temperatura es diferente de la de su entorno,

alcanzará en último término una temperatura igual a la de este, ya sea porque emite

energía (emite mas de la que absorbe) y se enfría (decrecer su energía interna y su

temperatura disminuye) o porque absorbe energía (absorbe mas de la que emite) y

se calienta (aumenta su energía interna y su temperatura aumenta). Esto se conoce

como equilibrio térmico. Este proceso continuará mientras la cantidad de energía

emitida no sea igual a la cantidad de energía absorbida. De esta forma la aparición

de desequilibrios en el sistema cuerpo – radiación conlleva el surgimiento de

procesos que restablecen el equilibrio.

La capacidad de la radiación térmica o radiación de calor de encontrarse en equilibrio

con los cuerpos emisores está condicionada porque su intensidad depende de la

temperatura.

1.3 Radiación térmica y la longitud de onda λ.

Supongamos una cavidad cuyas paredes están a cierta temperatura. Los átomos del

material que componen las paredes emiten radiación electromagnética y al mismo

tiempo absorben la emitida por otros átomos de la pared. Cuando la radiación

electromagnética atrapada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los átomos

de las paredes, la cantidad de energía que emiten los átomos por unidad de tiempo

es igual que la absorbida por ellos. Cuando la radiación de la cavidad está en

equilibrio con las paredes, la densidad de energía del campo electromagnético es

constante.

- Los experimentos demuestran que en el equilibrio, la radiación electromagnética

atrapada posee una distribución de energía bien definida, es decir, a cada longitud

de onda (λ) corresponde una densidad de energía rλ que sólo depende de la

temperatura de las paredes y es independiente de su material. Experimentalmente

se estableció la dependencia entre la radiación espectral ελT y la longitud de onda λ

para una temperatura T constante, tal y como se muestra en la figura 1.5, siendo ελT

la densidad de energía monocromática

.

Fig. 1.5

Esta curva nos muestra cómo la intensidad de energía máxima corresponde a un

valor de longitud de onda que se ha denominado λ MAX. Esto significa que el cuerpo

emite la mayor parte de su energía en forma de radiación en esa longitud de onda.

Asimismo se observó que esta dependencia era la misma para todos los cuerpos a

igual temperatura en la medida que se aproximaban a un modelo teórico conocido

como cuerpo negro.

2 Cuerpo negro .

En la naturaleza no existen cuerpos negros, este

concepto es una abstracción física. Para

entender el concepto de cuerpo negro hay que

partir del hecho de que los cuerpos no sólo

emiten, sino también absorben energía. Al incidir

radiación sobre la superficie de un cuerpo

ocurren dos procesos: una parte se refleja y otra parte se absorbe. La experiencia

muestra que los cuerpos que mejor absorben la energía que llega a ellos (y que por

tanto reflejan poco) son los que mejor emiten. Ejemplos de objetos que se asemejan

a un cuerpo negro pueden ser el terciopelo negro, o el hollín. Una forma de construir

un cuerpo negro es un recipiente cerrado de paredes interiores rugosas con un

agujero. El orificio es un ejemplo de cuerpo negro, ya que la radiación incidente,

debido a las múltiples reflexiones, queda atrapada y no logra salir. Ver figura 1.6

Así, se define como cuerpo negro a aquel que absorbe toda la energía que incide

Figura 1.6

Figura 1.7.

sobre él. Pero al mismo tiempo, el cuerpo negro es el cuerpo que más emite entre

todos los cuerpos a una temperatura dada. Esto se aprecia en la figura 1.7, en la que

un cilindro metálico cerrado con un pequeño orificio actúa como un simulador de

cuerpo negro. El cuerpo está a una temperatura suficientemente alta, por lo que el

metal se muestra incandescente; sin embargo, el agujero a través del cual emerge la

radiación interior de la cavidad es más brillante que el resto de la superficie.

La relación entre la absorción y emisión de la energía por un cuerpo estará entre los

valores de 0 a 1. Para el cuerpo negro ideal este valor será 1. Absorben bien los

cuerpos de color negro. Los cuerpos cuyo coeficiente de absorción es menor que la

unidad y no depende de la longitud de onda de la radiación que incide sobre él se

denominan cuerpos grises.

Los cuerpos grises no existen en la naturaleza, algunos cuerpos en un intervalo de

longitudes de onda dado irradian y absorben como cuerpos grises. Por ejemplo, el

cuerpo humano a veces se considera como un cuerpo gris con un coeficiente de

absorción de 0,9 en la región infrarroja del espectro. El ojo humano es un buen

ejemplo de cuerpo negro.

Aunque el cuerpo negro es una idealización, las leyes que a continuación se

establecerán corresponden a este modelo. El grado de acercamiento de un cuerpo a

Figura 1.8

la condición de cuerpo negro se da en tanto el valor de la relación entre la absorción

y la emisión se acerque a 1. Existen objetos que se pueden modelar como cuerpos

negros.

Un filamento de un bombillo incandescente puede modelarse como cuerpo negro

admitiendo que toda la energía que recibe (energía eléctrica) la emite en forma de

calor.

La radiación del cuerpo negro presenta un espectro continuo. En la familia de curvas

de la figura 1.8 se observan los gráficos de los espectros de radiación para diferentes

temperaturas y un trazado que enlaza los máximos de cada curva en particular A

partir de estas curvas experimentales puede arribarse a las siguientes conclusiones:

• El máximo de densidad espectral de la radiación ελT, se desplaza hacia el

lado de las ondas cortas con la elevación de la temperatura.

• La energía radiante aumenta con el aumento de la temperatura.

Los intentos por obtener una forma teórica de la función de radiación para las curvas

presentadas en la figura 1.8, no daban la solución general del problema Las leyes

que a continuación enunciaremos fueron establecidas experimentalmente antes del

trabajo fundamental de Max Planck en 1900. La explicación teórica de las leyes de la

radiación del cuerpo negro, tuvo un significado enorme en la historia de la Física,

pues condujo al concepto de cuantos de energía que estudiaremos posteriormente.

Joseph Stefan en 1879, analizando los datos experimentales y después su discípulo

Ludwing Boltzmann en 1884 partiendo de consideraciones termodinámicas llegaron

a que la radiación integral RT de cualquier cuerpo es proporcional a la cuarta

potencia de su temperatura termodinámica. Mediciones posteriores más exactas

concluyeron que tales aseveraciones sólo eran validas para los cuerpos negros. La

radiación integral RT se define como la energía total emitida por unidad de superficie

y de tiempo a una temperatura determinada.

Joseph Stefan Fis Físico austriaco (1835 / 1893). Descubrió una de las leyes de la radiación térmica, comprobada posteriormente por su discípulo y colaborador Boltzmann, la Ley de Stefan Boltzmann.

Ludwig Boltzmann Fis Físico austriaco. n. en Viena (1844 / 1906). Uno de los fundadores de la teoría cinético molecular, la cual aparece en sus trabajos como una teoría consecuente y lógicamente armónica. Contribuyó mucho al desarrollo y a la popularización de la teoría de

Maxwell del campo electromagnético. Defendió con apasionamiento la interpretación molecular de los fenómenos térmicos.

La ley anteriormente planteada y denominada de Stefan-Boltzmann establece que la

radiación integral del cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su

temperatura termodinámica, o sea:

RT = σ T4 (1.3)

donde σ = 5,67 10-8 W/(m2 K4) es la llamada constante de Stefan-Boltzmann.

La ley de Stefan – Boltzmann se puede ilustrar cualitativamente en diferentes

cuerpos en los que a medida que aumenta su temperatura se percibe una radiación

más intensa, son los casos de un horno, la cocina eléctrica, los lingotes metálicos en

los altos hornos, etcétera. Desde este punto de vista, la ley de Stefan – Boltzmann

se refiere sólo a la intensidad de la radiación integral del cuerpo negro y no dice

nada respecto a la distribución espectral de energía.

La conclusión inherente al valor de longitud de onda para el que se obtiene el

máximo de la radiación integral RλλλλT y su aumento con el aumento con la

temperatura, se concreta en la Ley de desplazamiento de Wien (Wilhelm Wien):

T

C1max =λ (1.4)

donde C1 es un coeficiente cuyo valor es: C1 = 2,9 10-3 m K.

Wilhelm Wien Físico alemán. n. en Gaffken (1864 / 1928). Realizó importantes estudios sobre Termodinámica, radiaciones, rayos X, catódicos y canales .Sus trabajos sobre la radiación del cuerpo negro lo llevaron al planteamiento de las leyes que llevan su nombre acerca de este fenómeno. Recibió el Premio Nobel de Física en 1911.

La manifestación de la ley de Wien se pone en claro en observaciones cotidianas, A

temperatura ambiente la radiación térmica de los cuerpos está comprendida

fundamentalmente en la región infrarroja y no se percibe por el ojo humano. A una

elevación considerable de la temperatura del cuerpo (750 K), este comienza a emitir

luz rojo-oscura, y a temperaturas muy altas esta llega a ser blanca con matices de

azul (1250 K) a mayores temperaturas (1800 K) se observa una incandescencia

blanco brillante, aumentando también la sensación del carácter incandescente del

cuerpo.

Se le dice a la ley de Wien Ley de Desplazamiento, pues el máximo de la función

RλλλλT a medida que aumenta la temperatura se desplaza a la zona de ondas cortas.

En la figura 1.8 puede ser observada esta ley.

Basándose en las leyes de Stefan – Boltzmann y de Wien, la pirometría óptica

permite determinar la temperatura de los cuerpos considerando que la energía

adquirida por el pirómetro es proporcional al brillo de la fuente independientemente

de la distancia entre ellos, por lo cual, las lecturas del pirómetro dependerán del brillo

y como consecuencia de la temperatura del cuerpo negro en cuestión.

( PIRÓMETRO: Equipo que se utiliza para medir la temperatura de masas fundidas o de cuerpos incandescentes a partir de la radiación que estos cuerpos emiten. Su funcionamiento estriba en comparar lo que recibe del cuerpo con un manantial de referencia.) 3. APLICACIONES DE ESTAS IDEAS:

Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente.

Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las

superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía

radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha

radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben

poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos

mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo

que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.

Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir

grandes cantidades de radiación. Se observa experimentalmente que las

propiedades de absorción, reflexión y transmisión de la radiación electromagnética

de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. El vidrio,

por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud

de onda, pero es un mal transmisor de la radiación infrarroja, de alta longitud de

onda. La Ley de Desplazamiento de Wien junto con las propiedades de transmisión

del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos (las

casas con paredes de vidrio como huertos tapados intensivos, se usan

fundamentalmente en países no tropicales) y el efecto invernadero sobre la Tierra.

3.1 Calentamiento Global del Planeta

La energía radiante del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite

a través de la atmósfera terrestre y al incidir en la superficie terrestre una fracción es

absorbida y la otra es irradiada, predominantemente en longitudes de ondas

mayores, correspondientes al infrarrojo. La energía irradiada por la Tierra se

denomina radiación terrestre. Los gases atmosféricos (principalmente Dióxido de

Carbono y vapor de agua) impiden la transmisión hacia el exterior de la atmósfera

de esta radiación terrestre con una fuerte componente infrarrojo, provocando una

transferencia de calor neta hacia el interior de la atmósfera.

La radiación terrestre que no consigue escapar de la atmósfera terrestre calienta el

planeta. Este proceso de calentamiento global es agradable, de lo contrario la

temperatura predominante en la Tierra sería de unos –18º C. Es un proceso natural.

La cantidad de radiación solar que llega a la Tierra, promediada en un intervalo de

años, compensa exactamente la radiación terrestre que nuestro planeta emite al

espacio. Este equilibrio da por resultado la temperatura promedio de la Tierra, la cual

permite la existencia de la vida tal como la conocemos.

La incorporación de ciertos materiales a la atmósfera modifica la absorción y

reflexión de la radiación solar. La quema de combustibles fósiles, la emanación de

gases como el Dióxido de Carbono, el Amoníaco, los compuestos del Cloro y el

Bromo, y otros elementos contaminantes, rompen el equilibrio de la radiación del

sistema Sol – Tierra disminuyendo el porciento de la radiación terrestre que es

expedida más allá de los límites del planeta azul. Esta incorporación no natural de

estos materiales es creado por la actividad desmedida del hombre en la explotación

y transformación de los recursos naturales del planeta, sin tener en cuenta sus

efectos desastrosos para el clima y está poniendo en riesgo la existencia de la propia

especie.

El Sol, es la más potente fuente de radiación térmica cercana a nosotros y que

condiciona la vida en la Tierra. Tras un viaje de unos 150 millones de kilómetros la

radiación solar llega a la Tierra. La atmósfera refleja un 28% del total, mientras que el

3% constituido por radiación ultravioleta es absorbida por el Ozono presente en la

estratosfera (por eso es tan importante su preservación porque esta radiación incide

en los enlaces de ADN modificándolos, provoca afecciones en los organismos vivos

que habitan nuestro planeta y lleva a su destrucción, consultar al profesor de

Biología al respecto), lo que hace posible la vida en nuestro planeta. En la troposfera

el vapor de agua absorbe el 17% correspondiente a la radiación infrarroja, mientras

que las partículas en suspensión como polvo, humo, polen o contaminación retienen

otro 5%. A la corteza terrestre llega pues, un 47% de la radiación solar inicial, de la

que un 25,8% es absorbida por el agua oceánica, un 0,2 % por las plantas y sólo un

21% es absorbido por el suelo.

El flujo de radiación solar correspondiente a 1 m2 del área del borde exterior de la

atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se

llama constante solar, y su valor medio 1,37 × 103 W. La intensidad de energía real

disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la

absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones

con la atmósfera.

La radiación solar dosificada se aplica como método terapéutico (Helioterapia), así

como un método de fortalecer el organismo. La aplicación de la Helioterapia en la

América precolombina, en la época de los Antiguos Mayas, ya era muy conocida y

consiste en usar los rayos del Sol junto a extractos de plantas con fines medicinales.

