Materia: Química

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INTRODUCCIÓNEn este trabajo se hablara acerca de la teoría atómica y la teoría cuántica, pues como su mismo nombre lo dice la teoría atómica habla de los átomos, y esta fue la base de las investigaciones futuras que se realizaron, también podremos identificar que es la teoría cuántica y debido a que se origina. Otro tema que trataremos es la radiación del cuerpo negro, después de analizar los temas anteriormente señalados podremos notar que relación tiene con las teorías antes mencionadas y en si todos estos temas.

1.- Bases de LA Teoría Atómica. Teoría atómica de la materia

Átomo es la porción más pequeña de la materia. El primero en utilizar este término fue Demócrito (filósofo griego, del año 500 a.de C.), porque creía que todos los elementos estaban formados por pequeñas partículas INDIVISIBLES. Átomo, en griego, significa INDIVISIBLE. Es la porción más pequeña de la materia. Los átomos son la unidad básica estructural de todos los materiales de ingeniería.

En la actualidad no cabe pensar en el átomo como partícula indivisible, en él existen una serie de partículas subatómicas de las que protones neutrones y electrones son las más importantes.

Los átomos están formados por un núcleo, de tamaño reducido y cargado positivamente, rodeado por una nube de electrones, que se encuentran en la corteza.

ELECTRÓNEs una partícula elemental con carga eléctrica negativa igual a 1,602 · 10-19 Coulomb y masa igual a 9,1093 · 10-28 g, que se encuentra formando parte de los átomos de todos los elementos.

NEUTRÓNEs una partícula elemental eléctricamente neutra y masa ligeramente superior a la del protón (mneutrón=1.675 · 10-24 g), que se encuentra formando parte de los átomos de todos los elementos.

PROTÓNEs una partícula elemental con carga eléctrica positiva igual a 1,602 · 10-19 Coulomb y cuya masa es 1837 veces mayor que la del electrón (mprotón=1.673 · 10-24 g). La misma se encuentra formando parte de los átomos de todos los elementos.

La nube de carga electrónica constituye de este modo casi todo el volumen del átomo, pero, sólo representa una pequeña parte de su masa. Los electrones, particularmente la masa externa determinan la mayoría de las propiedades mecánicas, eléctrica, químicas, etc., de los

átomos, y así, un conocimiento básico de estructura atómica es importante en el estudio básico de los materiales de ingeniería. 

TEORÍA ATÓMICA DE DALTON

En el período 1803-1808, John Dalton, utilizó las dos leyes fundamentales de las combinaciones químicas, es decir:

La "Ley de conservación de la masa"(La masa total de las sustancias presentes después de una reacción química es la misma que la masa total de las sustancias antes de la reacción) y

La "Ley de composición constante"(Todas las muestras de un compuesto tienen la misma composición, es decir las mismas proporciones en masa de los elementos constituyentes.) como base de una teoría atómica.

Para Dalton, la partícula mas pequeña de una sustancia era el átomo.  Si la sustancia era simple, Dalton hablaba de "átomos simples"; por ejemplo de cloro, de hidrógeno, etc. Si la sustancia era compuesta, Dalton hablaba de "átomos compuestos"; por ejemplo de agua. En realidad, los "átomos" de Dalton, son las partículas que nosotros llamamos moléculas.

La esencia de la teoría atómica de la materia de Dalton se resume en tres postulados:

1.  Cada elemento químico se compone de partículas diminutas e indestructibles denominadas átomos. Los átomos no pueden crearse ni destruirse durante una reacción química.2.  Todos los átomos de un elemento son semejantes en masa (peso) y otras propiedades, pero los átomos de un elemento son diferentes de los del resto de los elementos.3. Los átomos de elementos diferentes son totalmente diferentes en todas sus propiedades.

4. Durante las reacciones, existe un reordenamiento de átomos, sin que el átomo se divida o destruya. La molécula del compuesto resulta entonces de la superposición de átomos de elementos diferentes. Citemos como ejemplo la formación de moléculas de agua y amoniaco.

