INTRODUCCIN. Este informe tiene como propsito detallar la evolucin del concepto de las estructuras subatmicas, la manera en que se tuvo que crear el concepto de mecnica cuntica para poder explicar el comportamiento de los tomos, molculas y ncleos. La disposicin de estas partculas fue una etapa importante en la historia del desarrollo de la qumica. Por ejemplo: la distribucin de los electrones en un tomo es especialmente til porque determina muchas de las propiedades de los elementos. Adems, la mecnica cuntica se reduce a la fsica clsica cuando se aplica a sistemas macroscpicos. Las ideas iniciales y ms bsicas de la teora cuntica fueron presentadas por Planck, mientras que la mayor parte de los desarrollos, interpretaciones y perfeccionamientos matemticos estuvieron a cargo de varios fsicos distinguidos, entre ellos Einstein, Bohr, Schrdinger, De Broglie, Heisenberg, Born y Dirac, Pauli, Sommerfeld. El informe escrito es sencillamente una explicacin a las ideas fundamentales de la teora cuntica, la naturaleza corpuscular de la materia, la importancia que tiene el principio de exclusin de Pauli, laconfiguracin El tomo y sus partculas subatmicas.

La palabra tomo proviene del trmino griego tomos, que significa indivisible. En una poca se pens que los tomos eran los componentes indivisibles de la materia. Sin embargo, descubrimientos realizados en la primera parte del siglo XX revelaron que el tomo no es elemental, sino que est formado por protones, neutrones y electrones. Una partcula subatmica es una partcula ms pequea que el tomo. Puede ser una partcula elemental o una compuesta. La fsica de partculas y la fsica nuclear se ocupan del estudio de estas partculas, sus interacciones y de la materia que las forma y que no se agrega en los tomos. Se consideran partculas subatmicas a los constituyentes de los tomos: protones, electrones y neutrones. La mayora de las partculas elementales que se han descubierto y estudiado no pueden encontrarse en condiciones normales en la Tierra, sino que se producen en los rayos csmicos y en los procesos que se dan en los aceleradores de partculas. De este modo, existen docenas de partculas subatmicas. RAYOS CATODICOS.

En 1880 se realizaron unos experimentos dirigidos por William Crookes que demostraron que si se haca pasar un alto voltaje a travs de un tubo de descarga de gas, cierta clase

de rayos invisibles se movan del electrodo negativo al electrodo positivo. Teniendo en cuenta que el electrodo negativo es llamado ctodo, estos fueron los rayos catdicos. RADIACIN.

Algunos ncleos son inestables y emiten varios tipos de radiaciones para volver a ser estables. Es un proceso atmico e independiente del estado qumico del isotopo radiactivo particular. Estas radicaciones incluyen partculas alfa y beta , rayos gamma , positrones y neutrones . Las especies radiactivas pueden ser por naturaleza o pueden producirse artificialmente. La radiactividad producida sintticamente incluye no solamente las radiaciones dichas anteriormente sino tambin la captura de electrn, bombardeo con protones o partculas emitidas y fisin nuclear.

Las partculas alfa (ncleos de helio) se detienen al interponer una hoja de papel. Las partculas beta (electrones y positrones) no pueden atravesar una capa de aluminio. Sin embargo, los rayos gamma (fotones de alta energa) necesitan una barrera mucho ms gruesa, y los ms energticos pueden atravesar el plomo.

TEORIA ONDULATORIA DE LA LUZ. Propugnada por Christian Huygens en el ao 1678, describe y explica lo que hoy se considera como leyes de reflexin y refraccin. Define a la luz como un movimiento ondulatorio semejante al que se produce con el sonido. Los fsicos de la poca consideraban que todas las ondas requeran de algn medio que las transportara en el vaco, as que para las ondas lumnicas se postula como medio a una materia insustancial e invisible a la cual se le llam ter. RADIACIN DE CUERPO NEGRO.

