TEMA 1: ORIGENES DE LA TEORIA CUANTICA DEL ATOMO

TEMA 1: ORIGENES DE LA
TEORIA CUANTICA DEL ATOMO
Antecedentes
z Kanada, filosofo hindú ( V a.C.)
materia discontinua, partículas eternas, muy pequeñas
y en continuo movimiento.
z Leucipo, filosofo jónico ( V a. C.)”Nada ocurre
caprichosamente hay una razón necesaria para todo”
Principio de causalidad.
Paradoja de Parménides.
“Átomo”
Principio de conservación de materia y energía.
z Demócrito “ sensaciones y pensamientos son solo
apariencias , la única realidad son los átomos: posición,
forma, tamaño e impenetrabilidad.
z Aristóteles
Antecedentes
z
z
z
z
z
………………………………….
Alquimistas, filósofos Edad Media
Ley de conservación de la masa, A. Lavoisier( 1743-1794)
Ley de las proporciones definidas, J. L. Proust ( 1754-1826)
“Nueva teoría atómica” (1803-1808), J. Dalton (1766-1844)
J. Dalton
A. Lavoisier
L. Proust
Teoria atómica de Dalton
z Toda la materia esta compuesta por partículas diminutas
indestructibles e indivisibles “átomos”.
z Un átomo es una partícula de materia, extremadamente
pequeña que mantiene su identidad durante las reacciones.
z Todos los átomos de un elemento son idénticos y tienen las
mismas propiedades( masa) y son diferentes a los de otro
elemento.
z Los átomos de los elementos se combinan entre si para dar
compuestos.
z En el transcurso de una reacción química se produce un
reordenamiento de los átomos. Los átomos no se crean , no
se destruyen ni se descomponen en partes más pequeñas.
Descubrimiento de las partículas
subatómicas.
Naturaleza eléctrica de la materia.
•Experimentos en tubos de rayos catódicos. Descubrimiento
del electrón.
Tubo Crookes
Cuando se aplica una diferencia de potencial entre los electrodos ( metálicos), del
que tiene signo negativo ( cátodo) surge un chorro de corriente . Rayos catódicos
Descubrimiento de las partículas
subatómicas.
Naturaleza eléctrica de la materia.
•Experimentos de tubos de rayos catódicos. Descubrimiénto
del electrón. Observaciones
Si se aplica un campo
eléctrico los rayos catódicos
se desvían hacia el polo
positivo
Descubrimiento de las partículas
subatómicas.
Naturaleza eléctrica de la materia.
•Experimentos de tubos de rayos catódicos. Descubrimiénto
del electrón. Observaciones
Si se aplica un campo
eléctrico los rayos catódicos
se desvían hacia el polo
positivo
Si se aplica un campo
magnético los rayos
catódicos se desvían hacia el
polo norte del campo
Descubrimiento de las partículas
subatómicas.
Naturaleza eléctrica de la materia.
•Experimentos de tubos de rayos catódicos. Decubrimiénto
del electrón. Observaciones
Si se aplica un campo
eléctrico los rayos catódicos
se desvían hacia el polo
positivo
Si se aplica un campo
magnético los rayos
catódicos se desvían hacia el
polo norte del campo
Este comportamiento indica que la carga de los rayos catódicos es negativa
Descubrimiento de las partículas
subatómicas.
Naturaleza eléctrica de la materia.
•Experimentos de tubos de rayos catódicos. Descubrimiento
del electrón. Observaciones
La sombra de un pequeño objeto se
proyecta, si este se coloca en la
trayectoria de los rayos catódicos. Se
mueven en línea recta.
Si se coloca una rueda en su
trayectoria se observa el giro de las
aspas de la rueda. Las partículas de
los rayos catódicos le transmiten
cantidad de movimiento .Tienen masa
Descubrimiento de las partículas
subatómicas
Naturaleza eléctrica de la materia.
•Experimentos de tubos de rayos catódicos. Decubrimiento
del electrón. Observaciones.
Este comportamiento de los rayos catódicos es independiente del material de
los electrodos y del gas del tubo.
J.J. Thomson (1856-1940) en 1897 concluye que lo rayos
catódicos están constituidos por partículas fundamentales con
masa y cargadas negativamente. Electrones ( George Stoney)
Modelo atómico de Thomson”budin de ciruela”
Descubrimiento de las partículas
subatómicas.
Naturaleza eléctrica de la materia.
•Experimentos de tubos de rayos catódicos. Experimento de
Thomson. Determinación carga/masa
En presencia solo de H, una carga e (-) y masa m
FH = Hev
V y trayectoria circular, r
mv2
FH =
r
mv2
Hev=
r
¿v?
e
v
=
m Hr
Descubrimiento de las partículas
subatómicas.
Naturaleza
eléctrica de la materia.
•Experimentos de tubos de rayos catódicos. Experimento de
Thomson. Determinación carga/masa
e
v
=
¿v?
m Hr
FE = Ee
H+E
F E = Ee
Se obliga al haz de rayos
catódicos a volver a su
trayectoria rectilínea
E
F =FH
Ee = Hev
v=
e
= − 1 . 76 x 10
m
8
E
H
Culombio/gramo
e
E
= 2
m H r
Descubrimiento de las partículas
subatómicas.
Naturaleza eléctrica de la materia.
•Experimentos de Millikan. Determinación carga del electrón
Robert Millikan (1868-1953)
ne=n 1,6 x 10-19 Culombios
e= 1,6 x 10-19 Culombios
e
= −1.76 x 108 Culombios/g
m
neE
mg
e
− 1,6 x10 − 19 C
m =
=
= 9,09 x10 − 28 g
e e/m
− 1,76 x10 8 C / g
Descubrimiento de las partículas
subatómicas.