También con fines curativos se emplean fuentes artificiales de radiación térmica

(lámparas incandescentes y radiadores infrarrojos)

4 Diferentes radiaciones y sus aplicaciones

4.1 Radiación infrarroja

Es la radiación electromagnética que ocupa la región espectral entre la frontera de la

luz visible (λ = 760 nm) y la radiación de ondas cortas [λ = (1... 2) mm].

El que todos los cuerpos emitan radiación infrarroja, no significa que puedan ser

empleados como fuentes de radiación infrarroja de cierto nivel de importancia pues,

“a temperaturas no elevadas, la emitancia de radiación de los cuerpos es pequeña.”

Los métodos de detección y medición de la radiación infrarroja se dividen en

térmicos y fotoeléctricos. Entre los receptores térmicos puede mencionarse al

termopar y al pirómetro en dependencia de la temperatura del cuerpo emisor. A los

receptores fotoeléctricos pertenecen las células fotoeléctricas, los transductores

optoelectrónicos de imagen (de amplia aplicación en el campo de la ciencia y el arte

militar, recuerde las filmaciones que realizan de noche sin iluminación adicional) y las

fotorresistencias. Existen otros métodos de registro de la radiación infrarroja como

son las placas y películas fotográficas con recubrimientos especiales.

En la terapia médica suele emplearse la radiación infrarroja, utilizando su acción

térmica. El efecto curativo de la radiación infrarroja se obtiene en longitudes de onda

próximas a la región visible del espectro electromagnético, para lo cual se emplean

lámparas especiales.

La radiación infrarroja penetra en el cuerpo unos 20 mm, causa por la cual se

calientan en mayor grado las capas superficiales. El efecto terapéutico se consigue

como consecuencia de la aparición de un gradiente de temperaturas entre la

superficie y los tejidos interiores que intensifica la actividad del sistema

termorregulador y con ello la intensificación del abastecimiento de sangre en el lugar

irradiado.

La detección de diferencias de temperaturas por diferencias de emisión de infrarrojo

con detectores ultrasensibles permiten descubrir la presencias de objetivos incluso

pequeños y con diferencias de temperaturas con la del ambiente de hasta de 10 C.

4.2 Radiación ultravioleta

Esta radiación electromagnética ocupa la región espectral entre la frontera violeta de

la luz visible (λ = 400 nm) y la parte de las ondas largas de la radiación x (λ = 10

nm)

El Sol es la fuente más potente de radiación ultravioleta en nuestro entorno, estando

constituido el 9% de su radiación en el límite de la atmósfera terrestre por

componentes ultravioletas.

La principal aplicación de la radiación ultravioleta está relacionada con su acción

biológica específica condicionada por los procesos fotoquímicos.

5. ¿QUÉ SON LOS CUANTOS DE LUZ?

Al final del siglo XIX estas relaciones, ley de Stefan – Boltzman y la ley de Wien

aplicadas como modelo teórico constituía uno de los principales problemas de la

Física, toda vez que la teoría existente (la llamada Física Clásica) daba resultados

catastróficos y eran incompatibles con los datos obtenidos experimentalmente

cuando se trataba de relacionar la λ MAX y la temperatura asociada a ella.

La cuestión radicaba en que se aceptaba como un hecho que la emisión y absorción

de la energía por los cuerpos era de forma continua, o sea que iban recibiendo (o

emitiendo) energía ininterrumpidamente hasta que se producían los cambios

planteados. Esto estaba avalado porque la radiación electromagnética se

comportaba como ondas, por lo que a todos los fenómenos donde se estudiara su

incidencia se aplicaba este modelo (conceptos, leyes y aparato matemático).

La solución del problema la establece Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858 - 1947)

en Diciembre del año 1900 mediante el trabajo que presenta en la Sociedad de

Física, el cual marca el nacimiento de la Física Moderna.

Max Planck Fis Físico alemán. n. en Kiel (1858 / 1947). En 1900 en un trabajo dedicado a la radiación térmica introdujo por primera vez la idea de la emisión en porciones discretas o cuantos de la energía de un oscilador elemental. Esta es la base de la Teoría cuántica de la radiación y de la Mecánica Cuántica. Recibió el Premio Nobel en 1918. Colaboró con A. Einstein a lo largo de su carrera. En 1930 Planck fue elegido presidente de la Sociedad Kaiser Guillermo para el Progreso de la Ciencia. Sus críticas abiertas al régimen nazi que había llegado al poder en Alemania en 1933 le forzaron a abandonar la Sociedad, de la que volvió a ser su presidente al término de la II Guerra Mundial.

Planck sugirió que si la radiación de la cavidad del cuerpo negro estaba en equilibrio

con los átomos de las paredes, debería existir una correspondencia entre la

distribución de la energía de la radiación y las energías de los átomos de la cavidad,

proponiendo que:

“los átomos se comportan como osciladores armónicos que emiten energía de

radiación no en forma continua, sino en porciones aisladas proporcionales a su

frecuencia ν”

Esta energía emitida en forma de cuantos como llamó Planck a estas cantidades de

energía proporcionales a la frecuencia de la radiación puede ser calculada por la

expresión siguiente:

E = hνννν, (1.5)

donde h = 6,62 10-34 J.s (es la hoy conocida como constante de Planck en su honor)

y ν es la frecuencia de la radiación (recordemos que ν = c/λ siendo, c la velocidad

de la luz) De manera que la energía que absorbe o emite un cuerpo para una

longitud de onda dada será:

λhc

E =

Aplicando las consideraciones anteriormente planteadas y conocida la forma de la

curva que la función debía dar, Planck obtuvo la expresión para la densidad de

energía de la radiación del cuerpo negro. La expresión obtenida concordaba dentro

de los límites de errores con los resultados experimentales a diferentes temperaturas

y aceptada después como la expresión correcta para la radiación del cuerpo negro,

conocida como “Ley de Radiación de Planck”.

Esta idea significó que la energía electromagnética se emitía y absorbía en porciones

denominadas cuantos y volvía a poner en la palestra la vieja discusión de si la luz se

comporta como una onda o como un flujo de partículas, discusión planteada desde el

siglo XVII donde Isaac Newton (1642 – 1727) defendía la idea del flujo de partículas

y Christian Huygens (1624 / 1695). la luz como proceso ondulatorio.

Christian Huygens Físico, matemático y astrónomo holandés (1624 / 1695). Fue el creador de la Teoría ondulatoria de la luz. Utilizó por primera vez el péndulo para regular la marcha de los relojes. Dedujo la fórmula para el período de oscilación de los péndulos simple y compuesto. Investigó acerca las secciones cónicas, la cicloide y otras curvas. A él se deben trabajos sobre probabilidades. Con un telescopio perfeccionado por él descubrió al satélite de Saturno, Titán. 6. ¿QUÉ ES EL EFECTO FOTOELÉCTRICO Y CUÁLES SON LAS LEYES QUE

LO RIGEN?

Un fenómeno que puso de manifiesto lo acertado de las nuevas ideas cuánticas es el

llamado efecto fotoeléctrico, conocido desde finales del siglo XIX, y explicado por

Einstein en 1905.

En el efecto fotoeléctrico, se agrupa un conjunto de fenómenos que aparecen

durante la interacción de la radiación luminosa con la sustancia y que consisten en la

emisión de electrones (efecto fotoeléctrico externo) o, en el cambio de la

conductibilidad eléctrica de la sustancia o la aparición de una fuerza electromotriz

inducida (efecto fotoeléctrico interno)

El efecto fotoeléctrico externo puede explicarse a partir de la figura 1.9. Cuando

sobre una placa metálica (cátodo) o de un material con determinadas características,

incide radiación electromagnética en el rango de luz ultravioleta o visible. Producto

de esta acción se desprenden electrones que logran alcanzar el ánodo, debido a la

diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo, provocando la circulación de

corriente eléctrica.

Fig. 1.9

La práctica experimental permitió establecer las siguientes regularidades para el

efecto fotoeléctrico:

• Para cada sustancia existe un límite o umbral de frecuencia mínima de la luz ν0

por debajo de la cual no se observa el efecto.

• Aún con una diferencia de potencial opuesta (el ánodo con carga negativa) se

puede observar la aparición de fotocorriente, evidenciando que los electrones son

arrancados con un valor de energía, capaz de vencer el campo eléctrico opuesto.

Este valor tiene un máximo E c (max), pues cuando el potencial retardador adquiere

un valor U0 no es posible apreciar el efecto. El valor del potencial retardador (y

por tanto de Ec (max)) no depende de la intensidad de la radiación incidente sino de

la frecuencia de la luz incidente.

• La fotocorriente puede aumentar su valor si se aplica una diferencia de potencial

aceleradora entre cátodo y ánodo (este último cargado positivo) Sin embargo, el

valor de la corriente no aumenta indefinidamente, sino que alcanza un valor de

saturación, permaneciendo constante con el aumento del potencial. El valor de la

corriente de saturación no depende de la frecuencia de la radiación sino de la

intensidad.

• La fotocorriente aparece casi instantáneamente con respecto a la incidencia de la

luz

Algunas de estas regularidades se aprecian en la figuras 1.10. Las mismas no

podían ser explicadas a partir del carácter ondulatorio de la luz, o sea, asumiéndola

como onda electromagnética.

Albert Einstein Físico alemán. n. en Ulm (1849 / 1955). Es considerado uno de los mayores científicos de todos los tiempos. Es famoso por replantearse continuamente suposiciones científicas tradicionales y sacar conclusiones sencillas a las que nadie había llegado antes. Sus tres artículos publicados en 1905 fueron trascendentales en el desarrollo de la Física del siglo XX. Estos fueron, sobre el efecto fotoeléctrico, una de las bases de la Física Cuántica (por el que recibió el Premio Nobel de 1921); la electrodinámica de los cuerpos en movimiento uno de los pilares de la Teoría de la Relatividad, y la explicación del movimiento browniano. Sentó los fundamentos teóricos del láser y la bomba atómica, aunque no participó en su construcción. Se opuso firmemente a la guerra siendo partidario de la paz durante toda su vida.

Einstein considerando la hipótesis de Planck propuso considerar la luz como un haz

de partículas, llamadas fotones, cada cual de energía hν. Supuso además que si la

luz era emitida en forma de cuantos de estos valores de energía debido a la simetría

de la naturaleza, debía ser absorbida así. A partir de esta suposición planteó la

siguiente ecuación para explicar este efecto.

hν = A0 + Ec(max) (1.6)

Siendo A0 el trabajo de extracción del material, es decir, la energía necesaria para

extraer un electrón del material y es una característica del mismo.

De modo que la energía del fotón incidente (hν) es absorbida por el material y se

emplea en arrancar el electrón (A0) y el resto queda como energía cinética del

Figura 1.10

electrón (Ec(max)) Esta expresión permite explicar las regularidades del efecto

fotoeléctrico. Analicemos a continuación esta explicación:

• Si la energía del fotón es menor que A0 no ocurre el fenómeno. Así, la frecuencia

umbral está dada por la relación hνννν0 = A0

• La energía del electrón extraído es Ec(max) = hνννν – hνννν0 dependiendo de la

frecuencia.

• El proceso de absorción de un fotón por el electrón puede ser considerado que

ocurre instantáneamente.

De las ideas anteriores se concluye que la luz posee un comportamiento dual: hay

fenómenos en que se comporta como onda y otros como partícula. Esto no debe

verse como contradictorio, sino como lo que es, una propiedad de la naturaleza. En

algunos fenómenos (interferencia, difracción, polarización) se manifiesta como onda

y en otros como el efecto fotoeléctrico se comporta como partícula. Explicaciones

más profundas de este comportamiento de la luz se sale del alcance de este curso.

En la explicación anterior está presente la idea de la cuantificación, o sea, del

carácter discreto de algunas magnitudes físicas. Este es uno de los fundamentos de

la llamada Física Moderna. Anteriormente habías estudiado que la carga eléctrica

está cuantificada, siendo e, la carga del electrón, el cuanto de carga. Cualquier otro

valor de carga eléctrica es un número entero de veces ese valor. En la absorción y

emisión de la luz considerada como un flujo de fotones, se observa la cuantificación

de la energía, pues esta solamente puede ser absorbida, y emitida, en paquetes hνννν,

y no en cualquier valor. En el estudio del átomo que harás posteriormente, esta idea

resulta esencial. La luz entonces no puede tener cualquier valor de energía en los

límites de su frecuencia, ella siempre tiene un valor que va a ser múltiplo de la

constante de Planck.

Veamos un ejemplo de cómo esta expersión se utiliza para el cálculo del efecto

fotoeléctrico.

Ejemplo:

La longitud de onda del límite rojo del efecto fotoeléctrico para el Tungsteno es

de 275 nm. Determinar el trabajo para extraer a los electrones desde el Tungsteno y

la rapidez máxima de los electrones arrancados por una radiación de longitud de

onda 180 nm.

Solución .

El término límite rojo del espectro no significa en modo alguno que el efecto

fotoeléctrico va a estar definido necesariamente en la región correspondiente al color

rojo, sino corresponde a un valor de la longitud de onda límite a partir del cual el

fenómeno no se manifiesta. En el espectro de frecuencias es también conocido como

frecuencia umbral, frecuencia a partir de a cual comienza a manifestarse el efecto

fotoeléctrico para el sistema radiación – sustancia.

