Tema 13. Estructura del átomo

Transcripción

1 Tema 13 Estructura del átomo

2 13.1 El Electrón 13.2 Núcleo atómico y Radiactividad 13.3 Radiación y materia 13.4 Espectros de emisión y absorción 13.5 La naturaleza dual del electrón 2

3 13.1 El electrón Al hacer pasar la electricidad a través de tubos de vidrio sometidos al vacío, Faraday descubrió los RAYOS CATÓDICOS, un tipo de radiación emitida por el polo negativo o cátodo que atravesaba el tubo evacuado hacia el polo positivo o ánodo. 3

4 Faraday construyó los primeros tubos de rayos catódicos hace 150 años - vidrio Alto vacío Rayos catódicos + Cátodo (electrodo negativo) Ánodo (electrodo positivo) 4

5 - Rayos catódicos + En ausencia de campos magnéticos los rayos catódicos viajan en línea recta. Los rayos catódicos son partículas fundamentales de la materia cargadas negativamente y que se encuentran en todos los átomos. Si se les somete a campos eléctricos y magnéticos variables se puede obtener su relación q/m = -1.76x10 8 C/g (Thomson, 1897) 5

6 Esa relación q/m es independiente del material de cátodo (Fe,Pt...) Los rayos catódicos son un constituyente universal de la materia Hoy los conocemos como ELECTRONES 6

7 Millikan (1913) determinó por primera vez su carga y su masa por separado q(e - ) = C = -q(p) m(e - ) = g m(p) = m(n) = (g) La m(p) es aprox veces la m(e - ) 7

8 Roentgen (1895) Los tubos de los rayos catódicos (RC) emitían otro tipo de radiación que se descubrió al comprobar que materiales que formaban el anticátodo (lámina colocada delante del ánodo) emitían radiación con longitud de onda mínima dependiendo del material del anticátodo (ley de Moseley). Este tipo de radiación se conoce como Rayos X - e - Rayos catódicos + RAYOS X 8

9 Propiedades de los Rayos X Son muy energéticos Pueden atravesar la materia y velar placas fotográficas No se desvían de su trayectoria mediante campos magnéticos No son partículas cargadas Ahora sabemos que son una radiación electromagnética de alta energía 9

10 13.2 Núcleo atómico y radiactividad a) Núcleo atómico Experimento de Rutherford Bombardeo de una lámina de oro con partículas alfa LA MAYORIA LA TRASPASABAN SIN DESVIARSE!!! 10

11 Conclusiones del experimento de Rutherford La mayor parte de la masa y toda la carga + están concentradas en una zona muy pequeña denominada núcleo. La cantidad de carga + es diferente para distintos átomos y es aproximadadamente la mitad del peso atómico. Esta carga está contrarrestada con la de los electrones fuera del núcleo. 11

12 Radio del Núcleo: m Radio de la corteza m 12

13 b) Radiactividad: Becquerel (1896) descubrió que algunos materiales (sales de uranio) velaban las placas fotográficas en ausencia de luz. Eran materiales radiactivos Radiactividad: Emisión espontánea de radiación y partículas. El nombre de radiactividad fue sugerido por Marie Curie 13

14 Tipos de radiaciones producidos por los materiales radiactivos Material radiactivo Aislante de Pb Si un material radiactivo está encerrado en un bloque de Pb, toda la radiación excepto la que pasa a través de la abertura estrecha es absorbida por el Pb. Cuando esta radiación emitida pasa a través de un campo eléctrico, se descompone en 3 haces. Un haz permanece sin desviarse son los rayos γ. Los rayos γ son radiación del mismo tipo que los Rayos X pero más energética. Otro haz es atraído por la placa cargada negativamente, son las partículas α y el tercer haz se desvía hacia la placa positiva, son las partículas β. 14

15 Radiación y partículas emitidas en fenómenos de radiactividad α β γ núcleo de 4 He ( 4 2He 2+, 4 2α,α) electrón ( 0-1e,β -,β) fotón (radiación de alta energía) β + p n positrón ( 0 1e,β + ) protón ( 1 1H +, 1 1p, p) neutrón ( 1 0n,n) 15