5. En cada uno de sus compuestos, los diferentes elementos se combinan en una proporción numérica sencilla: así por ejemplo, un átomo de A con un átomo de B (AB), o un átomo de A con dos átomos de B (AB2).

6. Los átomos de dos elementos pueden combinarse en más de una relación entera y sencilla para formar más de un compuesto. Ejemplos:

La teoría atómica de Dalton condujo a la "Ley de las proporciones múltiples", que establece lo siguiente:Si dos elementos forman más de un compuesto sencillo, las masas de un elemento que se combinan con una masa fija del segundo elemento, están en una relación de números enteros sencillos.

Es importante señalar que Dalton nunca aceptó la idea que la molécula estaría formada por átomos idénticos o de un mismo elemento. Así por ejemplo, era absurdo: H2, O2, N2, P4, etc; por esta razón, se opuso tercamente a la ley experimental de Gay Luzca, referida a los volúmenes de combinación de las sustancias gaseosas. Esta ley se explica fácilmente aceptando que algunos elementos están formados por moléculas (H2, O2, Cl2, F2, etc.), tal como lo propuso el químico italiano Amadeo Avogadro en la misma época de Dalton, quien no obstante, rechazo esa propuesta.

A pesar de ello la teoría de Dalton fue la base del desarrollo de la química moderna, porque todas las investigaciones científicas se hicieron y aun se hacen aceptando que la materia esta formada por átomos.

1.- Bases de LA Teoría Cuántica.Base Experimental Teoría Cuántica

Teoría cuántica, teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica, para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que se mencionara mas adelante, en 1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos. Otra contribución fundamental al desarrollo de la teoría fue el principio de incertidumbre, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica.

Con la teoría cuántica se han podido explicar las propiedades de los átomos y moléculas, las reacciones entre ellos y sus consecuencias químicas. En particular, podemos entender las regularidades que Mendeleyev plasmó en su tabla periódica de los elementos químicos.

La teoría de Schrödinger para el átomo de hidrógeno (donde se mencionaba que el hidrogeno era el elemento mas ligero, y que su átomo seria el mas simple). Resultó satisfactoria hasta que se enfrentó a un nuevo hecho experimental.

Los físicos alemanes Stern y Gerlach hicieron pasar un haz, formado por átomos de hidrógeno, entre los polos de un imán asimétrico, de diseño especial; observaron que el haz se parte en dos. Ello significa que el átomo de hidrógeno, neutro eléctricamente, tiene propiedades magnéticas que la teoría anterior no contiene ni logra explicar. Hubo que enmendar la teoría de Schrödinger y asociarle un momento magnético al electrón, como si fuera un cuerpo cargado en rotación. A esta rotación intrínseca se le llamó espín (de la palabra inglesa spin, que significa giro). El espín, como toda variable dinámica en la teoría cuántica, también está cuantizado.

Los resultados del experimento de Stern y Gerlach indican dos posibles orientaciones del espín del electrón, por lo que decimos que esta partícula tiene espín igual a 1/2: sus dos orientaciones son hacia arriba, proyección +1/2, o hacia abajo, proyección del espín igual a −1/2. El espín es una propiedad ubicua e importantísima en el mundo microscópico. Todas las partículas muy pequeñas tienen espín.

Los electrones pertenecen, dentro del zoológico cuántico, a un tipo de partículas que son muy poco sociables, que repelen a sus semejantes. Si un electrón tiene una cierta energía, o una velocidad, o una posición dada, en fin, si está en un cierto estado cuántico, otro electrón no cabe ahí.

Con este principio, que Pauli postuló y llamó el principio de exclusión, podemos entender el tamaño y la estructura no sólo de átomos complejos, sino también de los núcleos y de muchos otros sistemas cuánticos. El principio de Pauli es una de las piedras angulares de la física cuántica y sus aplicaciones; nunca se ha encontrado una violación a sus mandatos.