De la ecuación de Einstein:

hν = A0 + Ec(max)

el límite rojo corresponde al caso concreto en que el valor energético de la radiación

sólo puede arrancar los electrones externos, pero no comunica energía cinética a los

mismos, en consecuencia:

hνννν = A0

por lo cual

A0 = λhc

Donde c es la velocidad de la luz en el vacío, sustituyendo los datos del problema:

A0 = m

smsJ7

834

10.75,2

/10.3..10.625,6−

−

A0 = 7,2 .10-19 J = 4,5 eV

Nuevamente, de acuerdo con la ecuación de Einstein

hνννν = A0 + 2

2maxmV

donde m es la masa del fotoelectrón, despejando, se obtiene una expresión para el

cálculo de la rapidez que alcanzan los electrones al incidir la otra radiación, su valor

es numéricamente igual al módulo de la velocidad de traslación

λλ

m

AhcV o )(2

max

−= =

smmkg

mJsmJsV /10.1,9

10.8,1.10.1,9

)10.8,1.10.2,7/10.3..10.625,6(2 5731

719834

max =−= −−

−−−

Si bien el efecto fotoeléctrico fue observado por vez primera para los metales hoy se

observa en otros materiales. Tanto el interno como el externo en estos momentos

tienen amplias aplicaciones en la ciencia, la tecnología y la vida del ciudadano

común.

7. APLICACIONES DEL EFECTO FOTOELÉCTRICO.

El valor de un descubrimiento no es solo que contribuya a desentrañar los misterios

del mundo que nos rodea y que confirme una teoría, sino que además sirva para

lograr aplicaciones en la técnica, que se reviertan en la sociedad. Este es el caso del

efecto fotoeléctrico.

INDUSTRIA

El fotoelemento es un dispositivo que controla a través de la energía de la luz que

recibe, la corriente eléctrica o se transforma en ella.

FIGURA 3.12 pag. 63 libro de texto de 12mo. Primera parte Año 1991

Fig. 1.11

Aquí la fina capa de metal (cuyo trabajo de extracción es pequeño) sobre la que

incide la luz, la cual arranca los electrones es el cátodo, y el anillo metálico es el

ánodo a donde llegan los electrones arrancados, ver fig 1.11.

A través de este dispositivo se controla por ejemplo el encendido automático del

alumbrado público. Este está conectado a un circuito mediante un fotoelemento y un

relé electromagnético, los cuales cuando oscurece se interrumpe la circulación de

corriente por el fotoelemento (la luz diurna es la que lo hace funcionar) y el relé

conecta el encendido de las lámparas. Cuando amanece ocurre el proceso inverso.

Fíjese que a veces se nubla muy fuerte en pleno día, reduciendo la incidencia de la

luz solar, el alumbrado público en esa área se enciende y después, cuando las

nubes se disipan, se apaga.

También se utilizan los fotoelementos como medidas de seguridad en el

funcionamiento de potentes prensas o guillotinas.

Los fotoelementos se ubican en el tramo de peligro para el operario. Al introducirse

una mano en esa zona, esta interrumpe la incidencia de luz sobre el fotoelementos y

cesa la corriente que emitía, lo que hace que el relé active el sistema de apagado

automático del equipo. Es el mismo principio de las puertas que se abren sin ud

tocarlas, solo con estar casi frente a ellas. Ud. al pasar interrumpe el rayo de luz

sobre el fotoelemento y se vuelve a repetir el sistema, accionando el circuito que

abre la puerta.

Las alarmas funcionan por el mismo sistema, son rayos de luces que inciden sobre

fotoelementos y que al pasar una persona por el lo interrumpe y el sistema pone en

acción el dispositivo de alarma que suena, ya sea en el propio local, o en los locales

donde están las fuerzas de seguridad del inmueble o de la policía.

Hoy en día los fotoelementos son semiconductores y son capaces de reaccionar

incluso con rayos infrarrojos, alarmas contra incendios.

CINE.

A través del uso de fotoelementos se pudo hacer que el cine pasara de mudo a

sonoro. Si se observa la figura 1.12 se verá como se transforma la fotografía del

sonido en el propio sonido.

FIGURA 3.13 pag. 64 libro de texto de 12mo. Primera parte Año 1991

Fig. 1.12

Cuál será la relación entre la masa y la cantidad de movimiento del fotón y su

frecuencia.

La necesidad de explicar una serie de datos experimentales hizo necesario introducir

la noción sobre la emisión de radiaciones electromagnéticas en porciones hν,

naturaleza cuántica que se confirma con la existencia del límite de onda corta del

espectro de frenado de los rayos x. La radiación electromagnética entonces,

comenzó a considerarse no como una onda electromagnética continua, sino como un

flujo de porciones del campo electromagnético llamada cuantos que recibieron el

nombre particular de fotones a partir del año 1926.

La energía del fotón se define por su frecuencia.

E= hν (1.7)

Si la radiación electromagnética posee cantidad de movimiento, el fotón también

debe poseerlo, la existencia de la cantidad de movimiento de los fotones se confirma

por la presión de la luz, medida por el físico ruso P.N. Lebedev.

Piotr N. Lebedev Fis Físico ruso (1866 / 1912). Fue el primero en medir la presión de la luz en sólidos y gases. Estos trabajos confirmaron la Teoría Electromagnética de Maxwell. Obtuvo ondas electromagnéticas de longitud de onda milimétrica y estudió sus propiedades. Creó en Rusia la primera escuela de físicos.

Einstein planteó que la masa del fotón puede ser determinada de la relación:

E= mf c2 (1.8)

De forma tal que:

mf = 2c

E

El carácter material del fotón se manifiesta, en particular, por el hecho de que la

fuerza de gravedad influye sobre el, al igual que sobre otras partículas. El rayo

luminoso que pasa cerca de los cuerpos de gran masa se desvía por el campo

gravitatorio. La expresión de la cantidad de movimiento del fotón también fue

planteada por Einstein y se determina por la expresión:

pf = mf c = c

hν

Obsérvese que estamos asociando al fotón cantidades físicas propias de la

descripción del estado de una partícula o corpúsculo.

8. Tareas de sistematización y consolidación.

T1 - Confecciona un listado de los conceptos e ideas esenciales estudiados en este

capítulo.

T2- Diga en qué consiste la radiación térmica.

T3- Explique en que consiste el equilibrio térmico entre la sustancia y la radiación.

T4- ¿Qué es un cuerpo Negro?

T5- Ponga ejemplo de cuerpos que se pueden considerar como cuerpos negros.

T6- Ponga ejemplos de cómo las cualidades de la emisión y absorción de la

radiación se aplican en la técnica.

T7- ¿Por qué las pupilas de los ojos se ven negras?

T8- Explique según los conocimientos de este capítulo el efecto invernadero y el

calentamiento global del planeta.

T9- Si la composición de las capas superiores de la atmósfera cambiase de forma tal

que dejara escapar una mayor cantidad de radiación terrestre ¿Qué efecto tendría

esto en el clima de la Tierra?

T10- ¿Qué plantean las leyes de Stefan – Biltzmann y la de Wien?

T11- Debido a la radiación terrestre, la Tierra pierde, por termino medio, 91 J por

segundo en cada metro cuadrado de su superficie. Considerando a la Tierra como un

cuerpo negro, determinar la temperatura media T de su superficie y la longitud de

onda máxima a la cual corresponde el máximo de energía en el espectro de su

radiación. R/ T = 200 K , λ max ≅ 1,46 .10-5m

T12- Determinar la longitud de onda, a la cual corresponde el máximo de energía en

el espectro de una estrella, cuya temperatura es de 30 000 K ¿Cuál será la radiación

integral (intensidad de radiación) de semejante estrella.

T13- Para cálculos aproximados, el Sol puede considerarse como cuerpo Negro que

emite radiación con intensidad máxima en 1,5 µm. Sobre esta base, estimar la

temperatura de la superficie del Sol.

T14.- Ponga ejemplos de uso de las diferentes tipos de radiaciones para beneficio

del hombre.

T15- ¿En qué consistió lo nuevo planteado por Planck en su teoría?

T16- La adopción del modelo fotónico de la luz ¿significó renunciar al modelo

ondulatorio- electromagnético? Explique

T17- Explique en que consiste el efecto fotoeléctrico externo.

T18- Plantee cuales fueron las ideas de Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico.

T19- La temperatura de caldeo de una bombilla incandescente se aproxima a

2000º C. Determinar la longitud de onda a la cual pertenece el máximo de energía en

el espectro de su radiación. ¿En qué parte del espectro yace esta?

T20.- Indaga cuales son las aplicaciones que tiene hoy en día el efecto fotoeléctrico

y exponlas.

T21- El trabajo de salida para los electrones del oro es igual a 4,59 eV. Hallar el

límite rojo del efecto fotoeléctrico para esta sustancia.

T22- Calcule la energía cinética máxima de los electrones que se arrancan del

potasio, al iluminarlo con rayos cuya longitud de onda es de 345 nm. El trabajo de

salida para los electrones del potasio es de 2,26 eV.

UNIDAD 2

FISICA DEL ATOMO.

INTRODUCCION. De los cursos de Física y Química de Secundaria Básica y de Química de los

semestres anteriores, los estudiantes conocen sobre el modelo nuclear del átomo y

de la composición del núcleo.

Las ideas que ya poseen los alumnos acerca del átomo pueden resumirse en:

� El átomo posee un núcleo que ocupa una pequeña parte de su volumen y se

encuentra en su centro y una envoltura electrónica.

� En el núcleo radica la carga positiva del núcleo y prácticamente toda su masa.

� Los electrones se encuentran en la envoltura del átomo, alrededor del núcleo

atómico.

� La distribución electrónica de los átomos determina sus propiedades químicas.

� Al perder algunos electrones más externos los átomos se convierten en cationes.

� Al capturar algunos electrones en sus capas más externas los átomos se

convierten en aniones.

� La periodicidad de la distribución electrónica determina la periodicidad de las

propiedades de los átomos.

� La tabla periódica de los elementos químicos refleja la periodicidad de sus

propiedades.

� Los átomos se unen mediante enlaces químicos para formar moléculas.

� En los enlaces químicos de los átomos intervienen los electrones más externos.

Es importante a pesar de estos contenidos tener una visión de los acontecimientos

ocurridos. Y vamos a utilizar un método que es seguir su orden histórico, pues así se

puede apreciar mejor en este caso, como los hechos experimentales condicionaron

los modelos, después se construyó la teoría y esta se corroboró en la práctica

(Averiguar como se relaciona lo anterior con las ideas de Lenin sobre la formación

del conocimiento).

1. MODELOS ATOMICOS

La Historia sobre el estudio del modelo se puede remontar al griego Demócrito (460

ane – 360 ane) del cual proviene la palabra átomo que significa indivisible, este

concebía que todas las sustancias están compuestas por esos pequeños “ladrillos”.

Democrito Fis Filósofo griego. n. en Abdera (460 / 465). En la historia del pensamiento de Grecia se considera el materialista más consistente. Fue el fundador de la Teoría atomística, según la cual todo lo que existe: los cuerpos e incluso el alma están constituidos por átomos entre los cuales sólo hay diferencias cuantitativas.

Hubo que esperar a finales del siglo XIX (1890 – 1900) cuando J. J. Thomson,

planteó un nuevo modelo del átomo donde se le concebía ya no indivisible sino

formado internamente por partículas cargadas.

Joseph J. Thomson J.J. Thomson (1856 – 1940) Fis Físico inglés. n.Manchester. Se especializó en el estudio de las propiedades eléctricas de la sustancia, descubriendo el electrón en 1897. Determinó la carga eléctrica, la masa y la velocidad del electrón y el protón .Fue el creador del espectrógrafo de masas de gran utilidad para el trabajo con los isótopos. Trabajó también en la conducción eléctrica en gases y en las propiedades de los rayos positivos. Obtuvo el Premio Nobel en 1906.

Este modelo trataba de explicar el átomo a la luz de los conocimientos de la época.

Su estructura era:

- debía estar compuesto por partículas cargadas negativamente (-) (que el llamó

electrones) y la misma cantidad de partículas cargadas (+), ya que es

eléctricamente neutro.

- como los electrones son miles de veces mas ligeros que los átomos las

partículas cargadas (+) deben ser los que posean casi toda la masa del

átomo.

Se suponía que el átomo era una esfera uniformemente cargada (+) dentro de los

cuales los electrones estaban empotrados. A esto se le llamó el pudín con pasas.

FIGURA 4.1 pag. 72 libro de texto de 12mo primera parte. Año 1991.

Fig. 2.1

Aunque el modelo era incorrecto, su importancia radica en que se hablaba por

primera vez del mecanismo interior del átomo, ya que en esa época hablar de ello

era casi sacrilegio, pues la propia palabra significa átomo significa indivisible en

griego.

En 1911 bajo la dirección del físico inglés Ernest Rutherford (1871 – 1937) los físicos

alemanes H. Geiger (1882 – 1945) y E. Marsden (1889 - ) realizaron un experimento

(ver figura 2.2) para corroborar el modelo de Thomson y los resultados obtenidos no

concordaron con este.

FIGURA 4.2 pag. 72 libro de texto de 12mo primera parte. Año 1991.

Fig. 2.2

Ernest Rutherford Fis Físico inglés. n. en Nelson, Nueva Zelanda (1871 / 1937). En su juventud hizo un detector radiomagnético que más tarde utilizó Marconi. Fue el primero en investigar la composición de las sustancias radiactivas. Descubrió el núcleo del átomo y por primera vez efectuó la transmutación artificial de los elementos. Fueron discípulos suyos: J.Chadwick, N.Bohr, P.Kapitza (todos galardonados con el Premio Nobel por distintos aportes a la ciencia) y otros. Recibió el Premio Nobel en 1908. El billete de 100 pesos de Nueva Zelanda lleva su foto en honor a él. Hans Geiger Fis Físico alemán. n. en Neustadt (1882 / 1945). Trabajó en el laboratorio dirigido por Ernest Rutherford en la Universidad de Manchester, contribuyendo con sus observaciones a la elaboración del modelo nuclear del átomo. Se dedicó al estudio de la radiactividad e ideó el contador que lleva su nombre y que ha tenido gran importancia en los estudios nucleares.

Los resultados a esperar según el modelo eran que el haz de partículas α al incidir

sobre la lámina de oro debían atravesar la lámina, y las demás una ligera desviación,

al estar la carga (+) distribuida uniformemente en el átomo.

