2. Las cantidades discretas de energía (paquetes de energía) que forman un rayo de luz se conocen con el nombre de

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1 Nº GUÍA PRÁCTICA Mundo atómico Ejercicios PSU 1. En el experimento de Rutherford las partículas utilizadas fueron A) beta B) alfa C) gamma D) rayos x E) infrarrojas 2. Las cantidades discretas de energía (paquetes de energía) que forman un rayo de luz se conocen con el nombre de A) cuantos. B) electrones. C) protones. D) neutrones. E) radiactividad. Programa Electivo Ciencias Básicas Física 3. Cuando un electrón excitado pasa a un nivel de menor energía en un átomo, este electrón A) emite una cantidad defi nida de energía en forma de luz o radiación. B) absorbe una cantidad defi nida de luz. C) absorbe una cantidad defi nida de energía. D) se aleja del núcleo. E) absorbe un cuanto. 4. Respecto a las limitaciones que presentaba el modelo atómico de Rutherford, el comportamiento del electrón antes de la catástrofe atómica consistía en que I) giraba acercándose constantemente al núcleo atómico. II) emitía energía en forma de radiación electromagnética. III) giraba aumentando su frecuencia de revolución. GUICEL011FS11-A16V1 Es (son) correcta(s) A) solo I. B) solo II. C) solo III. D) solo I y II. E) I, II y III. 1

2 Ciencias Básicas Electivo Física 5. Una partícula desconocida oscila emitiendo una radiación electromagnética de frecuencia [Hz]. Cuál es la cantidad de energía que emite dicha partícula? Considere la constante de Planck igual a 6, [J s] A) 6, [J] B) 6, [J] C) 6, [J] D) 6, [J] E) 6, [J] 6. Dentro de las características del modelo atómico de Rutherford se encuentra que el átomo A) es negativo, porque tiene electrones. B) es positivo, porque tiene protones. C) no tiene núcleo. D) tiene un remolino de protones girando en torno al núcleo. E) es neutro, porque el número de electrones es igual al de protones. 7. El modelo atómico compuesto por un conjunto de electrones incrustados en una masa esférica de densidad uniforme y carga positiva, de manera que el conjunto es neutro y estable, fue propuesto Electrón por A) Dalton. B) Demócrito. C) Thomson. D) Rutherford. E) Planck. Materia cargada positivamente 8. El electrón se mueve en órbitas circulares alrededor del núcleo bajo la infl uencia de fuerzas eléctricas de atracción. Considerando que el fragmento anterior es extracto de un texto de Ciencias que aborda los modelos atómicos, es correcto afi rmar que corresponde a A) una ley. B) una observación. C) una conclusión. D) un postulado. E) un principio físico. 9. En 1913 Niels Bohr propone un nuevo modelo atómico, en el que se mantiene la estructura planetaria propuesta por A) Dalton. B) Demócrito. C) Thomson. D) Rutherford. E) Planck. 2

3 GUIA PRÁCTICA 10. Los constituyentes del núcleo atómico, a excepción del hidrógeno común, son A) protones y electrones. B) neutrones y electrones. C) protones y neutrones. D) solamente neutrones. E) solamente electrones. 11. Cuál de los siguientes elementos contiene el mayor número de neutrones? A) Cd B) In C) Ag D) Ag E) Cd Respecto a los isótopos del hidrógeno, cuál de las siguientes alternativas es correcta? A) El hidrógeno común contiene en su núcleo 1 protón y 1 neutrón. B) El deuterio contiene en su núcleo 1 protón y 1 neutrón. C) El tritio contiene en su núcleo 3 neutrones. D) El deuterio contiene en su núcleo 2 protones. E) El tritio contiene en su núcleo 3 protones. 13. Se tiene inicialmente una masa de 200 gramos de una sustancia radiactiva. Si al cabo de 21 días se tiene la mitad de esta sustancia, cuál es el doble de su periodo de semidesintegración, en días? A) 10,5 B) 21,0 C) 31,5 D) 42,0 E) 84,0 14. El siguiente gráfi co corresponde a la curva de decaimiento radiactivo de cierto isótopo. Si N 0 es el número inicial de núcleos existentes en la muestra, cuál es su periodo de semidesintegración? A) 10 días B) 15 días C) 30 días D) 60 días E) 90 días Nº de núcleos N 0 N 0 4 N t (días) 3

