1.1 DEFINICIÓN CLÁSICA DEL MOMENTO ANGU- LAR

Documentos relacionados
FÍSICA 4 PRIMER CUATRIMESTRE DE 2015 GUÍA 9: POTENCIALES EN 2-D Y 3-D, MOMENTO ANGULAR, ÁTOMO DE HIDRÓGENO, ESPÍN

Apuntes de la asignatura Química Física II (Licenciatura en Química) Tema 6: Momento angular

EL ÁTOMO DE HIDRÓGENO

Capítulo 3. Átomos Hidrogenoides.

Apuntes del Modelo del átomo hidrogenoide.

Apuntes de la asignatura Química Física II (Licenciatura en Química) Tema 4: Postulados de la Mecánica Cuántica

El ÁTOMO de HIDRÓGENO

El átomo de hidrógeno

Química Física II. Tema II

El átomo: sus partículas elementales

ATOMO DE HIDROGENO. o = permitividad al vacío = 8.85 X C 2 N -1 cm -1. = metros. F = Newtons 2. Ó (3)

Estados cuánticos para átomos polielectrónicos y espectroscopía atómica

EL MODELO ATOMICO DE BOHR

Dpto. Física y Mecánica. Operadores diferenciales

Átomo de hidrógeno. z = r cos θ B = A = r sen θ x = A cos φ = r sen θ cos φ y = A sen φ = r sen θ sen φ

ESTRUCTURA DE LA MATERIA

El operador Hamiltoniano es inmutable (simétrico) respecto a cualquier operación de simetría de un grupo.

Física cuántica I - Colección de ejercicios cortos

Otras distribuciones multivariantes

Apuntes de la asignatura Química Física II (Licenciatura en Química) Tema 7: El átomo de hidrógeno

Modelo Atómico. Thompson (1898): Esfera uniforme de materia con carga (+) en la cual se encuentran embebidos los electrones con carga (-)

Capitulo Vectores. Matías Enrique Puello Chamorro. 13 de julio de 2014

CATEDRA DE QUIMICA GENERAL TSIA

Momento angular de una partícula. Momento angular de un sólido rígido

Instituto de Física Universidad de Guanajuato Agosto 2007

VECTORES. también con letras sobre las cuales se coloca una flechita ( a ). A = módulo de A. modulo o magnitud, dirección y sentido. vector.

UNIVERSIDAD SANTO TOMAS SECCIONAL BUCARAMANGA. División de Ingenierías - Facultad de Química Ambiental

CURSO EN MÉTODOS DE LA FÍSICA

Para establecer la relación entre coordenadas cartesianas y polares es suficiente proyectar r sobre los ejes x e y. De la gráfica se sigue que:

2. MECANICA CUANTICA DE SISTEMAS ELEMENTALES.

Forma polar de números complejos (repaso breve)

La Ecuación de Schrödinger

Química Cuántica I. Reglas de Hund. Prof. Jesús Hernández Trujillo Facultad de Química, UNAM. Reglas de Hund/Jesús Hernández Trujillo p.

Universidad de San Carlos de Guatemala. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ciencias. Departamento de Química. Catedrática: Tania de León.

Solución: I.T.I. 96, 98, 02, 05, I.T.T. 96, 99, 01, curso cero de física

Universidad Central del Ecuador Facultad de Ciencias Químicas Fundamentos Espectroscópicos

Programa de Acceso Inclusivo, Equidad y Permanencia. PAIEP, Universidad de Santiago

Modelo atómico de la materia. Contenidos

MODELOS ATOMICOS. Solución Å; Ultravioleta; 1106 m/s


Algebra Lineal Xa: Álgebra Vectorial en R3

EXTRUCTURA ATOMICA ACTUAL

SIMETRIAS Y LEYES DE CONSERVACION

Respuestas del Control 1. Curso Noviembre 2008

PROBLEMAS RESUELTOS DE DISTRIBUCIÓN ELECTRONICA EN NIVELES, SUBNIVELES Y ORBITALES ATÓMICOS.