Analizando la Fig. 2.3 vemos que los resultados fueron que la mayoría la

atravesaban sin desviarse, un grupo se desviaba ligeramente (se dispersaban) y un

grupo pequeño era dispersado con un ángulo mayor de 90° , o sea rebotaban en la

lámina. Incluso algunas el ángulo fue de casi 180° .

Esto último sorprendió tanto a Rutherford que exclamó que era equivalente a que

una bala de cañón de 38 cm. de diámetro, disparada contra una hoja de papel,

rebotara en ella y regresara hacia el tirador.

FIGURA 4.3 pag. 74 libro de texto de 12mo primera parte. Año 1991.

Fig. 2.3

Con estas evidencias Rutherford elaboró un nuevo modelo del átomo que explicara

lo anterior y la dispersión de las partículas encontradas (ver figura 2.4). Al hacerlo

rompió con el esquema de Thomson completamente, formuló por primera vez el

concepto de núcleo atómico y confirmó su hipótesis al calcular su radio a partir de los

datos experimentales obtenidos. Lo cual dio un valor de 10 – 12 a 10 – 13 cm.

Las consideraciones para el nuevo modelo fueron:

- El átomo está constituido por un núcleo atómico cargado (+), alrededor del cual

se mueven los electrones de forma semejante a como lo hacen los planetas

alrededor del Sol.

- La fuerza de Coulomb entre el núcleo (carga +) y los electrones (carga -) es la

responsable de estas giren alrededor de núcleo.

- La carga positiva del núcleo es numéricamente igual a la de todos los electrones

que giran a su alrededor, pues el átomo es eléctricamente neutro.

FIGURA 4.4 pag. 74 libro de texto de 12mo primera parte. Año 1991.

Fig. 2.4

Por esa analogía con el Sistema Solar se le llamó modelo planetario del átomo.

Esta representación tenía una dificultad y es que según las leyes de la Física

Clásica (específicamente el electromagnetismo) ese electrón al girar, lo hace con

movimiento acelerado, debe irradiar energía en forma de ondas electromagnéticas y

por tanto perder energía y precipitarse en el núcleo. O sea, el átomo se destruiría

en 10 - 8 segundos. Pero estos son estables y pueden existir mucho tiempo sin

emitir radiaciones.

En 1913 el físico danés Niels Bohr (1885 – 1962) formuló una solución para esta

dificultad, lo que se conoció como el átomo de Bohr.

Niels Bohr Fis Físico danés. n. en Copenhague (1885 / 1962). Desarrolló un modelo del átomo semiclásico, donde introduce la cuantificación de las magnitudes físicas, por lo que recibió el premio Nobel de Física en 1922. Colaboró en el proyecto de la bomba atómica de EU junto a Lawrence, Fermi, Anderson y otros, bajo la dirección de R. Oppenheimer. Trabajó en la Física Nuclear desarrollando el modelo de la gota, y prediciendo las propiedades del elemento 72 (hafnio).

La solución es:

- Un sistema atómico sólo puede encontrarse en determinados estados en los que

no emite energía.

- Estos estados se llaman estacionarios y a cada uno de ellos le corresponde una

energía E bien determinada.

- Cuando un átomo pasa de un estado estacionario a otro emite o absorbe un

cuanto de energía (fig. 2.5) cuyo valor es: hνννν = E i - E f . Donde h es la

constante de Planck, ν la frecuencia del fotón emitido o absorbido y la E i y Ef

las energías de los estados inicial y final del átomo respectivamente.

hνννν = E i - E f (2.1)

FIGURA 4.6 pag. 76 libro de texto de 12mo grado primera parte. Año 1991.

Fig. 2.5

- Solo son permitidas aquellas órbitas en que el producto del módulo de la

cantidad de movimiento del electrón por el radio de su órbita sea un múltiplo

entero de h (la constante que Planck había introducido al plantear la

cuantificación de la energía en los procesos de emisión y absorción en 1900). O

sea 2πm v r = n h, aquí n es un número entero positivo que toma cualquier

valor, n = 1, 2, 3, 4, …….

2πm v r = n h (2.2)

Bohr aplicó estos postulados al átomo de Hidrógeno y obtuvo que el radio de la

menor órbita posible es r 1 = 5,28 x 10 – 11 m, el cual concordaba con las

mediciones experimentales realizadas. También obtuvo un valor para la energía

de ese estado igual a E 1 = - 13,6 eV = - 2,18 x 10 – 18 J. A este estado se le

llamó estado básico del átomo . El resto de los estados energéticos, o sea para n

= 2, 3, …. corresponden al átomo excitado.

De acuerdo con las expresiones se llega a que la energía de cualquier estado se

puede hallar a través de

E n = E 1 / n 2 = - 13,6 eV / n 2 (2.3)

Einstein caracterizando la situación que había en la física del átomo en esa época

escribía: “Siempre me pareció un milagro que esta base vacilante y llena de

contradicciones fue suficiente para permitir a Bohr – un hombre con una intuición

genial y fina – hallar las leyes principales de las rayas espectrales y de las capas

electrónicas de los átomos, incluyendo su valor para la Química. Hasta ahora ello

me parece un milagro. Esto es la más alta musicalidad en el dominio del

pensamiento”. Era un gran elogio para Bohr.

El mérito de Bohr estuvo en elegir de modo arbitrario las leyes de la Física Clásica

que necesitaba para resolver la tarea planteada, adjuntándole después sin ninguna

clase de demostración, algunas hipótesis teniendo en cuenta las ideas expresadas

por Planck en su teoría.

Y la resolvió pues logró explicar:

a) la estabilidad del átomo.

b) la emisión y absorción de energía por el sistema atómico.

c) el último permite calcular las dimensiones del átomo para un estado

energético dado.

2. ESPECTROS ATOMICOS

En 1885 el profesor sueco J.J. Balmer (1825 – 1898) presentó sus

consideraciones sobre el estudio del espectro del Hidrógeno, llegando por primera

vez a una expresión matemática que permitía calcular la λλλλ (longitud de onda) de

las rayas observadas. Estas las publicó en el artículo

“Notas relativas a las líneas espectrales del Hidrógeno.

A principios del siglo XX otros dos científicos Lyman (Físico norteamericano 1874 –

1954) y Paschen estudiando el espectro del Hidrógeno obtienen otras series de

rayas espectrales con valores diferentes al de Balmer.

El científico sueco J. Rydberg (1858 – 1919) encuentra una relación empírica para

determinar las longitudes de onda de las líneas de las series espectrales

complejas.

−=22

1

2

11

nR

λ (2.4)

Una de los mayores éxitos de los postulados de Bohr fue que se obtuvo la

expresión empírica de J. Rydberg para el cálculo de λλλλ como una consecuencia de

estos (en específico el segundo, ver ecuaciones 2.1 y 2.3). Lo anterior significó

poder dar una explicación única a las tres series de rayas espectrales como

transiciones, dentro de un mismo átomo (el Hidrógeno), de diferentes niveles de

energía (E n) al nivel básico (E 1) (fig 2.6 a), así como entre los distintos niveles (fig

2.6 b y c).

FIGURA 4.10 pag. 84 libro de texto de 12mo grado primera parte. Año 1991.

Fig. 2.6

Las limitaciones del modelo estaban en que solo explicaba satisfactoriamente el

átomo de Hidrógeno y no los demás. Esta dificultad se rebasa a partir de 1925

cuando aparece la mecánica cuántica, donde estos postulados surgen como

consecuencia de la aplicación de sus leyes y principios. Su estudio rebasa los

límites de este nivel. Debemos decir que hoy en día esta parte de la Física permite

explicar la estructura y propiedades de los átomos y moléculas.

2.1 TIPOS DE ESPECTROS .

Ud. sabe que cuando se hace pasar la luz a través de un prisma aparece una

gama de colores que llamamos espectro. Se conocen tres tipos de espectros,

continuos, de bandas y de rayas.

2.1.1 ESPECTROS CONTINUOS.

Aquel en el que está presente todas las longitudes de onda (ej. La luz procedente

del Sol, la del arco eléctrico, etc.). Es característico de los cuerpos sólidos y

líquidos en estado incandescente.

2.1.2 ESPECTRO DE BANDAS.

Está formado por franjas coloreadas separadas por franjas oscuras. Cuando se

analizan las bandas coloreadas con equipos sensibles se observa que están

compuestas por muchas rayas cercanas unas de otras. Estos espectros son

producidos por las moléculas y no por los átomos individuales algo que interesa a

los químicos aún más que a los físicos.

2.1.3 ESPECTROS DE RAYAS O LINEAS.

Está formado por un conjunto de rayas brillantes en un fondo negro. Este tipo de

espectro es característico de los vapores que surgen producto de calentar una

sustancia en una fuente de calor (mechero, etc.), también se producen cuando la

luz emitida es producto de hacer pasar una corriente eléctrica a través de un gas.

Este tipo de espectro solo se observa por sustancias en estado gaseoso atómico,

no molecular, sino por átomos aislados que no interaccionan entre sí.

Al interactuar la radiación electromagnética (luz) con los átomos, se dan dos

procesos: la absorción y la emisión de la radiación. Ambos procesos se dan

simultáneamente. Uno lleva al aumento de su energía interna (la absorción) y el

otro a la pérdida de energía por los átomos (emisión).

Atendiendo a la teoría cuántica las ondas electromagnéticas pueden ser

consideradas como un flujo de fotones.

Mientras que el proceso de absorción depende de las características propias de los

átomos y de la intensidad de la radiación, el proceso de emisión; el regreso

espontáneo del átomo del estado más energético al de menor energía depende

solo de las características de los átomos.

De aquí se infiere que cada átomo emite su espectro característico. Esta

conclusión se extrae también del modelo de Bohr (analice la figura 2.6)

Ejemplo:

1.- Un átomo de Hidrógeno emite un fotón al pasar del nivel n = 3 al estado básico.

Calcule la energía del fotón emitido.

SOLUCION:

Para su solución nos auxiliamos de las ecuaciones 2.3 y 2.1

(2.3) E n = E 1 / n 2 = - 13,6 eV / n 2 (n es el nivel desde el cual se produce la

transición, sea debido a la absorción o la emisión).

Para nuestro ejemplo n = 3

E 3 = - 13,6 eV / n 2 = - 13,6 eV / 3 2 = - 13,6 eV / 9 = - 1,51 eV

E 3 = - 1,51 eV Esta es la energía del nivel 3.

Para hallar la energía del fotón basta utilizar la ecuación 2.1

(2.1) hνννν = E i - E f Aquí E i es E 3 y la E f es E 1 que es el estado

básico y tiene un valor de - 13,6 eV.

hν = - 1,51 eV – (-13,6 eV) = 13,6 eV - 1,51 eV = 12,1 eV.

La energía del fotón emitido es 12,1 eV.

2.- ¿Qué energía hay que suministrar a un átomo de Hidrógeno para ionizarlo

desde su estado básico?

SOLUCION:

La energía del estado básico es E 1 = - 13,6 eV.

Ionizar un átomo significa que el electrón pueda escapar de la atracción del

núcleo. Esto se puede representar con el siguiente esquema:

Figura 2.7

Como se muestra en la figura 2.7 El proceso de ionización es llevar al electrón

del nivel básico E 1 hasta el nivel E α. Si ahora aplicamos la ecuación 2.1 será

hν = E i – E f = E 1 – E α = - 13,6 eV - ( 0 ) = - 13,6 eV

La energía de ionización para el átomo de Hidrógeno es de 13,6 eV . Esta es la

mínima energía para lograrlo.

De la figura 2.7 se puede observar que si el átomo de hidrógeno estuviese

excitado en el nivel n = 3 , la energía para su ionización sería la diferencia entre

ese estado el nivel n = α , o sea una E = - 1,51 eV.

¿Qué características tendrán los espectros de otros átomos (de mayor número

atómico Z)?

A partir de las ideas de la existencia de los estados estacionarios de Bohr estos

espectros deberán tener un carácter discreto.

En particular pudieran arrojar datos interesantes los espectros de los átomos de

los metales alcalinos (grupo IA Tabla Periódica) por tener, al igual que el del

Hidrógeno, un electrón en su último nivel.

n = 1

n = 2

n = 3

n = αααα

E (eV)

- 13,6

- 1,51

0

Los espectros de emisión de los átomos de los metales alcalinos, de forma similar

al átomo de Hidrógeno, están formados por varias series de líneas. Entre las más

intensas se encuentra la llamada principal, que corresponde a la transición del

átomo al estado fundamental.

La semejanza de algunas series de los espectros de los metales alcalinos con la

serie de Balmer hace suponer que los espectros de estos metales son emitidos

cuando el electrón más exterior (de valencia) pasa de una órbita a otra.

3. APLICACIONES DEL ANALISIS ESPECTRAL .

El análisis espectral se conoce desde 1859 cuando el físico alemán Gustav

Kirchhoff (1824 – 1887) y el químico alemán Bunsen (1811 – 1899) inventan el

espectroscopio y descubren el análisis espectral como técnica para poner de

manifiesto la presencia de diferentes sustancias en los materiales estudiados.

Gustav Kirchhoff Fis Físico alemán.n.en Konigsberg (1824 / 1887). Conjuntanmente con Bunsen inventó el espectroscopio, descubriendo mediante el análisis espectral el rubidio y el cesio, explicando teóricamente las rayas de Fraunhofer. En el campo de las radiaciones luminosas y térmicas descubrió la ley homónima. Además, en el campo del Electromagnetismo planteó las leyes que llevan su nombre.

De la aplicación de estas ideas sobre los espectros atómicos, combinándolo con

la técnica del análisis espectral ya conocida, se obtuvo y comprobó que los

átomos de un elemento químico emite un espectro que es único, lo cual sirve

para identificarlo, al igual que las huellas dactilares en los humanos.

Hoy en día se conocen los espectros de todos los átomos y se han confeccionado

tablas con ellos.

