Fecha de elaboración: Agosto de 2004 Fecha de última actualización: Julio de 2010

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1 Programa elaborado por: PROGRAMA DE ESTUDIO FÍSICA ATÓMICA Y MOLECULAR Programa Educativo: Licenciatura en Física Área de Formación : Sustantiva Profesional Horas teóricas: 3 Horas prácticas: 2 Total de Horas: 5 Total de créditos: 8 Clave: F1205 Tipo : Asignatura Carácter de la Obligatoria asignatura Dr. Tito A. Ocaña Zurita Fecha de elaboración: Agosto de 2004 Fecha de última actualización: Julio de 2010 Seriación explícita Asignatura antecedente No Asignatura Subsecuente Seriación implícita Conocimientos previos: Si Conocer las leyes de Newton, Las leyes de conservación de los momentos lineales y angulares, de la energía. Presentación Para el siglo IXX, la Física Clásica había desarrollado una formulación de las leyes que rigen los fenómenos físicos hasta F1205 Física Atómica y Molecular 1/11

2 ese entonces descubiertos. Dalton había vuelto a hacer uso del concepto atomístico de los griegos que permitió, junto con Mendeleiev, poder descubrir los nuevos elementos que faltaban en la tabla periódica y, más tarde, Boltzman pudo describir las ecuaciones de la termodinámica macroscópica a partir del movimiento colectivo de los átomos microscópicos. A finales de ese mismo siglo, y con el advenimiento de equipos de medición más precisos, se detectaron nuevos fenómenos que no aceptaban explicación con las herramientas de la física clásica. Esto desencadenó una búsqueda de ideas novedosas que permitió el desarrollo de la llamada Física Moderna. En la búsqueda de un modelo para interpretar las propiedades de los átomos y de las moléculas intervienen los diversos campos de la Física Moderna; entre ellos la Física Relativística, el Efecto Fotoeléctrico y el modelo de dinámica de red de Einstein. Los descubrimientos de Millikan y Thomson de las propiedades de carga y existencia del electrón respectivamente. Y sobre todo, del advenimiento de la Mecánica Cuántica con su poderosa herramienta predictiva capaz de adelantarse a la experiencia en la predicción de nuevas partículas, ha permitido la construcción de una visión de la naturaleza de las partículas subatómicas. El estudio de los sistemas atómicos y moleculares es fundamental para la comprensión de una gran variedad de fenómenos físicos y químicos. Este curso es de carácter introductorio, aborda los contenidos con un enfoque heurístico; dejando el análisis más detallado y riguroso para estudios posteriores. Objetivo General Comprender los alcances del experimento de Mickelson y Morly para discernir los cambios propuestos por Einstein a los conceptos de espacio tiempo Comprender la dualidad onda partícula y el principio de incertidumbre de Heisenberg Calcular las orbitas de los electrones alrededor del núcleo, mediante los postulados de Bohr y Schroedinger, para átomos hidrogenoides Comprender los mecanismos que producen los fenómenos: efecto Zeeman normal y anómalo. Entender las degeneraciones de los estados electrónicos al introducir el principio de exclusión de Pauli Competencias que se desarrollaran en esta asignatura Conocimiento o Adquisición de los conocimientos básicos para explicar las propiedades físicas y químicas de los átomos y de las moléculas F1205 Física Atómica y Molecular 2/11

3 o Conocer las propiedades de las configuraciones electrónicas de un átomo hidrogenoide, y la nomenclatura atómica basada en ellas. Habilidades Capacidad de trabajar en equipo con profesionales de la química y de la industria petrolera. Para establecer semejanzas, analogías y relaciones entre variables. Para formular preguntas e hipótesis. Para interpretar y elaborar modelos. Actitudes Búsqueda de explicaciones racionales. Registrar, ordenar, analizar e interprtetar la información. Abstracción e innovación. Compartir y discutir información. Disciplina y hábito de estudio. Valores Ética profesional Respeto. Responsabilidad. Honestidad. Competencias del perfil de egreso que apoya esta asignatura Evaluará y propondrá las áreas científicas de los planes y programas de estudio desde el nivel básico hasta licenciatura, para el mejoramiento de la calidad educativa. Impartirá docencia en los niveles básico y superior para mejorar la calidad de la educación. Generará y aplicará los principios, leyes, métodos y técnicas de la física en el campo experimental para comprender y explicar fenómenos relacionados con el campo profesional. Generará y aplicará conocimiento científico en el campo de la física teórica para comprender y explicar fenómenos relacionados con el campo profesional. Planeará la realización de acciones tendientes a la difusión de las ciencias físicas para acrecentar su reconocimiento social. F1205 Física Atómica y Molecular 3/11