Qué es la textura de un policristal? Introducción a la textura: Conceptos básicos

Teoría de orbitales moleculares y orden de enlace Propiedades moleculares y configuraciones

1. Algunas deniciones y resultados del álgebra lineal

Los lugares geométricos de todos los puntos del espacio en los cuales la magnitud escalar tiene un mismo valor.

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Vicerrectorado Académico

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS FUNDAMENTOS ESPECTROSCOPICOS

Introducción al Estado Sólido: El amarre fuerte (tight-binding, en inglés)

Geometría de masas: Cálculos del tensor de Inercia

6 DINAMICA DEL CUERPO RIGIDO

Rectas, planos e hiperplanos

ANALISIS VECTORIAL. Vectores concurrentes: cuando se interceptan en un mismo punto.

Planos y Rectas. 19 de Marzo de 2012

Magnitudes y Unidades. Cálculo Vectorial.

Física Cuántica Partículas idénticas.

Vectores. Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Unidad Culhuacán.

Álgebra Lineal III: Planos y Líneas. Problemas Resueltos.

Operador de densidad y operadores producto en resonancia magnética nuclear

TEMA 8. GEOMETRÍA ANALÍTICA.

INTERACTIVEBOOK - Física y Química 4º ESO McGraw-Hill Education Dalton 1.2. Thomson: Descubrimiento del electrón. 1.3.

El electrón. Naturaleza. Distribución de los electrones en el átomo. Química General I

PROBLEMAS ELECTROESTÁTICA

NOTAS DE ESTUDIO DE ÁLGEBRA LINEAL M.C. MARCOS CAMPOS NAVA TEC DE ATITALAQUIA

CALCULO DIFERENCIAL Escuela Colombiana de Ingeniería. Geometría Analítica = Unión de Álgebra con la Geometría.

MÓDULO 8: VECTORES. Física

Tema 5. ENLACE COVALENTE

ENLACE QUÍMICO. Hidrógeno. Carbono. Agua. Etileno. Acetileno

Sistemas de Coordenadas

, la ley anterior se convierte en la ecuación de movimiento de la partícula: una ecuación diferencial para la posición r,

Asignaturas antecedentes y subsecuentes Electromagnetismo

MATERIA MOLÉCULAS ÁTOMOS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS. Partícula Masa (g) Carga (Coulombs) Carga unitaria. Electrón

Unidad 5: Geometría analítica del plano.

Matrices. Operaciones con matrices.

CASOS DE LA FUNCIÓN AFÍN

4. Control Vectorial. 1. Modelo dinámico del motor de inducción. 2. Control vectorial del motor de inducción. 3. Control vectorial Directo

Cuantización del campo electromagnético

Vectores. en el plano

Vectores. 1) Magnitudes físicas

Tecnología Electrónica 3º Ingeniero Aeronáutico. radiación n y antenas

Qué estudiamos en Química Orgánica? ÁTOMOS Y ELECTRONES! ENLACE QUÍMICO

Universidad Nacional de Colombia Departamento de Matemáticas Álgebra Lineal - Grupo 1 Resumen Unidad n 3

Solucionario Cuaderno Estrategias y Ejercitación Modelo atómico de la materia II: números cuánticos y configuración electrónica

Espectros de emisión y absorción.

ESTRUCTURA DE LA MATERIA QCA 05 ANDALUCÍA

RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y ESPECTROS ATÓMICOS. Tipos de radiaciones electromagnéticas según λ.