De aquí surgen diferentes métodos que permiten identificar los elementos

químicos que se encuentran en cualquier muestra aunque su masa no supere los

10 – 10 g. Esto sirvió para descubrir nuevos elementos como el rubidio y el cesio,

no conocidos hasta ese momento.

3.1 ESPECTRO DE ABSORCION.

Uno de estos métodos recibe el nombre de espectro de absorción (figura 2.8).

Este consiste en hacer pasar luz blanca a través de un gas, donde los átomos de

éste absorberán los fotones que puedan provocar que los electrones ubicados en

las diferentes capas pasen a un nivel superior (excitación) o escapar de la

atracción del núcleo atómico (ionización). Si la luz que emerge del gas se pasa

por un espectroscopio esta mostrará la ausencia de aquellas radiaciones que han

sido absorbidas por dicho gas. Es decir sobre un espectro continuo de la luz

blanca se observan líneas oscuras correspondientes a las longitudes de onda

absorbidas por el gas. Midiendo estas líneas se puede saber que elementos

existen en el gas.

Figura 2.8 Espectrómetro de absorción

3.2 ASTRONOMIA.

La distancia a la que puede situarse un espectroscopio de la fuente de luz es

ilimitada. Esto hace que el estudio espectroscópico de la radiación

electromagnética (en toda la gama de su espectro) sea fundamental en la

Astronomía, ya que es la única información que recibimos del cosmos.

A partir de hacer pasar la radiación electromagnética del astro a través de un

espectrógrafo (acoplado al telescopio) y de su análisis, se ha podido conocer la

composición química de estos. Mediante este método, a finales del siglo XIX se

descubre en el Sol un elemento que no se había obtenido en la Tierra y se le

denominó Helio. Este elemento químico fue descubierto posteriormente en la

atmósfera terrestre y en las emanaciones radioactivas de la sustancia. A partir de

estos datos se ha podido llegar a que las estrellas y demás objetos del cosmos

están compuestos de los mismos elementos químicos que existen en la Tierra.

Este estudio permitió conocer también el movimiento de los objetos cósmicos con

respecto a la Tierra (si se alejan o se acercan) conocido como el efecto Doppler.

Otras aplicaciones son en la exploración de nuestro planeta, meteorología,

mapas de temperatura, identificación de zonas de lluvia y tormentas, monitoreo

de las aguas, la atmósfera, estudio de materiales, estudio del genoma, en las

investigaciones criminalísticas, entre otras.

3.3 LUZ FRIA.

Sabemos como consecuencia del estudio anterior de los espectros que para

provocar la emisión de radiación por los átomos es necesario provocar primero la

excitación o ionización de estos. El choque con un electrón, con otro átomo o con

una molécula, lo mismo que la absorción de un fotón, son procedimientos de

transmisión de energía que pueden ocasionar tanto la excitación como la

ionización de un átomo (si la cantidad de energía suministrada es suficiente para

vencer las ligaduras del electrón con el átomo).

Los procesos de recombinación de los iones con los electrones o la desexcitación

de los átomos conllevan a la emisión de fotones por parte de ellos.

Una de las maneras de provocar los choques entre los átomos y electrones

con energía suficiente para provocar la ionización o excitación de los

primeros, es la aceleración de los últimos por un campo eléctrico,

provocando una corriente eléctrica en el gas. Este fenómeno se denomina

descarga luminiscente, y en él se basa el funcionamiento de las lámparas

de “luz fría”.

Como consecuencia del campo eléctrico aplicado en un volumen donde existe un

gas a baja presión, se aceleran los electrones que pueden aparecer por

diferentes efectos, ver figura 2.9. Después que el electrón alcanza la energía

cinética suficiente su choque con un átomo puede producir la ionización de este

En la zona cercana al cátodo del tubo de descarga se forma un espacio oscuro

denominado espacio oscuro catódico y a partir de éste hasta el propio ánodo se

observará una región luminosa denominada columna positiva. Al moverse bajo la

acción del campo eléctrico en el espacio oscuro catódico los electrones adquieren

la energía suficiente para ionizar los átomos al llegar a la zona de la columna

luminiscente.

En la columna positiva se produce una intensa ionización de los átomos. Algunos

iones se dirigen al ánodo y otros se recombinan.

Al ser capturados los electrones por los iones positivos en el gas se produce la

recombinación. Durante este proceso los átomos ceden igual cantidad de energía

a la que absorbieron durante el proceso de ionización mediante la emisión de luz.

Esta es característica del gas encerrado en el tubo de descarga.

Figura 2.9 3.4 FLUORESCENCIA DE RAYOS X.

_ +

Espacio oscuro catódico Columna positiva

ánodo cátodo

En los átomos multielectrónicos bajo la acción de una radiación de muy corta

longitud de onda algunos de los electrones de las capas más internas pueden ser

arrancados. Si es arrancado uno de los electrones de la capa K, (figura 2.10) el

lugar que queda libre puede ser ocupado por un electrón de cualquier capa

exterior (L, M, N, O, etc.) para lo cual emite una radiación de energía igual a la

diferencia de energía entre los niveles energéticos correspondientes. El lugar

liberado por el electrón que pasó al nivel más bajo es ocupado por otros

electrones más externos que a su vez emiten las rayas espectrales

características. Estas últimas corresponden a la región de los rayos X del

espectro electromagnético.

Figura 2.10

Este fenómeno se denomina fluorescencia de rayos X.

Los elementos químicos y sus isótopos pueden identificarse mediante

espectroscopia de rayos X, que determina las longitudes de onda de sus

espectros de líneas característicos. Varios elementos fueron descubiertos

mediante el análisis de espectros de rayos X.

La espectroscopia de fluorescencia de rayos X resulta adecuada para el análisis

cualitativo y cuantitativo de elementos metálicos; estos elementos emiten rayos X

a energías características al ser bombardeados por una fuente de alta energía de

rayos X.

3.5 LASER

Una de las aplicaciones con mayor uso en estos momentos (producto de la

cuantificación de la energía en el átomo) es el denominados LASER, el toma su

K

L

M N

Serie K

Serie L

Serie M

Kα

Kβ

Kγ

Lα

Lβ Mα

Excitación serie K

Excitación serie L

nombre de las siglas del nombre en inglés Light Amplification by Stimulated

Emisión of Radiation (reforzamiento de la luz con ayuda de la radiación inducida).

Ya desde 1917 Einstein predijo teóricamente la posibilidad de provocar la

denominada radiación inducida (estimulada) de luz por los átomos.

Esto consiste en la emisión de luz por los átomos excitados por acción de la luz.

Esta radiación posee la particularidad que durante la emisión inducida, las ondas

luminosas radiadas no se diferencian de las ondas inducidas sobre el átomo ni

por la frecuencia, ni por la fase, ni por el plano de polarización.

Dicho en el lenguaje de la teoría cuántica, las radiaciones estimuladas son el

paso no espontáneo de un átomo de un estado energético superior a una inferior

bajo la influencia de acciones externas.

En el año 1939 fue obtenida experimentalmente por V. A. Fabricant. Esta ha sido

comprobada en los equipos láser de amplia utilización en la actualidad.

En 1959 los científicos N.G. Basov y A.M. Projorov (ex URSS) y el

norteamericano C.H. Towns obtuvieron el Premio Nobel de Física por la

elaboración del nuevo principio.

Primero, los electrones de los átomos del láser son “bombeados” hasta un estado

excitado por una fuente de energía, ver figura 2.11. Después, se los ‘estimula’

mediante fotones externos para que emitan la energía almacenada en forma de

fotones, mediante la emisión estimulada. Los fotones emitidos chocan a su vez

con otros átomos excitados y liberan nuevos fotones. La luz se amplifica a

medida que los fotones se desplazan hacia atrás y hacia adelante entre dos

espejos paralelos desencadenando nuevas emisiones estimuladas. Al mismo

tiempo, la luz láser, intensa, direccional y monocromática, se ‘filtra’ por uno de los

espejos, que es sólo parcialmente reflectante.

Según el medio que emplean, los láseres suelen denominarse de:

• estado sólido (proporcionan las emisiones de mayor energía)

• de gas (de dióxido de carbono son muy eficientes, y son los láseres de

onda continua ,CW siglas en inglés, los más potentes)

• de semiconductores (los reproductores de CD y las impresoras laser)

• líquidos (son colorantes orgánicos contenidos en recipientes de vidrio)

FIGURA 2.11 ESQUEMA DE UN LASER

Entre sus características mas importantes están:

• la de producir un flujo luminoso muy fino, con un ángulo de dispersión

de aproximadamente 10 -5 radianes. Este flujo emitido desde la Tierra

cubre en la Luna un área con un radio de 3 km (distancia Tierra – Luna

384 000 km).

• ser potentes fuentes de luz, alcanzando en un ∆t pequeño (10 -11s) una

potencia de emisión de 10 12 - 10 13 W por centímetro cuadrado. La

potencia del Sol en esas mismas condiciones y en todo su espectro es

de 7• 10 3 W.

Entre las aplicaciones del láser se encuentran:

- Holografía, control de reacciones químicas, impresora láser.

- Transmisión, poder transmitir la información a través de cables de fibra

óptica de muy pequeño grosor (mm y menos) y con una muy alta

eficiencia en el proceso de transmisión – recepción de la señal.

- Grabación y reproducción de información, en el caso del CD-R, hay

que recordar que un LP (disco de pasta de larga duración) admitía

entre 11 y 13 canciones unos 25 – 30 minutos de duración; el CD

admite entre 23 y 26 canciones, un máximo de 75 – 78 minutos de

duración.

- Lectores de códigos de barra, soldadura y corte (su alta potencia logra

llevar hasta la ebullición a los materiales en el vacío).

-Cirugía, cirugía oftálmica (operaciones de cataratas, soldar los

desprendimientos de la retina del ojo, etc.).

Medio activo

Espejo reflector

Espejo semitransparente

Medio de bombeo

4. DUALISMO ONDA – CORPUSCULO.

Anteriormente hablamos que la parte de la Física que explica teóricamente lo

concerniente a la estructura del átomo se denomina Mecánica Cuántica.

En el modelo de Bohr el electrón se movía en órbitas bien determinadas

alrededor del núcleo. En la mecánica cuántica el radio de la órbita de Bohr

coincide con la distancia más probable al núcleo. Esta teoría introdujo la idea de

la probabilidad para interpretar los fenómenos a nivel atómico y sub - atómico.

Esto motivo una enconada discusión entre A. Einstein y los promotores de esta

interpretación, ya que el primero no aceptaba que la aparición o no de un

fenómeno fuese a estar regida por leyes estadísticas. De aquí la frase “Dios no

juega a los dados” pronunciada por Einstein. El tiempo le dio la razón al enfoque

probabilístico y es el que se usa con éxito para explicar el mundo atómico y sub –

atómico.

Otro elemento de esta teoría que representa una diferencia sustancial con el

modelo de Bohr es que en este último el electrón se consideraba una partícula

clásica y aquí aparece una concepción distinta, veamos cual es.

Se aceptaba que la luz se comportaba como onda y como corpúsculo. En 1924 el

físico francés Luis Víctor de Broglie planteó la idea de que este comportamiento

es universal y corresponde a todas las partículas. Esto significaba que los

electrones también presentaban comportamiento ondulatorio, para ello obtuvo

una ecuación sencilla pero fundamental a partir de la cual se podría calcular la λ

del electrón.

Louis D’Broglie Fis Físico francés.n.en Dieppe (1892 / ).Fue uno de los creadores de la Mecánica ondulatoria, la cual revolucionó toda la Física moderna, al plantear que a toda micropartícula le es inherente una onda de probabilidad, cuestión esta comprobada experimentalmente. Ha publicado numerosos trabajos de Historia de la Ciencia y de divulgación científica. Recibió el Premio Nobel en 1929.

Esta ecuación es :

p

h=λ (2.5)

Donde h es la constante de Planck y p la cantidad de movimiento de la partícula

estudiada.

Para poder ser consecuente con la propuesta planteada por de Broglie los

electrones deberían producir fenómenos de interferencia y difracción. En 1927 C.

J. Davisson (1881 – 1958) y L.M. Germer utilizando como red de difracción una

red cristalina realizaron el experimento y obtuvieron la difracción de los

electrones.

Este experimento se ha repetido en varias ocasiones posteriores y siempre se ha

corroborado la hipótesis.

Como se planteó que tenía un carácter universal, en la medida que fueron

descubriéndose las demás partículas elementales se fue calculando su λ y

comprobándose su validez mediante diferentes experimentos. Hoy es aceptado

como una característica de la materia el comportamiento dual onda – corpúsculo.

5. Ejercicios.

1.- Explique las características del modelo atómico de Thomson.

2.- Explique en que consistió el experimento llevado a cabo bajo la dirección

de Rutherford y sus resultados.

3.- Explique las características del modelo atómico de Rutherford y sus

insuficiencias.

4.- Explique las características del modelo atómico de Bohr así como sus

éxitos y limitaciones.

5.- Explica que procesos ocurren cuando en el espectro de un átomo

aparece a) una raya brillante, b) una raya oscura.

6.- Explique que ocurre cuando un átomo de hidrógeno pasa a) del nivel

n = 1 al nivel n = 2, b) del nivel n = 4 al nivel n = 3, c) del nivel n = 1 al

nivel n =α . Confeccione un esquema en apoyo de sus respuestas.

7.- Calcule la ∆ E cuando un átomo de hidrógeno pasa a) del nivel n = 1

al nivel n = 6, b) del nivel n = 4 al nivel n = 2, c) del nivel n = 3 al nivel

n =α

8.- Menciona diferentes los tipos de espectros.

9.- Explica las aplicaciones del análisis espectral utilizando ejemplos de la

vida cotidiana.

10.- Explica en que consiste el fenómeno denominado luz fría y que utilidad

posee.

11.- Explica en que consiste la fluorescencia de rayos X y su utilidad.

12.- Explica en que consiste el láser.

13.- Menciona algunas propiedades del láser.

14- Menciona las aplicaciones del láser.

15.- Explique en que consiste la dualidad onda – corpúsculo.