Teoría cuántica (antes mencionado pero mas simplificado y comprensible)La teoría cuántica fue primeramente introducida por Planck, en 1900.Max Planck, (1858 – 1947) nacido en Kiel, Alemania el 23 de abril de 1858. Es el “padre de la cuántica”. Planck dedujo la hipótesis de la discontinuidad de la energía y en el año de 1900 Planck descubre los cuantos y formula la teoría que lo haría famoso, y que daría nacimiento a un campo desconocido hasta entonces, la Mecánica Cuántica, la cual da una nueva y muy especial forma de ver los fenómenos físicos.

Planck retomó la teoría defendida hace tiempo por Newton, la cual en ese entonces ya no tenía validez alguna. Newton consideraba a la luz como un haz de corpúsculos que se propagaban en línea recta, al aparecer la teoría ondulatoria de Huygens (1678), la teoría de los corpúsculos de Newton se vio destruida, pero era retomada nuevamente por Planck en 1900.

La teoría cuántica básicamente nos dice que la luz no llega de una manera continua, sino que está compuesta por pequeños paquetes de energía, a los que llamamos cuantos. Estos cuantos de energía se llaman fotones. Toda luz que nos llega viene por pequeños paquetes, no es continua.

Los fotones son las partículas “fundamentales” de la luz, así como los electrones son las partículas fundamentales de la materia, esta analogía es la que sirvió para realizar el descubrimiento del carácter cuántico de la luz. Por esta misma analogía, años después, de Broglie desarrolló la teoría que formula que la materia también tiene un carácter ondulatorio. La carga eléctrica y la energía tienen una estructura granular (está formada por cuantos), al igual que la materia.

La teoría cuántica ha servido para demostrar los fenómenos que no se pudieron explicar con la teoría ondulatoria de la luz, pero hay fenómenos que no pueden ser explicados con la teoría cuántica, y además hay ciertos fenómenos que pueden ser explicados por ambas teorías.

Teoría Atómica Moderna

Las distintas teorías que han surgido desde Dalton, han llegado a una serie de postulados que se complementan entre sí, pero que poco a poco han ido evolucionando. La Teoría Atómica Moderna, es también conocida como Teoría Cuántica, la cual llega a ser desarrollada y completada de la siguiente manera. Las teorías de Bohr, así como los experimentos de Rutherford, además de Franks y Hertz, Goudsmit y Uhlenbeck, complementan a Planck, quien sea el primero en proponer una teoría cuántica. Mas adelante aparece Heisenberg, quien formula la mecánica de Matrices y la teoría de Incertidumbre; Broglie que crea la Mecánica Ondulatoria, además Schrödinger viene a comprobar que todas estas se unen en una sola, a la que se le llamó Mecánica Cuántica, que es la aplicación misma de la Teoría Cuántica.

Para su mejor comprensión se realizo una pequeña línea del tiempo:Dalton: (1808) Primero en proponer un modelo atómico.Planck: (1900) Ideó y propuso la Teoría Cuántica, incompleta pero sobre la que se basó la TAM. Creando una fórmula matemática que describiera las curvas reales con exactitud que se generaban con los electrones.Bohr: (1913) Mencionó al átomo como una esfera, y dijo que el lugar de los electrones era en unas orbitas circulares  (se equivocó). Y desarrollo una fórmula atómica, pero sólo servía para el Hidrog...Franik y Hertz: (1913) Confirmaron la existencia de órbitas estables y de niveles de energía fijas. (sólo es cierto lo del la cant. De energía)Goudsmit y Uhlenbeck: (1925) Introdujeron la teoría del giro o “Spin”.