U N A M. Facultad de Ingeniería. M. C. Q. Alfredo Velásquez Márquez U N A M. Facultad de Ingeniería

Mm R 2 v= mv 2 R 24 5,98 10

Ejercicio 3.1. Sea el campo de velocidades de un escurrimiento definido por : v = x 2 yē x + x 2 tē y (3.1)

QUIMICA CUANTICA. Trabajos Prácticos: Resolución de problemas Cálculos computacionales

José Humberto Serrano Devia Página 1

Puntos y Vectores. 16 de Marzo de 2012

Generalidades del Estado Sólido

ESTADOS DE LA MATERIA. Según su tipo de enlace: Pueden ser covalentes, iónicos y metálicos

Esta definición se puede ampliar a cualquier par de bases de los espacio inicial y final MATRIZ DE UNA APLICACIÓN LINEAL EN BASES ARBITRARIAS

ELECTROTECNIA Circuitos de Corriente Alterna

La ecuación de fuerza cuántica relativista.

Transcripción:

Chapter MOMENTO ANGULAR La teoría del momento angular en mecánica cuántica es de gran importancia tanto por el número como por la variedad de sus consecuencias. A partir de la espectroscopía rotacional, que depende del momento angular de las moléculas, se consigue información acerca de las dimensiones y formas de moléculas. Utilizando los espectros de resonancia magnética nuclear y de resonancia paramagnética electrónica, cuyo origen es el momento angular de espín de núcleos y electrones, se consigue información sobre la estructura y configuración de moléculas. El momento angular orbital de los electrones en los átomos define las forma de los orbitales atómicos los cuales, a su vez, determinan la orientación de los enlaces y la estereoquímica de las moléculas. De especial importancia es el momento angular de un sistema cuando es una constante de movimiento, o sea, cuando se conserva, porque en este caso sirve para clasificar los niveles de energía del sistema.. DEFINICIÓN CLÁSICA DEL MOMENTO ANGU- LAR En mecánica clásica el momento angular de un cuerpo puntual con respecto al origen de coordenadas es, por definición, el producto vectorial del vector posición r con el momento p: L = r p.) El momento angular es un vector L cuyo origen es el centro de la órbita y cuya dirección viene dada por la regla de la mano derecha. Sus componentes: L x = yp z zp y

L y = zp x xp z.2) L z = xp y yp x y su módulo es: L = Las unidades de momento angular son: cm g cm seg L 2 x + L 2 y + L 2 z = erg seg.2 OPERADORES DE MOMENTO ANGULAR: PROPIEDADES.2. Los operadores de momento angular En mecánica cuántica los operadores de momento angular orbital se obtienen a partir de las expresiones clásicas aplicando las reglas del Postulado II y son: ˆL x = i h y z z ) y ˆL y = i h z x x ) z ˆL z = i h x y y ) x.3) ˆL 2 = ˆL ˆL = ˆL 2 x + ˆL 2 y + ˆL 2 z donde la constante h es igual a en unidades atómicas. Para poder aplicar estos operadores sobre funciones del tipo Ψr, θ, φ) es necesario expresarlos en coordenadas polares. Utilizando las relaciones: r 2 = x 2 + y 2 + z 2 z cosθ = x 2 + y 2 + z 2 ) /2 tanφ = y x 2

y recordando que las derivadas con respecto a x, y, z son: x = r x r + θ x y expresiones análogas para y y z, se obtiene: θ + φ x φ ˆL x = +i h senφ θ + cotθcosφ ) φ ) ˆL y = i h cosφ θ cotθsenφ φ ˆL z = i h φ ˆL 2 = h 2 senθ θ senθ θ + sen 2 θ 2 ) φ 2.4) Es importante notar que sólo se utiliza el operador ˆL 2 o sus componentes, pero nunca el operador ˆL directamente pues el momento angular es un vector L y no un escalar..2.2 Constantes de movimiento La condición para que el operador Ô represente una constante de movimiento de un sistema es que se cumpla la relación: ÔĤ = ĤÔ.5) donde Ĥ es el Hamiltoniano del sistema. La relación anterior implica que el conmutador: [Ô, Ĥ = ÔĤ ĤÔ.6) vale cero. En efecto, cuando dos operadores conmutan, existe un conjunto de funciones que son autofunciones de los dos operadores simultáneamente, o sea que la misma función Ψ que caracteriza el estado del sistema con energía E, ĤΨ = EΨ también caracteriza el estado del sistema con propiedad Ô igual a o: ÔΨ = oψ Dicho de otra manera, cuando el sistema se encuentra en el estado caracterizado por Ψ, su energía es E y su propiedad Ô es o. Ambos valores E y o son constantes 3