16.- Calcule la λ de un protón que se mueve con una velocidad de 300 km /

s y posee una masa de m p = 1,67 • 10 - 27 kg.

17.- Calcule la λ de una esfera de masa 1 kg que se mueve con una

velocidad de 1 m / s y compárala con la del electrón que se mueve a

igual velocidad. Interpreta físicamente el resultado obtenido

Unidad 3 FISICA NUCLEAR

INTRODUCCION. En el tema anterior conocimos sobre el átomo, sus interacciones con el medio y sus

componentes internos, electrones y el núcleo. En este tema vamos a indagar sobre

el núcleo, las partículas que lo componentes y las energías asociadas a este.

También hablaremos sobre las aplicaciones que el hombre ha hecho de esa energía

(tanto beneficiosa como perjudicial) así como de otras particularidades de estos.

Ud. sabe de otras asignaturas, en especial la química, algunos datos sobre la

estructura del núcleo que podemos resumirla así:

• El núcleo está compuesto por dos tipos de partículas denominadas protones

(poseen carga positiva) y neutrones (son neutros).

• El núcleo atómico ocupa una pequeña parte del volumen del átomo y se

encuentra en el centro de este (experimento de Rutherford).

• En el núcleo radica la carga positiva del átomo y prácticamente toda su

masa.

• Hay la misma cantidad de protones en el núcleo que electrones asociados a

este, lo cual hace que el átomo sea eléctricamente neutro.

• Excepto en los núcleos de los elementos más simples, hay más neutrones

que protones.

• El número de protones en el núcleo de los átomos de la sustancia determina

sus propiedades

• El átomo se representa por el símbolo Z X A donde A es el número total de

nucleones (protones + neutrones) y Z el número de protones.

Pasemos al estudio del núcleo del átomo, su energía, sus emanaciones y el uso

que el hombre ha hecho de esto.

1. ¿QUÉ ES EL NUCLEO ATOMICO?

Sabemos que, desde 1911 en que Rutherford (1871 – 1937) propuso su modelo

planetario, todos admiten la existencia del núcleo atómico y la concentración

de la carga positiva del átomo en él. Además él mismo predijo teóricamente la

existencia del neutrón en 1920 pero hubo que esperar hasta 1932 para que,

durante los experimentos que realizara el físico inglés J. Chadwick (1891 –

1974), este fuese descubierto. En ese mismo año se propone el modelo nuclear

de protones y neutrones.

James Chadwick Fis Físico inglés n. en Manchester (1891 / 1974). Fue discípulo de Ernest Rutherford y de Hans Geiger. Descubrió en 1932 el neutrón, predicho por Rutherford en 1920, lo que le valió el Premio Nobel en 1935. Descubrió el tritio junto a Oliphant, Harteck y Rutherford. Colaboró en el proyecto inglés de la bomba atómica y en 1946 fue nombrado asesor de la Comisión de Energía Atómica de la ONU. En 1945 se le otorga el título de “Sir”. Una de las formas de caracterizar a las partículas es mediante su carga y su

masa. En el caso del área de la física nuclear se utilizar una unidad de masa

que se denomina unidad de masa atómica (u) la que es igual a

u = 1, 66 x 10 – 27 kg.

En este sistema las masas del protón (m P) y del neutrón (m N) son:

m P = 1,0072766 u y la m N = 1, 0086654 u .

En el caso del electrón su masa es 1 836 veces menor que la del protón.

(masa del electrón = 9, 1 x 10 – 31 kg)

Aquí surge una cuestión y es quién mantiene unidos a esos protones (+) en el

núcleo.

Podemos descartar las fuerzas gravitatorias debido a los valores tan pequeños

de masa de estas partículas, así como a las electromagnéticas pues en este

caso serían de repulsión. Estas fuerzas que actúan manteniendo a los

nucleones (protones + neutrones) unidos se les denomina Fuerzas Nucleares.

Tienen la característica de que son 100 veces mas intensa que las

electromagnéticas y además su radio de acción no rebasa las dimensiones del

núcleo (10 – 14 a 10 – 15 m). Esto ha hecho que las interacciones entre estas

partículas se denominen interacciones fuertes. Este tipo de interacción también

es propio de la mayoría de las partículas fundamentales.

Uno de los hechos más sorprendentes que los científicos descubrieron en el

estudio de los núcleos atómicos y sus interacciones fue en el cálculo de las

masas de estos.

Si se sabe que el núcleo está compuesto de un número de protones y

neutrones y conocemos las masas de estas partículas, luego la masa total del

núcleo debe ser la suma de las masas en reposo de todas estas. Cuando se

realizaron los cálculos se encontró que había una pequeña diferencia entre

ambas masas. La suma de las masas en reposo de los nucleones siempre es

ligeramente mayor que la masa del núcleo que las contiene. A esta diferencia

se le llamó defecto de masa. El defecto de masa siempre es positivo.

Z m P + N m N >>>> M núcleo o sea,

Z m P + N m N - M núcleo = ∆M (1)

A ∆M se le llamó defecto de masa.

Hagamos un sencillo cálculo con el elemento Helio. (Recuerde que Z X A)

Tomando el 2He4, constituido por 2 neutrones y 2 protones.

m p = 1,0072766 u M = Z • m P + (A - Z) • m N

m n = 1,0086654 u M = 2 • 1,0072766 + (4 - 2) • 1,0086654

A = 4; Z = 2 M = 2,0145532 + 2,0173308

M = 4,031884 u

El dato reportado en las tablas corresponde a la masa atómica del átomo 2He4

(M He = 4,002597 u) por lo que deberá de este valor restarse la masa de los Z

electrones que posee en la envoltura para calcular la masa nuclear M N:

M N = M He – Zm e

M N = 4,002597 - 2(0,0005486)

M N = 4.0014998 u ∆M = M - M N = 4,031884 u - 4.0014998 u = 0,0303842 u

∆M = 0,0303842 u

Este defecto de masa (∆M) se interpreta como la transformación en la energía

de enlace para que se mantengan unidos. Esto se puede calcular mediante la

ecuación de Einstein de E = m c 2, donde aquí m es ∆M, el defecto de masa.

E enlace = ∆M c 2

Para que se tenga una idea de lo colosal de esta energía de enlace, baste decir

que la formación de 4 g de Helio va acompañada del desprendimiento de una

energía igual a la que se produce durante la combustión de 1,5 ó 2 vagones

de carbón de piedra.

De este estudio los científicos llegaron a la conclusión de que podían obtener

energía ya sea tratando de fusionar núcleos ligeros ó desintegrar núcleos

pesados (fisionar). Lo cual estudiaremos mas tarde.

2. TRANSFORMACIONES DE LOS NUCLEOS ATOMICOS .

2.1 . RADIACTIVIDAD NATURAL

En fecha tan tempana como 1896 el físico francés A. Henry Becquerel (1858 –

1908) descubre que las sales de uranio emitían espontáneamente radiaciones,

las cuales denominaron rayos Beta (β), rayos (α) y rayos (γ) gamma.

Henri Becquerel Fis Físico y químico. n. en París (1852 / 1908). Procede de una estirpe de físicos franceses. Descubrió el fenómeno de la radiactividad en las sales de uranio. Realizó importantes investigaciones sobre fosforescencia, polarización atmosférica, la absorción de la luz por los cristales, el magnetismo terrestre. Recibió el Premio Nobel en 1903 junto a los esposos Curie.

Del estudio posterior realizados entre otros por Maria Curie (1867 – 1934), su

esposo Pierre Curie (1959 – 1906) y Rutherford (1871 – 1937) se obtuvo que

cada rayo se diferenciaba en su naturaleza y propiedades. Además permitieron

establecer que todos los elementos cuyo número atómico es mayor que 83

emiten estas radiaciones espontáneamente. A este fenómeno se le denominó

radiactividad natural

Marie Curie Fis Física y química polaca (María Sklodowska). n. en Varsovia (1867 / 1934). Se dedicó al estudio de la radiactividad junto a su esposo Pedro Curie ( Físico francés. n.en París (1859 / 1906)) cuando eran ayudantes de H. Becquerel. Descubrieron ambos los elementos polonio y radio. Es quien introduce el término radiactividad para designar la emisión de radiaciones por la sustancia. Recibió el Premio Nobel de Física en 1903 junto a P. Curie y H. Becquerel por el descubrimiento de la radiactividad y el elemento radio y el de Química en 1911 por haber descubierto los elementos radio y polonio. Hasta hoy es la única persona que ha obtenido dos premios Nobel. Fue la primera mujer en ingresar a la Academia de Medicina de París en 1922. Fue profesora de la Sorbona de París. El brillante trabajo de Curie en radiactividad le acabó costando la vida; murió por exposición excesiva a las radiaciones.

Tabla 3.1

Tabla 5.3 pag 106 del libro de texto Fisica 12 grado parte 1 P. E. 1991.

Estas radiaciones se siguieron estudiando en los inicios del siglo XX y las

propiedades que se obtuvieron se pueden resumir en:

• La radiación emitida por los elementos uranio, torio y radio no depende

de la temperatura y la presión a que está sometida la sustancia, ni de las

reacciones químicas en que participan.

• La intensidad de la radiación emitida por dichos elementos radiactivos

prácticamente no varía con el tiempo, durante un intervalo de años.

• Durante la emisión radiactiva se produce una emisión de energía.

• Como resultado de la transformación radioactiva se origina una nueva

sustancia, que se diferencia totalmente de la sustancia inicial por sus

propiedades físicas y químicas.

Como resultado del estudio de estas transformaciones aparecieron sustancias

con idénticas propiedades químicas pero cuyas propiedades radiactivas eran

diferentes (se desintegran de diferentes maneras). Después se comprobó que

poseen masas diferentes. A estas sustancias se les denominó isótopos.

Los isótopos son átomos de una misma sustancia (idéntico número de

protones) que se diferencian en el número de neutrones en el núcleo. Los

estudios hasta la actualidad han comprobado que la existencia de isótopos es

inherente a casi todos los elementos de la tabla periódica.

Por esta razón la masa atómica relativa de un elemento puede no ser entero,

ejemplo el del cloro es 35,5 , esto se explica porque en su estado natural la

sustancia es una mezcla de isótopos en distintas proporciones.

Con el conocimiento de los isótopos se puede entender bien las diferentes

cadenas de transformaciones radiactivas. Aplicando lo que representa cada tipo

de radiación beta o alfa, se puede hallar el tipo de núcleo en que se transforma.

Radiación Alfa ( αααα )))).

Cuando el núcleo emite una partícula alfa (α), pierde 2 protones (dos cargas +)

y dos neutrones, su masa disminuye en 4 unidades atómicas de masa. Esto

hace que el elemento resultante se desplazó dos casillas hacia el inicio de la

tabla.

Radiación Beta ( β - )

Cuando el núcleo emite una partícula β - , emitió un electrón (una carga -). Aquí

la carga del núcleo aumento en una unidad y el elemento se desplaza una

casilla hacia el final de la tabla.

Radiación ( β + )

Cuando el núcleo emitió una partícula β +, emitió un electrón positivo (positrón)

(una carga +). Aquí la carga del núcleo disminuye en una unidad y el elemento

se desplaza una casilla hacia el inicio de la tabla.

Radiación Gamma ( γγγγ)))).

Aquí no se emiten cargas, por lo que no hay variación en el núcleo y la masa

varía insignificantemente.

La unidad que mide la intensidad radiactiva de un preparado se denomina curie

en honor a los esposos Maria y Pierre Curie su valor es 1 curie = 3,7·1010

desintegraciones /s (s-1)

2.2. PERIODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN.

En el estudio de la radiactividad natural se obtuvo que no todos los átomos de

de la muestra se transforman a la vez, sino que solo un porción de la muestra.

Esto lleva a que el número de átomos a desintegrarse decrece con el tiempo.

Se comprobó además que el número de átomos a desintegrar varía para cada

sustancia radiactiva, lo cual ha servido como una propiedad para poder

diferenciar una sustancia de otra.

Para cuantificar esta propiedad se mide el tiempo que se demora una sustancia

radiactiva en desintegrase la mitad de los átomos iniciales. A este tiempo se le

denominó Periodo de semidesintegración (T). Su expresión es:

N = N 0 2 t / T (2)

donde t es el tiempo transcurrido que se mide y T el período de

semidesintegración de la muestra.

Como muestra presentamos una tabla con los T de algunas sustancias

radiactivas.

Tabla 3.2

Tabla 5.5 pag. 109 libro de texto de Física 12 grado parte 1 P.E. 1991

2.3. RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL.

Utilizando los diferentes rayos alfa, beta y gamma, los científicos sometían a

bombardeó diferentes sustancia para el estudio de los efectos que producían.

En 1934 Irene Curie (1897 – 1956) y Federico Joliot - Curie (1900 – 1958)

aplicando este método a una lámina de aluminio obtuvieron que éste se volvía

radiactivo después del bombardeo. Estudiando lo ocurrido vieron que habían

descubierto una forma de hacer radiactivo un material que no lo es en forma

natural. Descubrieron la radiactividad artificial.

Irene Curie, Federico Joliot. Fis y químicos francesa. n. en París. Irene (1897 / 1956) (1900 – 1958), colaboradora de su madre (Maria Curie) y posteriormente junto a Federico Joliot su esposo, descubrieron el fenómeno de la radiactividad artificial. Demostraron la existencia del neutrón. Recibió el Premio Nobel de Química junto a Federico Joliot en 1935 por la síntesis de elementos radiactivos. Ambos fueron colaboradores de la resistencia francesa durante la ocupación nazi a Francia (1940 – 1944).

A partir de aquí se ha logrado obtener gran número de isótopos radiactivos

artificialmente (+ de1000), lo que contrasta con los naturales que no rebasan los

40. Además con este método se ha logrado obtener elemento transuránicos

(elementos con un orden mayor de 92, consulte la Tabla Periódica) recuerde

que en la naturaleza solo existen en forma natural hasta el Uranio (92).