Heisenberg: (1926), Propone las orbitales y rechaza a Bohr por ser inaplicable. Crea la Mecánica de Matrices y la Teoría de Incertidumbre.Broglie: (1924) Sugirió la Mecánica Ondulatoria.Schrödinger: (1926), Dijo que la Mecánica de Matrices y la Mecánica Ondulatoria explicaban lo mismo desde distintos puntos de vista. Creó una ecuación como la de Bohr pero que desarrollaba los números cuánticos. A la que se le llamó Mecánica Cuántica, todo esto con las bases de Planck y Apoyado en la Teoría de Incertidumbre.Max Born: (1926) Le dio una Interpretación probabilística a la Mecánica Cuántica.Chadwick: (1931) que descubrió que el núcleo estaba formado de neutrones y protones, (se decía de protones pero no de ambos.)Principio de Incertidumbre: Heisenberg, decía que es imposible conocer la posición exacta y la velocidad de una partícula al mismo tiempo. (Electrón).Mecánica Cuántica:  Viene a ser el conjunto de reglas y leyes que van a ayudar a determinar la posible región u orbital donde existe mayor posibilidad de encontrar a algún electrón. Más profundamente puede conocer bastantes cosas de un electrón (energía, angulación, pero es mas complejo).

Introducción del cuanto de Planck

A principios del siglo XX, los físicos aún no reconocían claramente que éstas y otras dificultades de la física estaban relacionadas entre sí. El primer avance que llevó a la solución de aquellas dificultades fue la introducción por parte de Planck del concepto de cuanto, como resultado de los estudios de la radiación del cuerpo negro realizados por los físicos en los últimos años del siglo XIX (el término ‘cuerpo negro’ se refiere a un cuerpo o superficie ideal que absorbe toda la energía radiante sin reflejar ninguna). Un cuerpo a temperatura alta —al rojo vivo— emite la mayor parte de su radiación en las zonas de baja frecuencia (rojo e infrarrojo); un cuerpo a temperatura más alta —al rojo blanco— emite proporcionalmente más radiación en frecuencias más altas (amarillo, verde o azul).

La teoría clásica, oprecuántica, predecía un conjunto de curvas radicalmente diferentes de las observadas. Lo que hizo Planck fue diseñar una fórmula matemática que describiera las curvas reales con exactitud; después dedujo una hipótesis física que pudiera explicar la fórmula. Su hipótesis fue que la energía sólo es radiada en cuantos cuya energía es hu, donde u es la frecuencia de la radiación y h es el ‘cuanto de acción’, ahora conocido como constante de Planck.

Aportes de EinsteinLos siguientes avances importantes en la teoría cuántica se debieron a Albert Einstein, que empleó el concepto del cuanto introducido por Planck para explicar determinadas propiedades del efecto fotoeléctrico, un fenómeno experimental en el que una superficie metálica emite electrones cuando incide sobre ella una radiación.

Según la teoría clásica, la energía de los electrones emitidos —medida por la tensión eléctrica que generan— debería ser proporcional a la intensidad de la radiación. Sin embargo, se comprobó que esta energía era independiente de la intensidad —que sólo determinaba el número de electrones emitidos— y dependía exclusivamente de la frecuencia de la radiación. Cuanto mayor es la frecuencia de la radiación incidente, mayor es la energía de los electrones; por debajo de una determinada frecuencia crítica, no se emiten electrones. Einstein explicó estos fenómenos suponiendo que un único cuanto de energía radiante expulsa un único electrón del metal. La energía del cuanto es proporcional a la frecuencia, por lo que la energía del electrón depende de la frecuencia.

2.- Radiación del cuerpo negro

El cuerpo negro

La superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el interior es emitida.

No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro humo refleja el 1% de energía incidente.

La radiación del cuerpo negro

Consideremos una cavidad cuyas paredes están a una cierta temperatura. Los átomos que componen las paredes están emitiendo radiación electromagnética y al mismo tiempo absorben la radiación emitida por otros átomos de las paredes.

Cuando la radiación encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los átomos de las paredes, la cantidad de energía que emiten los átomos en la unidad de tiempo es igual a la que absorben. En consecuencia, la densidad de energía del campo electromagnético existente en la cavidad es constante.

A cada frecuencia corresponde una densidad de energía que depende solamente de la temperatura de las paredes y es independiente del material del que están hechas.

Si se abre un pequeño agujero en el recipiente, parte de la radiación se escapa y se puede analizar. El agujero se ve muy brillante cuando el cuerpo está a alta temperatura, y se ve completamente negro a bajas temperaturas.