4 Ciencias Básicas Electivo Física 15. Una reacción nuclear se caracteriza principalmente porque I) pequeñas cantidades de masa se transforman en grandes cantidades de energía. II) la cantidad de energía desprendida es igual al producto entre la masa y la rapidez de la luz en el vacío al cuadrado. III) grandes cantidades de masa se transforman en grandes cantidades de energía. Es (son) correcta(s) A) solo I. B) solo II. C) solo III. D) solo I y II. E) solo II y III. 16. En la fi sión nuclear del Uranio235, el núcleo del átomo es bombardeado con A) un protón. B) un electrón. C) partículas. D) un neutrón. E) partículas. 17. En el proceso de la fisión nuclear se afi rma que I) se produce energía. II) se liberan neutrones. III) los productos de la fisión son radiactivos. Es (son) correcta(s) A) solo I. B) solo II. C) solo III. D) solo I y II. E) I, II y III. 4

5 GUIA PRÁCTICA 18. Una fuente radiactiva se encuentra dentro de tres cajas de distinto material, tal como muestra la figura. El material de estas cajas, desde adentro hacia afuera, es: cartón de 1 [mm] de espesor, aluminio de 2 [cm] de espesor, y plomo de 1 [cm] de espesor. Respecto a lo anterior, es correcto afirmar que I) el cartón detendrá las emisiones. II) solo el plomo detendrá las emisiones. III) el aluminio detendrá las emisiones. A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) Solo I y II E) Solo II y III 19. Respecto a la fuerza nuclear débil, es correcto afi rmar que I) es responsable de la desintegración de algunos núcleos inestables. II) a distancias nucleares supera a la fuerza gravitatoria. III) a distancias mayores a [m] es prácticamente nula. A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) Solo I y II E) I, II y III 20. Al unirse dos núcleos livianos, uno de tritio y otro de deuterio, dan origen a un núcleo de helio más un neutrón, además de liberar una gran cantidad de energía. Respecto a lo anterior, se afirma que este proceso I) se denomina fusión nuclear. II) es el que se realiza en el Sol. III) no deja residuos radiactivos. Es (son) correcta(s) A) solo I. B) solo II. C) solo III. D) solo I y II. E) I, II y III. 5

6 Ciencias Básicas Electivo Física Tabla de corrección Ítem Alternativa Habilidad 1 Reconocimiento 2 Reconocimiento 3 Reconocimiento 4 Reconocimiento 5 Aplicación 6 Reconocimiento 7 Reconocimiento 8 Comprensión 9 Reconocimiento 10 Reconocimiento 11 Comprensión 12 Reconocimiento 13 Aplicación 14 Aplicación 15 Reconocimiento 16 Reconocimiento 17 Reconocimiento 18 Comprensión 19 Reconocimiento 20 Reconocimiento 6

7 GUIA PRÁCTICA Resumen de contenidos 1. Evolución del átomo En el siglo V a.c., el fi lósofo griego Demócrito expresó la idea de que toda la materia estaba formada por partículas muy pequeñas e indivisibles a las que llamó átomos ( sin división ). Características de los modelos atómicos: Modelo de Dalton: Los elementos están formados por partículas esféricas extremadamente pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir. Átomos de hidrógeno Átomos de oxígeno Átomos de bromo Todos los átomos de un mismo elemento químico son idénticos en su masa y demás propiedades. Los átomos de diferentes elementos químicos son distintos. En particular, sus masas son diferentes. Los átomos son indestructibles y mantienen su identidad en los cambios químicos. Descubrimiento del protón: En 1886 Eugen Goldstein utilizó el tubo de rayos catódicos perforado y observó otro tipo de rayos que procedían del ánodo; estos atravesaban las perforaciones del cátodo iluminando la zona posterior a este. El estudio de estos rayos determinó que estaban formados por partículas de carga positiva. El experimento de Rutherford, en 1918 estableció defi nitivamente que el protón era un componente del núcleo. El protón es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva y una masa veces superior a la de un electrón. Sufre desviaciones por campos electromagnéticos. Descubrimiento del electrón: En 1897 la primera de las partículas subatómicas es descubierta por Joseph John Thomson. Demostró que esta era aproximadamente mil veces más ligera que el hidrógeno. Sus experimentos con rayos catódicos le condujeron al descubrimiento de los electrones y de las partículas subatómicas. Modelo de Thomson: Joseph Thomson cambió dramáticamente la visión moderna del átomo con el descubrimiento del electrón. Thomson propuso que el átomo estaba formado por un conjunto de electrones incrustados en una masa esférica de densidad uniforme y carga positiva, de manera que el conjunto era neutro y estable