Para poder obtener todos estos datos e informaciones los científicos tuvieron

que crear nuevos instrumentos. Los más relevantes y que se siguen usando

hoy en día, con sus modernizaciones son:

2.4. EQUIPOS DE MEDICION.

CONTADOR Geiger – Müller.

Uno de los más versátiles y utilizados es el contador de Geiger-Müller, o

simplemente contador Geiger (ver fig 3.1). Fue desarrollado por el físico alemán

Hans Geiger (1882 / 1945) a partir de un instrumento inventado por él mismo y

por Rutherford (1871 – 1937); este instrumento fue mejorado por Geiger y por

el físico estadounidense de origen alemán Walter Müller en 1928.

Fig. 3.1

Figura 5.1 pag 98 libro de texto fisica 12 grado parte 1 P.E. 1991

Su utilización es para detectar partículas cargadas, fotones de gran energía

(cuantos gamma γ) y neutrones. Su respuesta es casi siempre a través de un

sonido y una aguja que da la intensidad de la radiación, lo cual permite conocer

de acuerdo con su intensidad el nivel de partículas que hay en esa área que se

investiga.

CAMARA DE NIEBLA .

Su principio fue descubierto por el científico escocés Ch. T. Wilson (1869 –

1959) en 1896 aunque no fue construida hasta 1912, incluso se le conoce

como la cámara de Wilson.

Charles T. Wilson Fis Físico escocés. n. en Glencorse (1869 / 1959). Se especializó en el estudio de la electricidad atmosférica y en la condensación de gases sobresaturados al paso de iones, lo que lo llevó a la invención de la cámara de ionización que lleva su nombre, para registrar el movimiento de las partículas cargadas. Compartió con A.C.Compton el Premio Nobel de Física en 1927.

Su funcionamiento es basado en la condensación del vapor saturado sobre los

iones, formando gotitas de agua. La partícula que pasa es la que crea los iones

a lo largo de su recorrido ver figura 3.2. La información que proporcionan las

trazas (huellas) en la niebla es mucho más rica que la que puede dar los

contadores. Por la longitud de la huella se puede determinar la energía de la

partícula, mediante el número de gotas por unidad de longitud de la trayectoria

se puede apreciar su velocidad, de acuerdo al grosor de la traza se puede

juzgar comparativamente el valor de su carga y según se deflecte hacia uno u

otro lado se puede saber el signo de la carga. Estas trazas pueden

fotografiarse, ver figura 3.3, y las fotografías analizarse para obtener

información sobre las características de las partículas.

Fig 3.2

Figura 5.2 pag. 99 libro de texto de física 12 grado parte 1 P.E. 1991

Fig 3.3

Fig. 5.3 pag. 100 libro de texto de física12 grado parte 1 PE 1991

CÁMARA DE BURBUJAS.

La cámara de burbujas, inventada en 1952 por el físico estadounidense Donald

Glaser (1926 - ) por lo que recibió el Premio Nobel en física en 1960, tiene un

funcionamiento similar a la cámara de niebla. Este dispositivo permite detectar

partículas de eleva energía. Si se toma una fotografía justo después de que las

partículas hayan atravesado la cámara, las burbujas permiten visualizar las

trayectorias de las partículas.

3. ALGUNAS APLICACIONES DE LA RADIACTIVIDAD .

3.1. MEDICIÓN DE TIEMPO.

Las técnicas de datación radiométrica se basan en series de desintegración con

tasas constantes de decaimiento de los isótopos. Desde que una cantidad de

un elemento radiactivo se incorpora a un cristal de mineral en crecimiento, ésta

empieza a disminuir a un ritmo fijo, creándose un porcentaje determinado de

productos derivados en cada intervalo de tiempo. Estos “relojes de las rocas”

son los cronómetros de los geólogos (ver tabla 3.1).

Método del carbono 14. Las técnicas de datación con radiocarbono,

desarrolladas en un primer momento por el químico estadounidense Willard

Frank Libby (1908 – 1980) (Premio Nobel de química en 1960) y sus

colaboradores de la Universidad de Chicago en 1947, suelen ser útiles para la

datación en arqueología, antropología, oceanografía, edafología, climatología y

geología reciente.

Por medio de la actividad metabólica, el nivel de carbono 14 en un organismo

vivo se mantiene en equilibrio con la atmósfera o con el de otras partes de la

reserva dinámica terrestre, como el océano. A partir de la muerte del

organismo, este isótopo radiactivo no es ya reemplazado por el carbono del

dióxido de carbono atmosférico u otras fuentes. Esto permite medir, en las

muestras, las proporciones entre los productos de su desintegración y el

carbono 14 restante y obtener un rango de tiempo desde su muerte. Su rápida

desintegración limita, en general, el periodo de datación a unos 50.000 años,

aunque a veces se extienda el método hasta 70.000 años. La incertidumbre de

la medida aumenta con la antigüedad de la muestra.

Se usan otros tipos de elementos radiactivos para determinar las edades de las

muestras, entre estos están:

Métodos con torio 230. Los métodos basados en la proporción de torio se

utilizan en dataciones de sedimentos oceánicos demasiado antiguos para poder

utilizar las técnicas con radiocarbono

Método del rubidio-estroncio. Usado en la datación de antiguas rocas terrestres

ígneas y metamórficas así como de muestras lunares. Este método se basa en

la desintegración beta de rubidio 87 a estroncio 87.

Métodos con plomo. La edad plomo-alfa se estima determinando, con técnicas

espectrográficas, el contenido total de plomo y de radiactividad alfa (derivada de

la transición uranio-torio) en concentrados de circón, monacita o xenotima. Este

método se aplica mejor en materiales precámbricos.

3.2. USO EN LA MEDICINA.

Debido al poder energético de las radiaciones una de las aplicaciones es usar

esa energía enfocándola hacia zonas del cuerpo humano donde existen células

cancerosas para su eliminación, esto se hace con los rayos X en los casos del

cáncer de piel, mucosa, etc.

Cuando se trata de combatirlo en órganos internos, se ha investigado y obtenido

que hay isótopos radiactivos que son absorbidos selectivamente por ese órgano

enfermo, por ejemplo el yodo se concentra en la glándula tiroides, el fósforo en

los huesos, el magnesio en el hígado, etc. En este caso se administran y las

células malignas se destruyen de adentro hacia fuera. Estos isótopos son de

período corto.

Esto también contribuye a poder exterminar los microorganismos que existen

en los productos alimenticios mediante una irradiación de rayos β ó γ. Esto se

conoce como esterilización en frío.

La propiedad que tienen los isótopos radiactivos de emitir radiaciones, es

utilizada por el hombre para seguir su rastro aun cuando las porciones sean

ínfimas. Este sistema es utilizado, tanto en biología como en la medicina, como

rastreadores o marcadores para ver como determinada sustancia se mueve, se

acumula, se absorbe y el tiempo que demora en eliminarse en el cuerpo

humano o en animales. Esto se hace incorporando ínfimas cantidades

radiactivas del mismo elemento que la muestra y como son isótopos, estos no

modifican las reacciones químicas, pues son iguales.

3.3. AGRICULTURA

En la agricultura se utilizan los radioisótopos para investigar la efectividad de

los abonos. Para lograr una floración más temprana y un desarrollo más rápido

de las plantas se utilizan pequeñas dosis de rayos γ. Irradiando la papa con

estos rayos se puede retrasar sin perjuicio para el tubérculo su germinación en

18 meses, lo cual ayuda en su conservación.

En la Industria también se usa los rayos γ para hacer radiografías a piezas de

grueso considerables y poder detectar fisuras internas. También en la detección

de fugas de gases y líquidos.

4. ENERGÍA DEL NUCLEO Y SU USO .

4.1. Fisión y Fusión nuclear

Cuando vimos como estaba constituido el núcleo atómico, estudiamos a lo que

los científicos denominan defecto de masa ∆ M. También vimos como de la

interacción de los núcleos de una sustancia con un agente externo (exposición a

las radiaciones α, β, γ) estos cambian y se convierten en un núcleo de otro

sustancia.

A partir de los estudios realizados por los científicos alemanes O. Hahn (1879 –

1968) y F, Strassmann (1902 – 1980) en 1938, ellos descubrieron que al

bombardear el uranio con neutrones este se divide en dos elementos que

ocupan la parte media del sistema periódico: bario, kriptón y otros, produciendo

además varios neutrones y lo mas importantes es que se libera una gran

cantidad de energía ver fig 3.4.

Fig 3.4

Fig. 5.10 pag. 114 libro de texto Física 12 grado 1 parte P.E. 1991

Estos neutrones (esferas negras en la figura 3.4) impactan otros átomos y se va

produciendo lo que se conoce como una reacción en cadena, ver fig 3.5

Fig. 3.5

Fig. 5.12 pag. 115 libro de texto Física 12 grado 1 parte P:E: 1991

Estas transformaciones el hombre las denominó reacciones nucleares. Uno de

los primeros que estudio estas reacciones nucleares usando como agente

externo neutrones rápidos y lentos fue el físico italiano Enrico Fermi (1901 –

1954)

Enrico Fermi Fis Físico italiano. n. en Roma (1901 / 1954). Su teoría conocida como estadística de Fermi / Dirac fue una importante contribución a la Mecánica Cuántica. Son muy importantes sus trabajos en Física Nuclear: teoría cuantitativa de la desintegración beta, radiactividad artificial por el bombardeo con neutrones, construyó el primer reactor nuclear en 1942 donde obtiene la primera reacción en cadena, etc. Recibió el Premio Nobel en el año 1938. Fue profesor de prestigiosas universidades. Trabajó como uno de los líderes del proyecto Manhattan para fabricar la primera bomba atómica. Dejó obras didácticas y de divulgación.

A esta división del átomo en dos partes casi iguales con desprendimiento de

neutrones y gran cantidad de energía se le llamó Fisión nuclear.

La energía que se libera es de tal magnitud que la fisión de 1 gramo de Uranio

libera una energía de 2,3 x 10 4 kWh equivalente a quemar 3 toneladas de

carbón ó 2,5 toneladas de petróleo.

Uno de las sustancias que se utiliza es el Uranio. Este aparece en forma natural

en una mezcla de dos isótopos el 92 U 238 y el 92 U 235 este último constituye el 1

/ 140 parte de la muestra.

De los dos, el segundo es el más ventajoso para estas reacciones, lo cual

conlleva un trabajo de enriquecimiento de la muestra a favor de 92 U 235.

También existe otro tipo de reacción nuclear pero esta es el opuesto de la fisión

nuclear, pues consiste en la aproximación de núcleo ligeros lo suficiente para

que las fuerzas nucleares superen las electromagnéticas y se unan dando lugar

a un núcleo más pesado. A este tipo de reacción se le llamó Fusión nuclear .

En este tipo de reacción se liberar mucho más energía que en la fisión, pero

tiene un problema y es que para que se efectúe necesita de una temperatura de

millones de grados. Por esta razón es que se le denomina energía termonuclear.

Esta es la reacción que los científicos hoy aceptan que ocurre en el interior de

las estrellas proporcionando la energía que estas poseen y que irradian al

espacio.

En el caso del Sol la estrella que nos proporciona la energía para la vida en el

planeta se supone que en su interior (centro) ocurran reacciones termonucleares

como la siguiente:

Para que se tenga una idea de cuanto energía se produce en el Sol, cada

segundo 570 millones de toneladas de Hidrógeno se convierten en 566 millones

de toneladas de Helio. Cada segundo el Sol pierde 4 millones de toneladas de

sustancia que se emite en forma de energía luminosa y calorífica. El cálculo de

la energía que corresponde a esa masa da

3,82 x 10 23 kW

Este valor supera en 1017 veces la potencia de la mayor de las instalaciones

energéticas construidas por el hombre.

Debe aclararse que en las estrellas en dependencia de su masa y temperatura

ocurren diferentes tipos de reacciones, pero todas con el mismo denominador,

unión de núcleos ligeros para formar núcleos más pesados.

4.2. APLICACIONES.

El hombre utiliza esta energía nuclear para producir energía eléctrica en las

llamadas plantas atómicas ó Atomoeléctricas ver figura 3.6.

Fig 3.6

Fig. 5.14 pag. 120 libro de texto Física 12 grado parte 1 P.E. 1991

La diferencia con una central termoeléctrica está en que en una planta atómica

el calor lo suministra las reacciones nucleares de fisión y en una planta

termoeléctrica el calor se obtiene quemando combustible fósil (carbón, hulla,

petróleo). El resto del ciclo es el mismo, con las variaciones lógicas de las

diferentes tecnologías que se apliquen.

En el esquema de la planta atómica (fig. 3.6) lo que está a la izquierda es el

reactor atómico donde ocurren las reacciones nucleares, en este caso de fisión.

Se observan también lo que se denominan varillas reguladoras, las cuales se

introducen o se extraen para mantener el ritmo deseado de la reacción. En caso

de tener que detener su funcionamiento se introducen todas a la vez.

Las reacciones que tienen lugar en el interior del reactor están representadas

en forma esquemática en la figura 3.7 Como moderador se utiliza agua pesada

o grafito.

Fig. 3.7

Figura 5.13 pag. 120 libro de texto física 12 grado parte 1 P.E. 1991

La primera central atómica comenzó a funcionar en la antigua URSS en 1954

con una potencia de 5 MW. Después se fueron construyendo otras y hoy suman

cientos en todo el planeta, fundamentalmente en los países desarrollados con

potencia de 1000 MW y más. Hay países que una parte considerable de la

electricidad que producen es a través de la energía atómica, podemos citar a

Francia donde el porciento se eleva a 76. Ver en el apéndice 1 la relación de

algunos países y los % que ésta representa de la energía eléctrica que

producen.