Históricamente, el nacimiento de la Mecánica Cuántica, se sitúa en el momento en el que Max Panck explica el mecanismo que hace que los átomos radiantes produzcan la distribución de energía observada. Max Planck sugirió en 1900 que:

1. La radiación dentro de la cavidad está en equilibrio con los átomos de las paredes que se comportan como osciladores armónicos de frecuencia dada f .

2. Cada oscilador puede absorber o emitir energía de la radiación en una cantidad proporcional a f. Cuando un oscilador absorbe o emite radiación electromagnética, su energía aumenta o disminuye en una cantidad hf.

La segunda hipótesis de Planck, establece que la energía de los osciladores está cuantizada. La energía de un oscilador de frecuencia f sólo puede tener ciertos valores que son 0, hf, 2hf ,3hf ...nhf .

La distribución espectral de radiación es continua y tiene un máximo dependiente de la temperatura.

La distribución espectral se puede expresar en términos de la longitud de onda o de la frecuencia de la radiación.

dEf /df es la densidad de energía por unidad de frecuencia para la frecuencia f de la radiación contenida en una cavidad a la temperatura absoluta T. Su unidad es (J·m-3)·s.

donde k es la constante de Boltzmann cuyo valor es k=1.3805·10-23 J/K.

¿Sabía usted que todos los objetos emiten ondas electromagnéticas? Un carro, una casa, un libro, la Tierra, usted mismo, continuamente están emitiendo ondas electromagnéticas: 

¿Cómo se puede explicar este fenómeno? Por qué emiten radiación los objetos, consideraciones: 

Los objetos están hechos de átomos.  Un átomo puede emitir radiación (como la luz) cuando uno de sus electrones pierde energía y

así pasa a un orbital de menor energía.  Un átomo puede absorber radiación cuando uno de sus electrones gana energía y así pasa a

un orbital de mayor energía. El movimiento de los átomos en un objeto produce choques o vibraciones que estimulan la

emisión y absorción de radiación.

Un aumento en la temperatura de un objeto representa un aumento de la energía cinética de movimiento de sus átomos. 

En la naturaleza ningún objeto puede tener temperatura absoluta igual a cero.  El físico alemán Max Plank, descubrió la ley que gobierna la radiación de los cuerpos en

equilibrio termodinámico. Según Plank, la intensidad de radiación para cada longitud de onda depende únicamente de la temperatura del cuerpo en cuestión.   

El espectro de radiación (o intensidad para cada longitud de onda) al que llegó Plank tiene una forma característica así: Los físicos designan este espectro con el nombre de Radiación de Cuerpo Negro. 

Plank llegó a este resultado introduciendo el concepto de quantum de energía (es decir que la energía en la naturaleza sólo se puede intercambiar en paquetes con cantidades discretas). Este es el principio de la mecánica cuántica. 

Un cuerpo negro hace referencia a un objeto opaco que emite radiación térmica. Un cuerpo negro perfecto es aquel que absorbe toda la luz incidente y no refleja nada. A temperatura ambiente, un objeto de este tipo debería ser perfectamente negro (de ahí procede el término cuerpo negro.). Sin embargo, si se calienta a una temperatura alta, un cuerpo negro comenzará a brillar produciendo radiación térmica. (Jasem Mutlaq).

Todos los objetos emiten radiación térmica (siempre que su temperatura esté por encima del cero absoluto, o -273,15 grados Celsius), pero ningún objeto es en realidad un emisor perfecto, en realidad emiten o absorben mejor unas longitudes de onda de luz que otras. Estas pequeñas variaciones dificultan el estudio de la interacción de la luz, el calor y la materia utilizando objetos normales.

CONCLUSIONESA grandes rasgos pudimos notar que la teoría atómica, habla sobre el átomo, la composición y los compuestos que se pueden realizarse con respecto a esta unidad tan pequeña, en la teoría cuántica se habla sobre las propiedades dinámicas del átomo, de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Y como podemos apreciar en esta teoría se habla de radiación que es de donde surge el término “cuerpo negro” que es un espectro en el cual se señala la intensidad para cada longitud de onda, y la manera de emitir luz a cierta temperatura.

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