mientras el sistema permanezca en el mismo estado Ψ. La demostración es la siguiente: Sea Ψ una autofunción del Hamiltoniano, HΨ = EΨ Aplicando el operador Ô a ambos miembros de la ecuación anterior: ÔĤΨ) = ÔEΨ) y utilizando la propiedad de conmutación de Ô y Ĥ, se tiene: ĤÔΨ) = EÔΨ) o sea que ÔΨ) es una autofunción de Ĥ correspondiente al mismo autovalor E que Ψ. Esto es posible si, y sólo si, Ψ difiere de ÔΨ en una constante: ÔΨ = oψ En los casos en que Ψ es degenerada, es siempre posible construir una combinación lineal de autofunciones correspondientes a E tal que sea también autofunción de Ô. Las reglas de conmutación entre los operadores de momento angular y sus componentes pueden ser deducidas fácilmente utilizando las expresiones en coordenadas cartesianas y algunas identidades de los conmutadores como: Se cumple que: [Â + ˆB, Ĉ = [Â2 ˆB, = [ [Â, Ĉ + ˆB, Ĉ [Â, ˆB Â + Â [Â, ˆB [ˆLx, ˆL y [ˆLy, ˆL z [ˆLz, ˆL x = i hˆl z = i hˆl x.7) = i hˆl y [ˆL 2, ˆL x = [ˆL 2, ˆL y = [ˆL 2, ˆL z = 0 o sea que ˆL 2 conmuta con cualquiera de sus componentes, pero las componentes no conmutan entre sí. 4

Las propiedades de conmutación entre los operadores de momento angular orbital y el Hamiltoniano dependen del sistema y deben ser determinadas para cada problema. Frecuentemente ˆL 2 y ˆL z conmutan con Ĥ y en estos casos el módulo del momento angular y la componente sobre el eje z del momento angular son constantes de movimiento. Por ejemplo, en el caso de átomos hidrogenoides Ĥ y ˆL z conmutan: [ Ĥ = h2 2µ r 2 r 2 r r + r 2 senθ ˆL z = i h φ Ĥ ˆL z = + i 2µ h3 ˆL z Ĥ = i { 2µ h3 φ Como {[ r 2 r [ r 2 r r 2 ) + r ) + θ r 2 senθ r 2 ) + r r 2 senθ r 2 sen 2 θ 2 φ 2 Ze2 r θ senθ θ + Ze2 r θ senθ θ + Ze2 r φ + 3 } r 2 sen 2 θ φ 3 3 } + r 2 sen 2 θ φ 3 y φ r = r φ φ θ = θ φ las dos ecuaciones anteriores son iguales y: [Ĥ, ˆL z = Ĥ ˆL z ˆL z Ĥ = 0.3 AUTOFUNCIONES Y AUTOVALORES DEL MO- MENTO ANGULAR Cuál es el momento angular de un electrón de un átomo hidrogenoide cuya función de onda es Ψ? Si Ψ corresponde a un estado puro de momento angular, la función Ψ es autofunción del operador ˆL 2 : ˆL 2 Ψ nlm = cteψ nlm 5