16 Efectos de la radiactividad Radiación Poder penetrante relativo Protección requerida α 1 papel, piel β 100 aluminio 3mm γ cemento, plomo 16

17 Reacciones nucleares Núclido = núcleo específico con un número determinado de neutrones y protones (valores de Z y A) A X Z Símbolo Isótopo = átomo con un Z y un A fijos Reacción nuclear = Transformación de un núclido en otro. Libera gran cantidad de energía 17

18 Reacción nuclear Reacción Química Se producen nuevos elementos Cambios de energía muy grandes (1 g 235 U = 8.2 x 10 7 kj) Depende del tipo de isótopo No se producen nuevos elementos Cambios de energía moderados (combustión de 1 g CH 4 = 52 kj) No depende del isótopo 18

19 Tipos de reacciones nucleares Fisión = Un núcleo pesado (A > 200) se divide para formar núcleos más pequeños y uno o más neutrones Sr U Xe 19

20 Estabilidad nuclear Balance entre la repulsión entre los protones debida a la carga y la atracción entre las partículas del núcleo (p y n, nucleones) n 0 p n 0 n 20

21 Series radiactivas Conjunto de reacciones nucleares que conducen a un núclido estable La mayoría de las series radiactivas terminan en un isótopo del Pb Serie radiactiva del 238 U 238 U 206 Pb 235 U 207 Pb 232 U 208 Pb 21

22 Fusión = Unión de dos o más núclidos para formar otro mayor y alguna que otra partícula 14 7 N + 4 2He 17 8O + 1 1H Al + 4 2He 30 15P + 1 0n Es la base de la energía del sol 22

23 Velocidad de desintegración radiactiva Los radionúclidos tienen estabilidades diferentes y se desintegran a velocidades diferentes. Algunos se desintegran casi completamente en una fracción de segundo y otros sólo después de millones de años. Las velocidades de todas las desintegraciones radiactivas son independientes de la temperatura y obedecen a una cinética de primer orden. velocidades de desintegración = k [A] La semivida, t 1/2, de una reacción es el tiempo necesario para que reaccione la mitad de la muestra original. t 1/2 = /k 23

24 Datación radiactiva La desintegración de núclidos, de vida media conocida es la base de la datación radiactiva DATACIÓN DE MUESTRAS ORGÁNICAS El 14 C se produce continuamente en la atmósfera superior, cuando los átomos de N capturan neutrones de los rayos cósmicos N + n 14 6C + p presente en la alta atmósfera asimilado en los seres vivos MIENTRAS ESTAN VIVOS 24

25 Los átomos de C-14 reaccionan con moléculas de O 2 para formar 14 CO 2 radiactivo, que se retira de la atmósfera por fotosíntesis. El 14 CO 2 se incorpora a los organismos vivos igual que el 12 CO 2 ordinario, así que una cierta fracción de todos los átomos de C de las sustancias vivas es C

26 EQUILIBRIO Organismo VIVO 14 CO Excreción y 2 14 C/ 12 C = 1/10 12 respiración Cuando el organismo muere, el 14 C empieza a desintegrarse y ya no se produce ningún aporte más n = n 0 e -k t 14 C que queda después 14 C inicial ( 12 C/10 12 ) del tiempo t /t 1/2 despejar t 26

27 La vida media y la precisión de las medidas determinan hasta donde se puede datar con fiabilidad un resto orgánico La vida media del 14 C es de 5730 años -(t 1/2 / ln 2) ln [n / n 0 ] = t Si la máxima precisión en obtener n es el 1% n/n 0 = 0.01 como máximo t puede ser como máximo años 27

28 El 90 Sr es un isótopo radiactivo de vida media corta (28 años) Fue introducido en la atmósfera mediante las pruebas de armas nucleares, de allí pasó a al agua y a la cadena alimentaria Por su semejanza con el Ca se acumula en los huesos y puede producir leucemia y otros tipos de cáncer. 28