8 Ciencias Básicas Electivo Física Experimento de Rutherford: Ernest Rutherford ejecutó una serie de experimentos con partículas (núcleos de helio formados por dos protones y dos neutrones, siendo su carga positiva). La experiencia más importante consistió en bombardear una fi nísima lámina de oro con estas partículas, la cuales fi nalmente eran recogidas sobre una pantalla de sulfuro de zinc. Partículas alfa Átomos de oro Partículas alfa Experimento de Rutherford Fuente de partículas alfa Lámina de oro Detector de partículas El resultado del experimento fue sorprendente: algunas partículas atravesaban la lámina sin desviarse o eran desviadas en pequeños ángulos. Otras eran dispersadas en ángulos bastante grandes, incluso en 180. Rutherford concluyó que los átomos estaban casi vacíos, pues la mayoría de las partículas los atravesaban. Dentro del átomo tendría que haber una masa con carga positiva, con la que algunas partículas se encontraban, retrocediendo o desviándose. Esta masa era sufi ciente como para que las pesadas partículas no la hicieran a un lado. Había descubierto el núcleo atómico. Modelo Rutherford: El átomo consiste en un pequeño y denso núcleo de partículas cargadas positivamente en el centro (o núcleo), rodeado por un remolino de electrones. Es neutro, porque el número de electrones es igual al de protones. Limitaciones del modelo de Rutherford: Toda carga acelerada, como es el caso del electrón cuando gira describiendo una órbita, emite energía en forma de radiación electromagnética. En consecuencia, el electrón emite energía, provocando que su frecuencia de revolución aumente, girando a distancias del núcleo cada vez más cortas, hasta que fi nalmente termina precipitándose en él (catástrofe atómica). No explicaba los espectros atómicos. Descubrimiento del neutrón: El descubrimiento de esta tercera partícula fundamental no fue hecho sino hasta 1932, por el físico inglés James Chadwick. La dificultad de este descubrimiento consistía en que esta partícula carecía de carga eléctrica. Su descubrimiento resolvió el problema de la radiación alfa e introdujo una mejora al modelo atómico de Rutherford, que quedó completado en los siguientes términos: 1. Los átomos constan de núcleos muy pequeños y sumamente densos, rodeados de una nube de electrones a distancias relativamente grandes de los núcleos. 2. Todos los núcleos contienen protones. 3. Los núcleos de todos los átomos, con excepción de la forma más común de hidrógeno, también contienen neutrones. 8

9 GUIA PRÁCTICA 2. Teoría mecánico-cuántica Postulados de Planck: 1. La materia está formada por partículas que oscilan, emitiendo energía en forma de radiación electromagnética. 2. La energía que emiten estas partículas no puede tener cualquier valor, sino tan solo algunos valores que son múltiplos de una cantidad discreta de energía (paquetes de energía), llamados cuantos. 3. El valor de un cuanto es directamente proporcional a la frecuencia de la radiación emitida. E cuanto = h f Donde: E cuanto f h : energía de un cuanto. : frecuencia de la radiación emitida. : constante de Planck, cuyo valor es 6, [J s] Efecto fotoeléctrico: Es la emisión de electrones de un metal, cuando sobre él incide luz visible o ultravioleta L K M e Efecto Compton: Consiste en el aumento de la longitud de onda de un fotón de rayos X cuando choca con un electrón libre y pierde parte de su energía. La frecuencia o la longitud de onda de la radiación dispersada depende de la dirección de dispersión. Modelo de Bohr: Niels Bohr propone un nuevo modelo atómico, en el que se mantiene la estructura planetaria propuesta por Rutherford, pero se utilizan los principios cuánticos sobre la emisión de energía, introduciendo una serie de condiciones sobre el comportamiento del electrón. Para realizar su modelo, utiliza el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo y girando a su alrededor un electrón. + 9

