ESTRUCTURA ATÓMICA

Dr. José Durand Velasco

COMPOSICIÓN QUÍMICA NORMAL DE UN COMPOSICIÓN QUÍMICA NORMAL DE UN HOMBRE QUE PESA 65 Kg.HOMBRE QUE PESA 65 Kg.

Kg.Kg. % %

AGUAAGUA 4040 61.661.6 PROTEÍNASPROTEÍNAS 1111 17.017.0 GRASAGRASA 9 9 13.813.8 CARBOHIDRATOSCARBOHIDRATOS 1 1 1.5 1.5 MINERALESMINERALES 4 4 6.1 6.1

EVOLUCIÓN DEL ESTUDIO DE LA ORGANIZACIÓN DE LA MATERIA

El ser humano, a través de la historia, ha tratado de explicar el origen y naturaleza de las cosas que nos rodean, que pueden ser o no percibidas por los sentidos.

Para tal propósito, ha desarrollado principios y teorías que nos sirve de sustento para su comprensión y la transformación de nuestro entorno.

TEORIAS SOBRE LA ESTRUCTURA TEORIAS SOBRE LA ESTRUCTURA DE MATERIADE MATERIA

• ELEMENTOS FUNDAMENTALES• Tierra - Agua - Aire - Fuego - Eter

• MATERIA Y ENERGÍA• Átomo – Energía

• PARTÍCULAS Y FUERZAS• Leptones y – QuarK - Bosones

• TEORÍA DE LAS CUERDAS Y TEORÍA M

TALES (VI a. C.) Todas las cosas están conformadas por 4 elementos:

AGUATIERRAAIREFUEGO

Donde el agua es el elemento básico.

Mientras que los cuerpos celestes están conformados por el:

ÉTER o QUINTA ESENCIA

ANAXAGORAS (499 - 428 a.C.) • El universo es infinito.• El cielo tiene iguales componentes

que la tierra.• Existe un numero infinito de

partículas que pueden subdividirse.

LEUCIPO (V a. C.)

• Universo infinito esta en perpetuo cambio.

DEMOCRITO (460 a. C.)

- Las cosas esta formada por “Átomos” partículas eternas e indivisible.

- Existe un vacío a través del cual se mueven los átomos.

SÓCRATES - ARISTÓTELES - PLATÓN

- Predominio de la filosofía espiritualista, (base de la religión), sobre el análisis lógico - matemático para explicar los sucesos de la naturaleza.

EPICURO (341 - 270 a. C.)

• Atomista.• Postulo que los átomos están en

constante movimiento.• Los átomos están colisionando y

uniéndose: causa y efecto.

DESARROLLO DE LOS MODELOS ATÓMICOS

En la era científica se han postulado diferentes modelos atómicos, los cuales se sustentaban en lo mas avanzado de la ciencia de la época:

J. DALTON (1766 - 1844)•Retomando la teoría de Democrito, demuestra que la materia esta conformada por átomos•Demostró el peso atómico•Átomos se combinan en proporciones fijas

H Na

J.J. THOMSON (1856 - 1940)

1897: Rayos catódicos desviado por campos eléctricos o magnéticos partículas - electrón.

E. RUTHERFORD (1871 - 1937):

1909: - Partículas alfa (núcleos de He) desviados al colisionar con átomos. - Núcleo posee cargas positivas.

e- e-

e- e-

e- e-

+

N. BOHR (1885 - 1962)

1913: Niveles de energía electrónica cuantificados

(estados estacionarios).

e-

e-

e-

e-

+

M. PLANCK (1858 - 1947)

1901: Teoría de los cuantos (quanta).La energía es emitida en cuantos, que son unidades discretas, es la unidad mas pequeña de la energía.

A. EINSTEIN (1879 - 1955)

1905: Teoría especial de la relatividad.1916: Teoría general de la relatividad. Naturaleza del espacio , tiempo,

gravedad y movimiento

L. E BROGLIE

1924: Naturaleza (dual) ondulatoria de la materia.

W. HEISENBERG

1926: Principio de incertidumbre: Imposible determinar la posición y el movimiento de una partícula al mismo tiempo.

E. SCHRODINGER

1926: Ecuación de onda. No es posible decir donde esta un electrón en un tiempo especifico.Probabilidad de encontrar un electrón en cierto punto para un tiempo dado .

ESTRUCTURA ATÓMICA

El descubrimiento científico mas importante de nuestra Era, es que el universo físico no ha existido siempre.

Hoy poseemos una teoría científica racional de todo lo que existe en el Cosmos, área conocida como: física de partículas, que nos revela la relación entre las partículas subnucleares y las fuerzas existentes dentro de la materia

En la actualidad tenemos una teoría científica de todo el universo, en la que cada objeto, cada sistema físico, se rigen por el mismo pequeño conjunto de principios básicos

TEORÍA ESTÁNDAR

Describe los cuatro tipos de fuerzas fundamentales y partículas constituyentes de la materia.Ha sido demostrada por diferentes experimentos, a nivel subatómico como interestelar.