4 Escenario de Salón de clases, biblioteca, sala de computo, trabajo de campo, conferencias. Ideal: Dr. en Física, Dr. en Química. Perfil sugerido del docente Sugerido: Lic. en Física.. Contenido Temático 1 RELATIVIDAD CLÁSICA Objetivo particular Repasar los conceptos físicos de la mecánica clásica Repasar las transformaciones Galileana de sistemas inerciales Repasar los conceptos de conservación e invariancia Hrs. estimadas Principio clásico de la relati-vidad. Transformaciones de Galileo 1.2 Leyes de conservación 1.3 Principios de invariancia de las leyes de Newton y Comprenderá los principios físicos de invariancia del tiempo, leyes de conservación y de movimiento relativo de los sistemas inerciales exposiciones orales en el salón y Conferencias. Proponer modelos Examen escrito Evaluación de las F1205 Física Atómica y Molecular 4/11

5 del momento lineal 2 RELATIVIDAD ESPECIAL DE EINSTEIN Objetivo particular Comprender las implicaciones del experimento de Michelson Morley que llevaron a Einstein a postular su teoría de la relatividad especial Comprender las consecuencias de las transformaciones de Lorentz sobre el espacio, tiempo, masa y energía Hrs. estimadas El experimento de Michelson Morley 2.2 Postulado de Einstein 2.3 Transformaciones de Lorentz de coordenadas, tiempo y velocidades 2.4 Contracción de la longitud y dilatación del tiempo 2.5 Mecánica relativista. Masa, Momento y fuerza 2.6 Energía Cinética relativista y energía total Conocerá los postulados de Einstein y la explicación del experimento de Michelson-Morley Deducirá las transformaciones de Lorentz usando los postulados de Einstein Comprenderá las consecuencias en la medida de distancia, tiempo, masa, velocidades y energía cinética exposiciones orales en el Proponer modelos Examen escrito Evaluación de las F1205 Física Atómica y Molecular 5/11

6 3 DUALIDAD ONDA - PARTÍCULA Objetivo particular Aprenderá las bases fenomenológicas que dieron origen a la mecánica cuántica Hrs. estimadas Radiación del cuerpo negro. Postulado de Planck 3.2 Efecto fotoeléctrico 3.3 Producción de Rayos X. Difracción de RX por una red atómica. Efecto Compton 3.4 Postulado de DeBroglie 3.5 Velocidades de onda y de grupo 3.6 Principio de incertidumbre de Heisenberg Comprenderá la cuantización de las ondas electromagnética de Planck Comprenderá la interacción de un cuanto de luz con la materia en el efecto eléctrico y viceversa, la producción de un cuanto de luz en el choque de un haz de electrones Comprenderá el postulado de DeBroglie y el concepto de paquete de onda como la interpretación de una partícula Relacionará la dificultad de localizar un punto significativo de un paquete de onda con el principio de Incertidumbre exposiciones orales en el Proponer modelos Examen escrito Evaluación de las F1205 Física Atómica y Molecular 6/11

7 4 MODELOS DEL ÁTOMO Objetivo particular Aprender, con un enfoque histórico, cómo se fue desarrollando los modelos clásicos que llevaron a la comprensión de la estructura electrónica de los átomos Comprender la importante contribución del modelo de Bohr semi clásico para explicar los espectros de emisión y absorción atómica de luz y los resultados del experimento de Franck-Hertz Hrs. estimadas El descubrimiento del electrón. Modelo de Thompson 4.2 Modelo de Rutherford. 4.3 Formula de dispersión de Rutherford 4.4 Postulado de Bohr. Orbitas planetarias 4.5 Estados de energía para el átomo de hidrógeno 4.6 Espectros atómicos. Series espectrales 4.7 Correcciones para los átomos hidrogenoides 4.8 Experimento de franck - Hertz Comprenderá cómo el descubrimiento del electrón, lleva a pensar en una distribución de las cargas en el átomo Aprenderá a calcular la formula de dispersión de Rutherford y la inconsistencia de su modelo planetario Aprenderá a calcular el radio y la energía de las orbitas planetarias usando el Postulado de Bohr Comprenderá el mecanismo de absorción y emisión de energía basado en los saltos discretos de orbita exposiciones orales en el Proponer modelos Examen escrito Evaluación de las F1205 Física Atómica y Molecular 7/11