En el proceso de producción de energía atómica, las sustancias que se utilizan

para producirla hay que reemplazarlas cada determinado tiempo (esto depende

de la sustancia usada). Uno de los problemas que enfrenta el hombre es que

dichos residuos salen altamente radiactivos (ver apéndice 3) y hay que construir

almacenes subterráneos y seguros para evitar que esas emanaciones lleguen al

medio ambiente y lo deterioren, además de los efectos que puede producir

sobre el suelo y los seres humanos. Esto encarece el costo de kWh producido.

También han ocurrido accidentes en diferentes plantas de distintos países los

mas divulgados han sido el de Three Mile Island en EE. UU. en 1979 y el de

Chernóbil Ucrania 1986.

Este problema ha generado discusiones, las cuales han tenido como resultado

que algunos países hayan cancelado sus planes de construcción de nuevas

plantas atómicas e incluso en algunos casos la ampliación de las existentes.

Desgraciadamente el hombre usó esta energía por primera vez en forma

destructiva antes de que se construyeran las plantas atómicas.

En 1945 el 6 de Agosto el gobierno de EE.UU. lanzó la bomba atómica sobre la

ciudad de Hiroshima (ver fig 3.8) y el 9 sobre la ciudad de Nagasaki,. Ver

apéndice 2,

El 6 de agosto de 1945, finalizando la II Guerra Mundial, Estados Unidos lanzó la primera bomba atómica sobre la ciudad japonesa de Hiroshima la cual mató a

decenas de miles de personas en menos de un minuto. Se estima que unas 130.000 personas murieron, fueron heridas o desaparecieron, y otras 177.000 quedaron sin hogar. La masa de uranio era del tamaño de una manzana y produjo una explosión tan potente como 20 kilotoneladas de TNT. Hoy en día al cabo de más de 60 años todavía mueren personas a causa de los efectos de la explosión.

Fig 3.8

En cuanto a la reacción de fusión el hombre no ha podido todavía controlarla en

su beneficio, debido a las altas temperaturas (millones de grados) que hay que

crear para que la reacción ocurra. Se está usando como forma de controlar esta

situación el confinar el plasma que se forma dentro de potentes campos

magnéticos, estos ingenios se denominan Tokamak, pero todavía no hay

solución a corto plazo. Uno de los problemas fundamentales es que se

consume más energía que la que se obtiene.

Si la energía de fusión llega a ser practicable, ofrecería las siguientes ventajas:

1) una fuente ilimitada de combustible, el deuterio a utilizar se puede

obtener de los océanos.

2) imposibilidad de un accidente en el reactor, ya que la cantidad de

combustible en el sistema es muy pequeña.

3) residuos mucho menos radiactivos y más sencillos de manejar que los

procedentes de sistemas de fisión.

En este tipo de reacción también el hombre ha fabricado armas denominadas

bomba H. La primera fue detonada el 1 de Noviembre de 1952 en la Islas

Marshall en el Pacífico por los EE. UU. Esta tenía un poder destructivo de 800

veces mayor que la que explotó en la cuidad de Hiroshima.

Existe una aplicación de los fenómenos de la desintegración radiactiva que se

denominan como fuentes autónomas de energía de escasa potencia los cuales

se basan en la transformación de la energía térmica que se desprende durante

la desintegración radiactiva en energía eléctrica. Esto se realiza por varios

métodos entre los que se encuentran el termoeléctrico y el termoemisor.

Dispositivos construidos con este principio se han utilizado sobre todo en

ingenios espaciales como:

• Lunajod-1 y Lunajod-2 (1970) (lunokhod-Encarta) robots soviéticos que

se lanzaron y descendieron en la Luna para su investigación, sin

arriesgar vidas humanas.

• El bagaje experimental que dejaron en la superficie de la Luna los

astronautas del Apolo contenía plutonio 238 para producir unos 70

vatios.(1969 – 72).

• A bordo del Viking (1975) que se posó en Marte y en las sondas

espaciales Pioneer (1972 – 1973) y Voyager (1977) que después de

visitar y emitir fotos y mediciones de distintos planetas del Sistema Solar

siguen viajando por el exterior de éste.

5. PARTICULAS ELEMENTALES.

Analicemos a que vamos a denominar partículas elementales. Cuando se

comenzó con el descubrimiento de la estructura del átomo se pensó que el

electrón, el protón y el fotón eran las partículas elementales. En la medida que

se fueron descubriendo más partículas y que muchas de éstas se

desintegraban en otras se vio que había que reconsiderar el término acorde a

las evidencias que la naturaleza proporcionaba. Esto hizo pensar a los

científicos que debían existir un número pequeño de partículas que no se

desintegraran en otras y que estas serían las fundamentales.

En 1963 los científicos M. Gell – Mann y G. Zweig expusieron una teoría que

años después se corroboró. Gell – Mann recibiría en 1969 el Premio Nobel por

esta teoría.

La teoría consiste en que todas las partículas están formadas por otras más

pequeñas que se denominaron quarks, excepto las denominadas leptones.

Ambos grupos son las partículas elementales. Experimentos posteriores

demostraron la existencia de los quarks.

Veamos esto en un cuadro resumen.

TABLA 3.3

TABLA DE LA PARTICULAS ELEMENTALES

QUE LOS CIENTIFICOS ACEPTAN HOY EN DÍA.

LEPTONES CARGA QUARKS CARGA

ELECTRÓN ( e - ) - 1 UP + 2 / 3

NEUTRINO ( υ e)

ELECTRONICO

0 DOWN - 1 / 3

MUON ( µ ) -1 CHARM + 2 / 3

NEUTRINO ( υ µ )

MUON

0 STRANG

E

- 1 / 3

TAU (τ ) -1 TOP + 2 / 3

NEUTRINO (υ τ )

TAU

0 BOTTOM - 1 / 3

Estas partículas interaccionan entre ellas y esas interacciones es a través de

partículas que se intercambian. Estas se denominan gluones, fotones,

gravitones y bosones vectoriales.

Cada una de estas partículas tiene su antipartícula que es una idéntica a ella

pero con la carga opuesta y que cuando interaccionan se destruyen apareciendo

cuantos de energía. Luego forma en conjunto un grupo de 24.

Esto es lo que se conoce con el nombre de modelo estándar y con el los físicos

han explicado la estructura de las restantes ver apéndice 4. Todavía hay puntos

donde falla y tienen que seguir trabajando.

Además hay preguntas que hasta el momento no tienen respuestas como son:

• ¿Por qué son así y no de otra forma?

• ¿Será el último eslabón o esas estarán formadas por otras?

• ¿Por qué lo que abunda son las partículas y no las antipartículas?

• ¿Cómo se integra la gravedad a este cuadro?

Estos son parte de los retos de la ciencia para el futuro.

6.- EJERCICIOS:

1.- ¿Qué partículas componen el núcleo del átomo?

2.- ¿Qué es una transformación nuclear?

3.- Explique que es el defecto de masa?

4.- ¿A qué se le llama energía de enlace?

5.- ¿A qué se denomina radiactividad natural?

6.- Haga un resumen de las radiaciones que el núcleo atómico emite.

7.- Haga un resumen de las propiedades que los científicos han encontrado de

estas radiaciones.

8.- Explique a que se le llama isótopo.

9.- Explique que es el período de semidesintegración.

10.- Explique la diferencia entre radiactividad natural y artificial.

11.- Indaga acerca de los equipos que los científicos utilizan para medir las

radiaciones nucleares. Elabora un informe.

12.- Explica que utilidad práctica posee el período de semidesintegración.

13.- Indaga en las aplicaciones que las radiaciones nucleares tienen en la

medicina. Elabora un informe.

14.- Indaga en las aplicaciones que las radiaciones nucleares tienen en la

agricultura y la industria. Elabora un informe.

15.-Explica la diferencia entre fisión y fusión nuclear.

16.-Indaga sobre el uso pacífico de la energía nuclear. Elabora un informe.

17.- ¿Qué ventajas tendría el uso controlado de la energía termonuclear

para producir electricidad?

18.- Explique a que se denomina fuentes autónomas de energía de escasa

potencia. Ponga ejemplos.

19.- En el caso de la energía termonuclear haga un resumen de las teorías

que los científicos aceptan sobre la fuente de energía de las estrellas.

20.- Indaga en los efectos nocivos que aparecen en la producción de

energía eléctrica mediante la energía nuclear. Elabora un informe.

21.- Indaga sobre el uso bélico de la energía nuclear y termonuclear.

Elabora un informe.

22.- ¿A qué se denominan partículas elementales? ¿Cuáles se consideran

hoy en día?

APENDICE 1

TABLA 3.4

PRODUCCION DE ENERGÍA ELECTRICA DE

ORIGEN NUCLEAR POR PAISES

Electricidad de origen nucleaElectricidad de origen nucleaElectricidad de origen nucleaElectricidad de origen nuclearrrr Producción

PAÍS PRODUCCIÓN EN 1995* (TWh**)

Estados Unidos 705,7

Francia 377,3

Japón 287,8

Alemania 154,1

Canadá 100,3

Rusia 98,7

Reino Unido (1994) 89,5

Ucrania 70,5

Suecia 69,9

Corea del Sur 64,0

España 55,4

Bélgica 41,4

Suiza 24,8

* Sólo se recogen las producciones superiores a 20 TWh ** 1 teravatio hora (TWh) = 10

12 Wh = 10

9 kWh Fuente: Comisariado para la Energía Atómica (CEA)

Proporción de la producción de origen nuclear

PAÍS

PROPORCIÓN DE LA PRODUCCIÓN ELÉCTRICA DE ORIGEN NUCLEAR EN 1995* (%)

Lituania 87,5

Francia 76,0

Bélgica 55,3

Brasil 55,3

Suecia 47,0

Bulgaria 46,1

Eslovaquia 44,0

Hungría 42,3

Suiza 38,9

Ucrania 36,7

Corea del Sur 36,2

Japón 33,0

España 32,9

Alemania 29,9

Reino Unido 26,4

República Checa 26,4

Finlandia 26,0

Eslovenia 23,0

Estados Unidos 22,5

Canadá 17,0

Argentina 11,8

Rusia 11,5

* Sólo se recogen los porcentajes superiores al 10%. Fuente: Comisariado para la Energía Atómica (CEA)

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APENDICE 2

PROYECTO MANHATTAN

En 1939 un grupo de científicos convencen a Einstein para redacte y firme una

carta dirigida al presidente de EE.UU.) (período 1933 – 1945) Franklin D.

Roosevelt (1882 – 1945) alertándolo sobre lo que significaba la creación de un

arma con las ideas de la reacción en cadena y que los nazis pudieran estar

haciendo esfuerzos para su fabricación. Estos mismos hombres con anterioridad

le habían enviado una carta al presidente pero no obtuvieron su atención. La

carta la firmó solamente Einstein y esta vez si obtuvo la atención creándose el

proyecto Manhattan para el estudio y fabricación de la bomba atómica. Este

proyecto comenzó a funcionar en 1942 en Los Álamos en el desierto de Nevada

y estuvo dirigido por el físico norteamericano Robert Oppenheimer (1904 –

1967). En el trabajaron gran cantidad de celebridades físicas de países

europeos (muchos de ellos premios Nobel), que habían llegado a EE.UU.

huyendo del régimen nazi. Entre ellos estaban Enrico Fermi (1901 – 1954)

(italiano), Leo Szilardi (1898 – 1964) (húngaro), Edward Teller (1908 – 2003)

(húngaro). También había físicos norteamericanos como Richard Feynman

(1918 – 1988). Se trabajó con la idea de adelantarse a los nazis, por lo que

representaba que ellos la pudieran obtener primero.

(Paralelamente en el terreno militar los aliados realizaron operaciones para

obstaculizar el desarrollo de esta actividad por los nazis).

En 1945 cuando ya la bomba era un hecho, Einstein vuelve a escribir a

Roosevelt para que no la utilice.

La primera bomba fue probada el 16 de Julio de 1945 en Nuevo México.

El 6 de Agosto de 1945 fue lanzada sobre la ciudad de Hiroshima y tres días

después el 9 de Agosto se lanzó la segunda sobre la ciudad de Nagasaki en un

acto de genocidio para el cuál nunca habrá justificación, agréguele a ello que la

guerra estaba ganada los alemanes ya se habían rendido en Mayo, era solo

cuestión de poco tiempo.

Bomba atómicaBomba atómicaBomba atómicaBomba atómica Cuando una bomba atómica explota, la bola de fuego provoca ondas de choque y de calor que destruyen las construcciones en las proximidades de la explosión. En su ascenso, la bola de fuego aspira los restos y forma una nube en forma de hongo. Los daños pueden extenderse sobre áreas enormes. Por ejemplo el radio de deterioro extremo puede ser de unos 18 kilómetros para una explosión de 10 megatones. Los residuos radiactivos pueden dispersarse por todo el mundo a través de los procesos atmosféricos provocando lluvias ácidas que afectan los suelos y la vegetación, entre otros.

Figura 3.9

APENDICE 3 TABLA 3.5

PRINCIPALES ETAPAS DEL CICLO DE COMBUSTIBLE NUCLEAR

Apéndice 4 TABLA DE PARTÍCULAS ELEMENTALES

Tabla 5.6 pag. 118 libro de Física 12 grado primera parte P.E. 1991

Etapas Acciones Consecuencias medioambientales

Minería y procesado inicial del mineral de Uranio.

Extracción, trituración y concentración.

Ganga con residuos radiactivos. Contaminación.

Conversión y enriquecimiento.

Obtención de Hexafloruro de Uranio. UF6 Enriquecimiento de la mezcla isotópica en U235.

Residuos líquidos y gaseosos radiactivos

Fabricación de elementos combustibles.

Obtención y sinterización del Óxido de Uranio. UO2 Conformación de los "elementos combustibles".

Residuos líquidos y gaseosos radiactivos

Uso de combustible en el reactor.

Reacción nuclear en cadena controlada en el reactor nuclear.

Residuos líquidos y gaseosos radiactivos Productos de la fisión

Reelaboración. Separación del Uranio no quemado, del Pu y otros productos de la fisión.

Desechos líquidos radiactivos