Toda la materia esta constituida por quarks y leptones .Las interacciones entre estas partículas tiene lugar mediante el intercambio de otras partículas llamadas bosones intermediarios (fuerzas).Por ejemplo : un par de quarks interaccionan intercambiando energía en forma de un fotón (partícula elemental asociada a una partícula electromagnética).

EL ÁTOMOSistema energético conformados por partículas y fuerzas.

Considerada como la unidad, fundamental de la materia.

Actualmente se lo considera como la unidad constituyente de los elemento y las diferentes moléculas.

CARACTERÍSTICAS DE LAS FUERZAS (BOSONES)

BOSON GLUON FOTON W+ W – Z º GRAVITON

INTENSIDAD 1 10-2 –1/37 10-5 10-38 –6 x10-39

VIDA MEDIA 10-23 seg ESTABLE 10-10 seg. ESTABLE

INTERACCION

QUARKS Algunas

partículas

Algunas partículas

Toda partícula o fuerza

PROPIEDADES

ATRAC-

CIÒN

Une/ separa partículas en

función de cargas o polos

Une / separa o cambia de identi-

dad de partículas.

Atracción

ALCANCE 10-13 cm.

A escala nuclear.

CASI INFINITO 10-16 cm.

En el ámbito de partículas.

INFINITO

Todo el universo

APARICIÓN 2º 3º 3º 1º

DESAPARI-CIÓN

2º 3º 1º 4º

LAS PARTICULAS FUNDAMENTALES

Actualmente se ha demostrado que el universo esta compuesta por 6 pares de partículas denominados elementales, que al interactuar con las fuerzas conforman la materia.

1. LEPTONES:

ELECTRON: Partícula estable demostrada en 1897. Presenta una carga negativa que conforma la nube de partículas que rodea al núcleo atómico. Posee: un spin 1/2, masa: 1 puede comportarse como onda (radiaciones beta)

NEUTRINO: neutrino electrónico, es una partícula neutra, no tiene carga y prácticamente sin masa, manifestada en la desintegración beta, es tan pequeña que atraviesa la tierra tan fácilmente, sin interactuar con otra partícula (uno en mas de 10 millones)

MUON: Es parte de las radiaciones cósmicas, que bombardean continuamente la tierra. Tiene una masa 200 veces mayor que el electrón. Es inestable y fue descubierta en 1939

TAU: 3600 veces mas grande que el electrón , tiene una carga negativa, es inestable, descubierta en 1976.

Ambas partículas tienen su contra parte en el neutrino muonico y neutrino tauonico, con características semejantes al neutrino electrónico.

leptones símbolo masa

carga

Anti

electrónNeutrino electrón

MuónNeutrino muón

TauónNeutrino tauón

e-

e- -

-

+

10

206,70

33360

-10-10-10

e+

e

+

+

+

2. QUARK: 1964 Gell - Mann y Zweig

• Son las partículas mas pequeñas,• Se han descrito 6,• Llevan carga eléctrica fraccional (+ ó -

1/3, ó 2/3 de la unidad fundamental del electrón) de esta forma agregando 1 ó 2 quarks, podemos obtener una carga beta de 0 ó 1.

Los quark no se encuentran en estado libre. Dos o tres se unen por intermedio de los gluones para formar los Hadrones:

Protón : UUDNeutrón : UDD

Los quarks poseen un color (equivalente de carga eléctrica que actúa como fuente del campo del gluon, designados arbitrariamente como rojo, verde y azul, para c/u de los quarks, que al unirse en tríos dan un “color” blanco.

ProtónNeutrónDelta

Lambda

Omega

uududd++ uuu+ uud0 uds uus+ udc- sss

Piones

Kaonos

Mesones encantados

M+ ud-M0

M- du-K+ us-K0 ds- cd-

Bariones Mesones

HADRONES

MASA Y CARGA DE LAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS

PARTÍCULA

MASA g

CARGACOULOMBS CARGA

UNITARIA

Electrón 9.1095 x10 - 28

-1.6022x10 -19 -1

Protón 1.67252 x10 -

24

+1.6022x10 -19 +1

Neutrón 1.67495 x10 - 24

0 0

CONSTITUYENTES FUNDAMENTALES DE LA MATERIA.