y el autovalor es el módulo al cuadrado del momento angular del electrón. Sea, por ejemplo, la función Ψ 20 ó Ψ2p 0 ): ˆL 2 Ψ 20 = h 2 senθ θ senθ θ + = +N R 2 h 2 [ senθ = 2 h 2 N R 2 cosθ = 2 h 2 Ψ 20 θ sen2 θ sen 2 θ 2 ) θ 2 [N R 2 r)consθ El momento angular de un electrón en el estado 2p 0 es h 2. Análogamente la proyección del momento angular sobre el eje z de un electrón en el estado 2p 0 se obtiene haciendo: ˆL z Ψ 20 = i h φ N R 2r)cosθ) = 0 La proyección L z del electrón del 2p 0 es cero. En general, es fácil demostrar que las funciones Ψ nlm de los átomos hidrogenoides cumplen las relaciones: ˆL 2 Ψ nlm = ll + ) h 2 Ψ nlm.8) ˆL z Ψ nlm = m hψ nlm.9) Las funciones Ψ nlm son simultáneamente autofunciones de Ĥ, ˆL 2 y ˆL z con autovalores: ) Z2 e 2 2n 2, ll + ) h, m h a 0 respectivamente, es decir que representan estados puros de energía, momento angular, y proyección de momento angular sobre el eje z. Estas tres propiedades son constantes de movimiento para los átomos hidrogenoides. De las ecs..8 y.9 se observa que los números cuánticos l y m están directamente vinculados al momento angular y a su proyección respectivamente. Por ejemplo, si l =, el momento angular es 2 h y su proyección sobre el eje z es h, 0, ó h. Este hecho tiene implicaciones que llaman la atención. Es como si el vector L solo pudiese estar orientado de manera que el ángulo θ que forman con la dirección z fuera 35, 90, ó 45. Este fenómeno puramente cuántico se denomina cuantización espacial. Recuérdese que L es, en realidad el momento angular de una distribución electrónica Ψ Ψ. 6

Si Ψ no corresponde a un estado puro con respecto a una propiedad O, ÔΨ oψ solo se puede determinar el valor medio de esta propiedad. Es el caso por ejemplo de ˆL x y ˆL y con las funciones Ψ nlm. Las funciones Ψ nlm no corresponden a estados puros con respecto a proyecciones del momento angular sobre los ejes x y y salvo cuando l = 0). El valor medio de dichas proyecciones se puede calcular por la fórmula: ˆL x = Ψ nlm ˆLx Ψ nlm dτ Ψ nlm Ψ nlm dτ Las funciones Ψ nlm son autofunciones de ˆL 2 y ˆL z pero, en realidad la parte en r de estas funciones se comporta como una constante con respecto a estos operadores: las verdaderas autofunciones del momento angular son los armónicos esféricos Y lm θ, φ) que son también las autofunciones del rotor rígido. En efecto el operador ˆL 2 para un electrón viene dado por la ec..4 que es idéntica, salvo por una constante, a la expresión para el Hamiltoniano del rotor rígido..4 Operadores escalera Los operadores escalera se definen como: ˆL + = ˆL x + iˆl y ˆL = ˆL x iˆl y Los armónicos esféricos no son autofunciones de estos operadores. En cambio los operadores escalera tienen la propiedad de aumentar o disminuir el número cuántico m del armónico esférico: ˆL ± Y l,m = h ll + ) mm ± )Y l,m± Estos operadores tienen la ventaja de ser aditivos, es decir que, para muchos electrones, ˆL + y ˆL son la suma de los operadores correspondientes para un solo electrón: y N ˆL +, 2,...N) = ˆL + i) i= 7

N ˆL, 2,...N) = ˆL i) Lo mismo ocurre para el operador ˆL z : ˆL z, 2,...N) = i= N ˆL z i) En cambio, el operador ˆL 2 no es aditivo. Sin embargo es posible utilizar los operadores escalera para expresar ˆL 2 en términos de operadores aditivos, mediante cualquiera de las siguientes expresiones: y i= ˆL 2 = ˆL + ˆL + ˆL z 2 hˆlz ˆL 2 = ˆL ˆL+ + ˆL z 2 + hˆlz 8