10 Ciencias Básicas Electivo Física Características del modelo de Bohr: 1. El electrón se mueve siguiendo órbitas circulares alrededor del núcleo, llamadas órbitas electrónicas. n = 3 n = 2 2. Cada una de estas corresponde a un nivel de energía permitido, es n = 1 decir, la energía del electrón dentro del átomo está cuantizada y bien defi nida. +Ze E = hf 3. El átomo tiene siete órbitas. 4. Las órbitas más cercanas al núcleo corresponden a estados estacionarios de menor energía. Los niveles de energía permitidos al electrón son aquellos en los que su momento angular (L = m v r) es un múltiplo entero de h 2. Donde: m : masa de electrón v : velocidad del electrón r : radio de la órbita h : constante de Planck n : número entero positivo. L = m v r = n h 2 Espectros atómicos: Mientras el electrón permanece en una de estas órbitas permitidas, no se emite energía. Cuando el electrón se mueve desde un nivel energético mayor a uno menor, libera energía en forma de luz. Cuando el electrón sube de nivel, absorbe energía. La energía emitida o absorvida por el electrón será: E = E f E i = h f Átomo de fósforo (P) Fotón ultravioleta Fotón ultravioleta (P) Electrón excitado de fósforo (P) Incompatibilidad del modelo de Bohr con comportamientos reales: 1. No se hallaba concordancia con los espectros atómicos que contienen varios electrones. (Otros átomos distintos del hidrógeno). 2. Era incapaz de explicar cómo los átomos podían formar moléculas. 10

11 GUIA PRÁCTICA 3. Núcleo atómico El átomo es la unidad básica de la materia. Está compuesto por tres tipos de partículas: protones, electrones y neutrones. El núcleo es una masa muy compacta formada por protones y neutrones, los electrones giran a su alrededor. Protón (p + ): es una partícula elemental con carga eléctrica positiva igual a 1, [C] y su masa es aproximadamente 1840 veces mayor que la del electrón. La masa del protón: 1, [kg] = 1,00727 [uma]. Neutrón (n): no tiene carga eléctrica y es casi del mismo tamaño que el protón. Los neutrones ayudan a reducir la repulsión eléctrica que existe entre los protones cargados positivamente, estabilizando el núcleo atómico. La masa del neutrón: 1, [kg] = 1,00867 [uma]. Observación Unidad de masa atómica (UMA): unidad utilizada para medir masas atómicas y moleculares. Su valor es 1, [kg] Spin: corresponde al giro del electrón dentro del orbital. En un orbital lleno existen dos electrones con spin contrario. - Se designa con del reloj. cuando el electrón gira con sentido contrario a las manecillas - Se designa con - 1 reloj. 2 cuando el electrón gira en el sentido de las manecillas del Número másico Número atómico A Z C N Símbolo químico Número de neutrones Número atómico (Z): corresponde al número de protones presentes en el núcleo atómico. Como los átomos son neutros, este número corresponde también al número de electrones del átomo. Número másico (A): corresponde a la cantidad de protones más neutrones presentes en el núcleo. El número de neutrones presentes en el núcleo se puede calcular como (A Z). 11