MATERIAUSUAL

FERMIONES BOSONES INTERMEDIARIOS

QUARKS LECTONES

U (arriba)D (abajo)

e (electron)Ve (neutrino del e)

Fotón (Electromagne

tismo) w+ w- w0

(Fuerza débil)Gluòn

(Fuerza fuerte)

Gravitòn(Fuerza

gravitatoria)

MATERIAA ALTA ENERGÍA

s (extraño) c (encanto) b (fondo) t (encima)

u (muòn) vu (neutrino del u) t (tau) vt (neutrino d tau)

ATOMOS

ATMOSFE-RA

MOLÉCULAS

SENCILLAS

BIOMOLÈCU-LAS

SER BIOLÒGICO

CHONP SNa K Cl Ca Fe Cu Zn

CALORFOTONESPRESIÓNGRAVEDADMOVIMIENTO

H2OCO2O2N2

CARBOHIDRATOSLÍPIDOSAMINOÁCIDOSAC. NUCLEICOSVITAMINAS

 CÉLULAHOMBRE

INSUMOS

MEDIO PRODUCTOS DESARROLLO

LOS NÚMEROS CUÁNTICOS

NUMERO QUÁNTICO PRINCIPAL(n):Puede tener números enteros 1,2,3.... En el hidrógeno determina la energía de un orbital, en los otros átomos se relaciona con la distancia promedio del electrón al núcleo en un orbital en particular.A mayor valor de n mayor es la distancia promedio de un electrón en el orbital respecto del núcleo y en consecuencia mayor ( y menos estable) es el orbital.

NUMERO QUÁNTICO DEL MOMENTO ANGULAR (l):Indica la ”forma” de los orbitales. Los valores de l dependen del valor quántico del valor de n donde tienen todos los valores posibles de 0 a (n-1) .

Si n =1 hay un solo valor par l:0

Si n = 2 hay dos valores para l 0 y 1 Si n=3 hay 3 valores para l : 0,1 y2.

l 0 1 2 3 4 5 Nombre del orbital s p d f g

h

NUMERO QUÁNTICO MAGNÉTICO ( m l): Describe la orientación del orbital en el espacio. Dentro de un subnivel el valor de m l dependen del valor del número quántico del valor angular. Para cierto valor de l hay ( 2l +1) valores enteros de ml :

-l (-l + 1) , .....0,.......( +l –1) ,+1

Si l =0 entonces m l = 0 Si l =0 entonces hay (2x1) +1 , osèa 3

valores de m l : -1.0 y1 Si l =0 entonces hay (2x2) +1 , osèa 5

valores de m l :-2, -1.0 y1 Y 2.

El número de valores de m l indican el número de orbitales en un subnivel.

  EL NUMERO QUÁNTICO DE ESPÍN

ELECTRÓNICO ( ms ): Una carga que gira genera un campo

magnético , el electrón puede tener dos posibles movimientos de giro , uno en el sentido de las manecillas del reloj y el otro en sentido inverso, los cuales tienen valores de +1/2 ò –1/2. la mitad de los electrones de un àtomo giraràn en una dirección y la otra en sentido opuesto. Un orbital tendrà solo 2 electrones de espìn opuesto.

ORBITALES “S”

Son esféricos.Varían de tamaño con el nivel de energía, su tamaño es mas grande mientras mas se aleja del grupo.

ORBITALES “P”

Hay 3 orbitales P: Px, Py y Pz (los subíndices son los ejes sobre los que se orientan). En un mismos nivel poseen similar energía forma y tamaño, solo difieren en su orientación.

ORBITALES “D”

Existen 5 orbitales “d”. En un mismo nivel tienen igual energía, diferente orientación y forma similar a partir de niveles mayor a 3.

RELACIÓN ENTRE LOS NÚMEROS CUANTIAOS Y LOS ORBITALES ATÓMICOS

NÚMEROS CUÁNTICONumero

de Orbitale

s

Orbitales atómicosPrincipa

lDel

momento angular l

Magnético M L

1 0 0 1 1s

2 01

0

-1,0,1

1

3

2s

2px,2py,2pz

3 012

0

-1, 0,1

-2,-,0,1,2

1

3

5

3s

3px,3py,3pz

3dxy,3dyz,3xz3dx2-y2,3dzw2

COMPOSICIÓN QUÍMICA NORMAL DE UN HOMBRE QUE PESA 65 Kg.

 

Kg. %

PROTEÍNAS 11 17.0GRASA 9 13.8CARBOHIDRATOS 1 1.5AGUA 40 61.6MINERALES 4 6.1 

MOLÉCULAS INTERESTELARES CONOCIDAS(Por numero de átomos).

 2 3 4 5 6 7 8 9H2 H20 NH3 H2CNH CH3OH CH3NH2 CHOOCH2 CH3OCH3 CH H2S C2H2 CH2CO CH3CN CH3C2H CH3C3N C2H5OHCH C2H H CO H2NCN HCONH2 CH CHO C2H5CNC2 HCN H C C4H C H CN HC7NCN HNC HNCO HCOOH HC N CH3C HCO HCO HCNO HC3NCS HOC C3N SiH4

CS HN2 C3H 11 13NS OCS HOCO+ HC9N HC11 NOH SO2 C3OSO SiC2

SiOSiS FALTAN O , N , ETC. (RAYAS INFRARROJO DÉBILES).

El modelo estándar nos permite calcular y entender numéricamente las interacciones electromagnéticas , fuertes y débiles entre los constituyentes elementales de la materia.