8 5 MODELO CUÁNTICO DEL ÁTOMO HIDROGENOIDE Objetivo particular Comprender cómo se puede construir la ecuación de Schroedinger a partir del Hamiltoniano clásico y de los operadores de momento lineal propuestos por schroedinger Reconocerá las situaciones bajo las cuales se usa la ecuación de Schroedinger independiente del tiempo Resolverá la ecuación de Schroedinger para el potencial Culombiano del átomo de hidrógeno Hrs. Estimadas El Hamiltoniano clásico 5.2 Los Operadores Cuánticos 5.3 Corriente de probabilidad 5.4 La ecuación de Schroedinger independiente del tiempo 5.5 La teoría de Schroedinger del átomo de hidrógeno. Potencial Coulombiano Aprenderá a usar los operadores cuánticos para obtener el Hamiltoniano Cuántico a partir del Clásico Aprenderá que cuando la energía potencial no depende del tiempo la ecuación de Schroedinger adquiere una forma mas sencilla Resolverá la ecuación para un potencial Coulombiano por el método de variables separables exposiciones orales en el Proponer modelos Examen escrito Evaluación de las F1205 Física Atómica y Molecular 8/11

9 6 NÚMEROS CUÁNTICOS Objetivo particular Aprender a usar los números cuánticos que resultan de la solución a la ecuación de Schroedinger del átomo de hidrogeno Demostrar que el número cuántico principal (n) está relacionado con la energía del electrón Demostrar que el número cuántico orbital (l) está relacionado con el momento angular total y que el número cuántico magnético (m l ) con la componente Azimutal del momento lineal Aprender el efecto producido por un campo magnético externo sobre los estados cuánticos. Efecto Zeeman normal Hrs. estimadas La ecuación Polar 6.2 La ecuación Radial 6.3 La ecuación Azimutal 6.4 Los números cuánticos principal, Orbital y Magnético 6.5 Momento Magnético de un átomo de hidrogeno 6.6 Efecto Zeeman normal 6.7 Número total de estados electrónicos. Degeneraciones Comprenderá las restricciones a los valores posibles de las ecuaciones Radial, Polar y Azimutal Asociará estos valores con los valores de energía total, Momento angular y Momento magnético del electrón en su órbita alrededor del núcleo Asociará el efecto Zeeman exposiciones orales en el Proponer modelos Examen escrito Evaluación de las F1205 Física Atómica y Molecular 9/11

10 a la interacción del momento magnético del átomo con un campo magnético externo 7 ESPECTROS ATÓMICOS Y MOLECULARES Objetivo particular Aprender la existencia del Spin Intrínseco. Postulado de Dirac Aprender las propiedades generales de las orbitas Aprender el Principio de exclusión de Pauli Aprender la nomenclatura cuántica de las configuraciones electrónicas Aprender cómo obtener cualitativamente las propiedades de los espectros atómicos y moleculares Hrs. Estimadas El Spín intrínseco 7.2 El Momento angular de Spín 7.3 El experimento de Stern- Gerlach 7.4 Energía de interacción Spín-Orbital. Estructura Fina, Efecto Zeeman Anómalo 7.5 Momento angular total 7.6 Espectro atómico y molecular Entenderá la postulación de un movimiento de rotación intrínseca del electrón alrededor de su eje Comprenderá y calculará el momento angular de Spín Calculará la energía de interacción de Spín- Orbital y el momento angular total exposiciones orales en el Proponer modelos Examen escrito Evaluación de las F1205 Física Atómica y Molecular 10/11

11 7.7 Principio de exclusión de Pauli 7.8 Tabla Periódica Comprenderá el principio de exclusión de Pauli y de las reglas de degeneración que de el resultan Bibliografía básica 1. Beiser A. (1988). Conceptos de física moderna: McGrawHill 2. Acosta V.,Cowan C. L. y Grahan B. J. (1975). Curso de física moderna: Harla 3. Ohanian H. C. (1995). Modern Physics: Prentice Hall Bibliografía complementaria 1. Cruz D., Chamizo J. Y Garritz A. (1987). Estructura atómica, un enfoque químico: Addison-Wesley Iberoamericana 2. Eisberg R. Y Resnick R., 2002, Física cuántica: Limusa 3. Resnick R. M., 1990, Relatividad especial y física cuántica: Limusa, F1205 Física Atómica y Molecular 11/11