12 Ciencias Básicas Electivo Física 4. Tipos de átomos Isóbaros: aquellos átomos que presentan igual número másico y distinto número atómico Ar 40 20Ca Isótonos: son átomos que presentan distinto número másico y distinto número atómico, pero tienen igual número de neutrones Na 24 12Mg n = 12 n = 12 Isótopos: son aquellos átomos que presentan igual número atómico (Z), pero distinto número másico (A). Se establece en átomos de un mismo elemento. Por ejemplo, para los isótopos de hidrógeno, tenemos: - Hidrógeno común (Protio): tiene un protón en el núcleo. - Deuterio: tiene un protón y un neutrón en el núcleo. - Tritio: tiene un protón y dos neutrones en el núcleo. Protio Deuterio Tritio 1p + 1e - 1p + 1n 1e - 1e- 1p + 2n 5. Radiactividad Es la emisión de radiación desde el núcleo. La radiactividad se relaciona con la estabilidad del núcleo, la que, a su vez, depende de la proporción entre protones y neutrones existentes en él. Se llaman isótopos radiactivos o radioisótopos a todos los isótopos que emiten radiaciones. Si este proceso ocurre de manera espontánea, se llama radiactividad natural; mientras que si un núcleo estable es transformado artificialmente en radioisótopo, se dice que presenta radiactividad artifi cial. Decaimiento radiactivo: proceso en que un núcleo emite partículas, y radiación electromagnética. Periodo de semidesintegración: es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los núcleos de los átomos de un material radiactivo. Por ejemplo, si tenemos una masa m de una sustancia y al cabo de 14 días tenemos la mitad de esa sustancia (la otra mitad se ha desintegrado), diremos que su periodo de semidesintegración es de 14 días. Curva de desintegración radiactiva Nº de núcleos El periodo de semidesintegración varía para las distintas sustancias radiactivas. Sin embargo, cualquier sustancia radiactiva evoluciona en el tiempo ajustándose a una curva, como muestra la fi gura. N 0 N 0 /2 T : periodo de semidesintegración Rayos X: en el transcurso de su estudio sobre descargas eléctricas en gases, el físico alemán Wilhelm Roentgen descubrió la existencia de una radiación invisible muy penetrante que era capaz de ionizar el gas y provocar fl uorescencia en él. N 0 /4 N 0 /8 0 T 2T 3T Tiempo 12

13 GUIA PRÁCTICA Como desconocía el origen de esta radiación, le dio el nombre de rayos X. La propiedad de los rayos X de atravesar cuerpos opacos depende de la composición de estos. La madera, la carne, el papel, compuestos por elementos químicos ligeros, no absorben los rayos X, pero sí lo hacen los materiales como el plomo, el hueso y el acero, formados por elementos químicos pesados. Para sacar radiografías, solo los rayos X que llevan la dirección de la carne impresionan la placa, que aparece negra al revelarse. Por eso, los huesos aparecen blancos sobre un fondo oscuro. Emisión de una fuente radiactiva: si un rayo emitido por un elemento radiactivo se hace pasar a través de un campo magnético, la radiación se descompone en rayos, rayos y rayos. Bloque de plomo Rendija Película fotográfi ca Sustancia radiactiva Características de las diferentes emisiones Características Emisiones Emisiones Emisiones Descubrimiento En 1908 por Rutherford y Soddy En 1900, por Becquerel En 1900, por el francés P. Villard Símbolo 4 2 = 4 2 He 0-1 = 0-1 e 0 0 Naturaleza Núcleos de helio (2 protones y 2 neutrones) Electrones Radiaciones electromagnéticas muy energéticas. Velocidad 0,1c 0,9 c 1c Carga eléctrica Positiva Negativa No tiene Masa veces mayor que la del electrón 6, [kg] Ligera 9, [kg] No tiene Poder de ionización Muy alto Bajo Prácticamente nulo Poder de penetración Bajo: en el aire es de unos pocos centímetros. Para detenerla basta una hoja de papel o la piel humana. Mediano: pueden recorrer distancias de hasta 10 [m] en el aire. Pueden ser detenidas por unos milímetros de acrílico o aluminio. Muy alto: es muy difícil detenerlas. Para reducirlas se necesitan varios centímetros de plomo o 3 [m] de hormigón de alta densidad. Es afectada por campos eléctricos y magnéticos? Sí, débilmente Sí, y fuertemente por los magnéticos. No Detectores Papel fotográfico, cámara de niebla, contador de chispas, contador Geiger-Muller Papel fotográfico, cámara de niebla, contador Geiger-Muller. Papel fotográfi co, cámara de niebla, contador Geiger-Muller. Representa peligro para la salud humana Sí, si se inhala o ingresa por heridas son altamente peligrosas, pero fuera del cuerpo no. Sí, si se inhala o ingresa por heridas son altamente peligrosas, pero fuera del cuerpo no. Sí 13