29 13.3 Radiación y materia La RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA es una forma de transmisión de energía en la que los campos eléctricos y magnéticos se propagan por ondas a través del espacio o a través de un medio como el vidrio. Una ONDA es una perturbación que transmite energía a través de un medio. 29

30 La luz es el tipo de radiación electromagnética que somos capaces de ver La luz y todas las demás ondas electromagnéticas son ondas transversales 30

31 Relación entre longitud de onda, λ, y frecuencia, ν λ ν = c c es la velocidad de todas las ondas electromagnéticas incluyendo la luz m/s El espectro electromagnético es el conjunto de todas las posibles longitudes de onda. 31

32 Ondas de Radio Microondas Infrarojo Ultravioleta Rayos X Rayos γ El espectro electromagnético Rotaciones Vibraciones Transiciones electrónicas UV-A nm UV-B nm UV-C nm Transiciones electrónicas internas Transiciones nucleares 32

33 13.4 Espectros de emisión y absorción Espectros de emisión: Cuando se hace pasar una descarga eléctrica a través de hidrógeno atómico a baja presión, el H reemite solamente radiación de unas pocas longitudes de onda características ENERGÍA MUESTRA EMISIÓN Se analiza la emisión de radiación por la muestra 33

34 Espectros de absorción: Energía inicial Muestra Energía final E final = E inicial E absorbida por la muestra 34

35 Absorción Emisión E E 3 h ν = E 3 -E 1 E 3 h ν = E 3 -E 1 E 2 E 2 h ν = E 2 -E 1 h ν = E 2 -E 1 E 1 E 1 35

36 Ejemplo: Espectro de absorción del O 3 Espectro de absorción de O 3 Absorción relativa λ / nm Está en la zona del UV 36

37 Intensidad relativa Sobre la estratosfera En la troposfera Como el O 3 de la estratosfera absorbe radiación UV, ésta no llega a la superficie 300 UV λ / nm Visible 37

38 EFECTO INVERNADERO El gran incremento en el uso de combustibles fósiles ha causado un aumento significativo en la concentración de CO 2 en la atmósfera. La E del sol alcanza la tierra en forma de luz. Ni el CO 2 ni el vapor de H 2 O absorbe la luz visible de la luz solar, de modo que no evitan que llegue a la superficie de la tierra. 38

39 Sin embargo, la E proporcionada por la tierra en forma de radiación IR (calor) es absorbida por el CO 2 y H 2 O. Así parte del calor que la tierra debe perder para permanecer en equilibrio térmico, queda atrapado por la atmósfera, causando que la temperatura de la tierra suba. Este fenómeno se llama EFECTO INVERNADERO. 39

40 Las principales moléculas que causan e.i. son CO 2 y H 2 O Radiación IR Luz visible (procede del Sol) Molécula de efecto invernadero Otra molécula Tierra 40

41 13.5 Naturaleza dual del electrón La idea de que la luz puede exhibir tanto propiedades ondulatorias como corpusculares, le sugirió a LOUIS DE BROGLIE (1924) que partículas muy pequeñas, como los e -, podrían también presentar propiedades ondulatorias en circunstancias apropiadas. 41

42 Deducción de la ecuación de De Broglie Ecuación de Einstein E = m c 2 m c 2 = h ν m c = h ν / c Ecuación de Planck E = h ν momento del fotón: p = m c p = h ν / λ ν c = λ ν Para aplicar esta ecuación a una partícula material, como un e - p = m v h h m v = λ = λ m v 42

43 De Broglie predijo que una partícula con una masa m y una velocidad v tendría una longitud de onda asociada. El valor numérico de esta λ está dada por esta expresión: λ = h m v 43

44 La hipótesis de De Broglie fue confirmada por Davisson y Germer en 1925 Demostraron la difracción de e - por un cristal de Ni. Este comportamiento es una característica importante de las ondas. Demostrando que los e- tienen propiedades ondulatorias Bombardeo con e - sobre un cristal de Ni Aparición de un patrón de difracción Cristal de Ni 44