TEMA 1: ORIGENES DE LA TEORIA CUANTICA DEL ATOMO

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1 TEMA 1: ORIGENES DE LA TEORIA CUANTICA DEL ATOMO

2 Antecedentes Kanada, filosofo hindú ( V a.c.) materia discontinua, partículas eternas, muy pequeñas y en continuo movimiento. 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. Demócrito sensaciones y pensamientos son solo apariencias, la única realidad son los átomos: posición, forma, tamaño e impenetrabilidad. Aristóteles

3 Antecedentes. Alquimistas, filósofos Edad Media Ley de conservación de la masa, A. Lavoisier( ) Ley de las proporciones definidas, J. L. Proust ( ) Nueva teoría atómica ( ), J. Dalton ( ) J. Dalton A. Lavoisier L. Proust

4 Teoria atómica de Dalton Toda la materia esta compuesta por partículas diminutas indestructibles e indivisibles átomos. Un átomo es una partícula de materia, extremadamente pequeña que mantiene su identidad durante las reacciones. Todos los átomos de un elemento son idénticos y tienen las mismas propiedades( masa) y son diferentes a los de otro elemento. Los átomos de los elementos se combinan entre si para dar compuestos. 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.

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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 ( ) 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

11 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 Hev F H = Hev V y trayectoria circular, r 2 mv F H = r 2 = mv e v = m Hr v? r

12 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 e m F E = Ee H + E F E = Ee Se obliga al haz de rayos catódicos a volver a su trayectoria rectilínea v = Ee = Hev 8 = 1.76 x 10 Culombio/gramo E H e m = F = F E E 2 H r H

13 Descubrimiento de las partículas subatómicas. Naturaleza eléctrica de la materia. Experimentos de Millikan. Determinación carga del electrón Robert Millikan ( ) ne=n 1,6 x Culombios e= 1,6 x Culombios nee mg m e = e e / m = e m 8 = 1.76x 10 Culombios/g 1,6 x10 19 C 1,76 x10 8 C / g = 9,09 x10 28 g

14 Descubrimiento de las partículas subatómicas. Experimentos de rayos canales. Eugene Goldestein, ( ), 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

15 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, ( ), He + 9 Be C n 0

16 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/ se desviaban considerablemente. Muy pocas no atravesaban la lámina, rebotaban en ella.

17 Átomo nuclear. Modelo de Rutherford

18 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 Fa = = r Fc = mev r 2 e Zee r Fa= Fc - + r E T =Ec+Ep 1 2 Ze r 2 E T = 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.

19 Radiación electromagnética 0 v c = λυ = λυ = 2,9979x 10 8 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

20 Espectros atómicos Espectro del átomo de H = R 2 2 λ 2 n n=3, 4, 5... Ecuación de Balmer = R 2 2 n1 n2 λ n 2 > n 1 Ecuación de Rydberg R= 1,097 x 10 7 m -1 = 109,678 cm -1 Rydber ( )

21 Radiación del cuerpo negro Lord Rayleigh, expresión teórica a partir del principio de equipartición de la E. 2πkT 2 R( υ) = υ 2 c k= constante de Boltzman

22 Hipótesis de Planck Los átomos o moléculas, del cuerpo negro, emiten o absorben radiación a una determinada ν, no de forma continua. E = hυ Δ h= 6,626 x J s 1 2 ) ( 3 2 = kt h e c h R υ υ π υ

23 E <Φ Efecto fotoeléctrico, Hertz 1888 Observaciones E Φ Si hay efecto fotoeléctrico No hay efecto fotoeléctrico Existencia de una frecuencia umbral,ν 0, 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.

24 Efecto fotoeléctrico. Einstein, 1905 introduce hipótesis de Planck para explicar este efecto. ν ν 0 ν <ν 0 La luz formada por partículas, fotones E υ = Φ + Ec h = Φ m v e e υ 2 h υ = hυ m e v e

25 Átomo de Bohr Niels Bohr ( ), 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.

26 Átomo de Bohr Bohr-Sommerfield

27 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 λ = h = P h mv λ= Longitud de onda de debroglie

28 Principio de Incertidumbre Heinsenberg, Bohr ΔxΔP h 4π Ver al electrón, supongamos, H, primera órbita, r 53 pm, d 100 pm, m; Los e, menores d microscopio, λ=10-14 m, E(λ=10-14 m)= 2 x J. EI(H)= 2,1 x J