14 Ciencias Básicas Electivo Física Los rayos son de baja penetrabilidad: los detiene una hoja de papel. En cambio, los rayos son alrededor de 100 veces más penetrantes y los rayos son 1000 veces más penetrantes en la materia. Plomo Grado de penetración de las distintas radiaciones Alfa Beta Rayos X Gamma Concreto Aluminio Las radiaciones (alfa) recorren una distancia muy pequeña y son detenidas por una hoja de papel o la piel del cuerpo humano. Las radiaciones (beta) recorren en el aire una distancia de un metro aproximadamente y son detenidas por unos pocos centímetros de madera o una hoja delgada de metal. Las radiaciones (gamma) recorren cientos de metros en el aire y son detenidas por una pared gruesa de plomo o cemento. 6. Núcleo atómico como fuente de energía Al medir la masa del núcleo y compararla con la masa de los nucleones (protones y neutrones) obtenida teóricamente, se descubrió algo sorprendente: se obtuvo una diferencia de masa, a la que se llamó defecto de masa. Este se produce porque parte de la masa de los neutrones se transforma en energía cuando dichas partículas se unen para formar un núcleo atómico. La energía que se desprende de la formación de un núcleo a partir de los nucleones se conoce como energía de enlace nuclear. Los procesos en los que se modifi can los núcleos de los átomos reciben el nombre de reacciones nucleares. En las reacciones nucleares, pequeñas cantidades de masa se transforman en grandes cantidades de energía, de acuerdo con la equivalencia establecida por Einstein: Donde: E : energía. m : masa. c : velocidad de propagación de la luz en el vacío. E = m c 2 14

15 GUIA PRÁCTICA Fisión nuclear: proceso en el que un núcleo pesado se separa en fragmentos de menor masa, liberándose gran cantidad de energía. Este proceso deja residuos radiactivos. Por ejemplo, el núcleo del Uranio235 se rompe en dos núcleos intermedios cuando se bombardea con neutrones. Además, se obtiene un átomo de Bario142, un átomo de Criptón91, tres neutrones y una energía de 210 (MeV), que se desprende en forma de calor. Uranio235 Neutrón Criptón MeV Bario142 Protón Los neutrones que se obtienen en la fi sión de un núcleo de Uranio235 pueden utilizarse para bombardear otros núcleos de este isótopo y provocar nuevas fi siones que, a su vez, producirán nuevos neutrones. Así, el proceso se repetirá sucesivamente. De este modo, se origina una reacción en cadena mediante la cual, en un tiempo muy breve, se consigue la fisión de un gran número de núcleos y se libera una enorme cantidad de radiación y energía. Fusión nuclear: proceso de unión de núcleos livianos para formar otro más pesado. Este proceso no deja residuos radiactivos. Deuterio Fusión Tritio La fusión de un núcleo de Deuterio con un núcleo de Tritio da lugar a la formación de un núcleo de Helio4, además de un neutrón y una energía de 17,6 (MeV), que se desprende en forma de calor. Esta es una de las reacciones mediante las que el Sol produce energía. Esta forma de producir energía todavía se encuentra en fase de estudio y desarrollo, debido a que plantea serios problemas tecnológicos que no han sido resueltos. Helio4 Neutrón Energía (17,6 MeV) Protón 15

16 Ciencias Básicas Electivo Física 5. Fuerzas fundamentales Gravitatoria: responsable de la interacción a distancia entre las masas; es la más débil de estas fuerzas. Electromagnética: responsable de los cambios físicos y químicos de átomos y moléculas. Nuclear débil: responsable de la desintegración de algunos núcleos inestables. Nuclear fuerte: responsable de la cohesión del núcleo atómico. Gravitatoria Electromagnética Fuerzas fundamentales Características Rango Ejemplo Es la más débil y afecta a todas las partículas Actúa entre partículas con carga eléctrica Fuerza atractiva y actúa a grandes distancias Actúa a distancias cortas comparadas con las fuerzas gravitatorias Cuerpos celestes Estructura atómica Nuclear fuerte Interacción que permite unirse a los Quarks. Fuerza atractiva Distancias cortas como el radio atómico [m] Interacción nucleones entre Nuclear débil Asociada a los Quarks y leptones que decaen en partículas más livianas fuerza atractiva [m] Desintegraciones beta Registro de propiedad intelectual de. Prohibida su reproducción total o parcial. 16