Experimentos de rayos canales.
Eugene Goldestein, (1850-1930), 1886
Formados por cargas +
En la relación e/m si que influye el gas de
llenado del tubo.
Carga + es múltiplo de la carga
fundamental. Esta relación es menor que
para los electrónes.
Carga += carga del electrón y masa 1836
veces la del electrón.
Formación de iones
Descubrimiento de las partículas
subatómicas.
Descubrimiento del protón
Rutherford, 1919, experimentos de dispersión de partículas α por átomos de N
Descubrimiento del neutrón
James Chadwick, (1891-1974), 1932
4He
2
+94Be
12C
6
+
1n
0
Átomo nuclear
Experimento de Rutherford
Radiactividad
Rutherford y Geiger, 1909
•La mayoría de las partículas
atravesaban la lámina sin
desviarse.
•Algunas se desviaban
ligeramente.
Partículas α
•Unas pocas, 1/20.000 se
desviaban considerablemente.
•Muy pocas no atravesaban la
lámina, rebotaban en ella.
Átomo nuclear . Modelo de Rutherford
Átomo nuclear . Modelo de Rutherford
No indicaba claramente como se
organizan los e-, entorno al núcleo.
Física clásica. Sistema de fuerzas
centrales. Sistema planetario
q1q2 Zee
Fa =
=
r
r
m e ve
Fc =
r
2
r
Fa= Fc
+
ET=Ec+Ep
2
1 Ze
ET = −
2 r
Al moverse el electrón en su órbita, se
acelera y su radio disminuye, pierde energía,
origina un movimiento en espiral que le
precipita sobre el núcleo.
•Radiación electromagnética
0
v = λυ
c = λυ
= 2,9979x 108 m s-1
Velocidad de la luz en el vacío, c
λ= longitud de onda ( m, nm,μm, pm, A)
ν= frecuencia ( s-1)
ν -1= número de onda
Espectro electromagnético
•Espectros atómicos
Espectro del átomo de H
⎛ 1 1 ⎞
= R⎜ 2 − 2 ⎟
λ
⎝2 n ⎠
1
⎛ 1
1 ⎞
⎜
= R⎜ 2 − 2 ⎟⎟
λ
⎝ n1 n2 ⎠
1
n=3, 4, 5.....
n2 > n1
Ecuación de Balmer
Ecuación de Rydberg
R= 1,097 x 10 7 m-1= 109,678 cm-1
Rydber (1854-1919)
Radiación del cuerpo negro
Lord Rayleigh, expresión
teórica a partir del
principio de equipartición
de la E.
⎛ 2πkT ⎞
R (υ ) = ⎜ 2 ⎟υ 2
⎝ c ⎠
k= constante de Boltzman
Hipótesis de Planck
Los átomos o moléculas, del cuerpo negro, emiten o absorben
radiación a una determinada ν, no de forma continua.
ΔE = hυ
2πh
R(υ ) = 2 −
c
h= 6,626 x 10-34 J s
υ3
e
⎛ hυ ⎞
⎜
⎟
kT
⎝
⎠
−1
Efecto fotoeléctrico, Hertz 1888
Observaciones
E≥Φ Si hay efecto
fotoeléctrico
E <Φ
No hay efecto fotoeléctrico
•Existencia de una frecuencia umbral,ν0,
característica de cada metal. Función de
trabajo(Φ).
•El número de electrones que se emiten
dependen de la intensidad de la radiación,
no de la energía de los electrones.
•La energía de los electrones depende de
la frecuencia de la radiación.
Efecto fotoeléctrico. Einstein, 1905 introduce hipótesis
de Planck para explicar este efecto.
ν ≥ν0
ν <ν0
Eυ = Φ + Ec
1
2
hυ = Φ + me ve
2
1
2
hυ = hυ 0 + me ve
2
La luz formada por partículas, fotones
Átomo de Bohr
Niels Bohr (1885-1962), en 1912
•El electrón se mueve en órbitas circulares alrededor del núcleo.
•El electrón tiene un conjunto fijo de órbitas permitidas, (estados estacionarios).
Mientras permanece en estas órbitas su energía es constante y no emite
energía (luz). En estas órbitas se cumple que: el Impulso angular del electrón
debe ser un múltiplo entero de h/2π
mvr=n h/2π, n= 1, 2, 3, .......
•Un electrón solamente puede pasar de una órbita permitida a otra permitida.
En estas transiciones están implicadas cantidades discretas y fijas de energía
de acuerdo con la ecuación de Planck.
Átomo de Bohr
Bohr-Sommerfield
¿Cómo se disponen los electrones en los átomos?
¿Cómo se comportan?
Mecánica ondulatoria/Mecanica Cuática
•Dualidad onda-corpúsculo.
Einstein
Propiedades corpusculares
de la luz ( fotones)
Louis de Broglie (), 1924
A partir de la ec. Relativista de Einstein
h
h
λ= =
P mv
λ= Longitud de onda de deBroglie
Principio de Incertidumbre
Heinsenberg, Bohr
ΔxΔP ≥ h
4π
Ver al electrón, supongamos, H, primera órbita, r≅ 53 pm,
d ≅ 100 pm, 10-10 m; Los e, menores d≅ 10-14
microscopio, λ=10-14 m, E(λ=10-14 m)= 2 x 10-11J.
EI(H)= 2,1 x 10-18 J