La radiacin electromagntica emitida por un objeto caliente, es a lo que conocemos como redicin de cuerpo negro. Una buena aproximacin del cuerpo negro es un sistema ideal que absorbe toda la radiacin que incide en l. La naturaleza de la

radiacin emitida a travs de un pequeo orificio depende solamente de la temperatura de las paredes de la cavidad del objeto y no de su posicin material. A temperaturas bajas, las longitudes simples de onda de la radiacin trmica estn principalmente en la regin infrarroja y por tanto, no son perceptibles a simple vista. A medida que la temperatura del objeto se eleva, este empieza a adquirir un resplandor rojo. A temperatura suficientemente alta, el resplandor parece ser blanco, como el brillo del filamento de tungsteno caliente de una bombilla. Desde el punto de vista clsico, el origen de la radiacin trmica se debe a partculas cargadas aceleradas cerca de la superficie de un objeto; dichas cargas emiten radiacin como si fueran pequeas antenas.

A longitudes de onda largas, la teora clsica concuerda de manera significativa con los datos experimentales. Sin embargo, en longitudes de onda cortas hay una gran discrepancia entre la teora clsica y el experimento. A medida que se aproxima a cero, la teora clsica predice que la cantidad de energa irradia debe aumentar. En realidad, predice que la intensidad debera ser infinita. En 1900, Max Planck, para justificar el espectro de emisin de un cuerpo negro, enunci su hiptesis segn la cual el contenido energtico de un oscilador puede ser slo un mltiplo entero de la magnitud a la que se denomina cuanto de energa, y en donde f es la frecuencia de su vibracin y h la constante de Planck igual a . En realidad, los cuantos o unidades de radiacin son tan pequeos que la radiacin nos parece continua. El punto clave en la teora de Planck es la suposicin radical de estados de energa cuantizados. EFECTO FOTOELCTRICO.

El efecto foto elctrico es un proceso por el cual algunos electrones son expulsados de una superficie metlica cuando la luz incide en ella. Einstein propuso una explicacin satisfactoria de este efecto al ampliar la hiptesis cuntica de Planck para incluir en ellas

las ondas electromagnticas. En este modelo, la luz es considerada como una corriente de partculas llamadas fotones, cada una de las cuales tiene una energa , donde es la frecuencia de la luz y es la constante de Planck. La energa cintica mxima de los fotoelectrones expulsados es

Donde es la funcin trabajo del metal, est funcin de trabajo representa la energa mnima con la que un electrn est unido al metal y su valor es del orden de unos cuantos electrn-volts. ESPECTROS DE EMISIN Y SERIES ESPECTRALES.

Cada tomo es capaz de emitir o absorber radiacin electromagntica, aunque solamente en algunas frecuencias que son caractersticas propias de cada uno de los diferentes elementos qumicos. Si, mediante suministro de energa calorfica, se estimula un determinado elemento en su fase gaseosa, sus tomos emiten radiacin en ciertas frecuencias del visible, que constituyen su espectro de emisin. Si el mismo elemento, tambin en estado de gas, recibe radiacin electromagntica, absorbe en ciertas frecuencias del visible, precisamente las mismas en las que emite cuando se estimula mediante calor. Este ser su espectro de absorcin. Se cumple, as, la llamada Ley de Kirchhoff, que nos indica que todo elemento absorbe radiacin en las mismas longitudes de onda en las que la emite. Los espectros de absorcin y de emisin resultan ser, pues, el negativo uno del otro. Puesto que el espectro, tanto de emisin como de absorcin, es caracterstico de cada elemento, sirve para identificar cada uno de los elementos de la tabla peridica, por simple visualizacin y anlisis de la posicin de las lneas de absorcin o emisin en su espectro. Estas caractersticas se manifiestan ya se trate de un elemento puro o bien combinado con otros elementos, por lo que se obtiene un procedimiento bastante fiable de identificacin. Podemos, en definitiva, identificar la existencia de determinados elementos qumicos en la composicin de sistemas inaccesibles, como pueden ser objetos astronmicos, planetas, estrellas o sistemas estelares lejanos, aparte de que, tambin, y debido al Efecto DopplerFizeau, podemos establecer una componente de velocidad de acercamiento o alejamiento de nosotros. TEORA ATMICA DE BOHR.

Usando un tomo sencillo, el hidrgeno, Bohr desarroll un modelo de lo que l crea deba ser la estructura del tomo en un intento de explicar las razones de su estabilidad. Su modelo tomo de hidrogeno contiene algunas caractersticas clsicas as como postulados revolucionarios que podran no estar justificados dentro del marco de la fsica

clsica. Los supuestos bsicos de la teora de Bohr tal como se aplica en el tomo de hidrgeno, son: El electrn se mueve en rbitas circulares alrededor del protn bajo la influencia de la fuerza de atraccin de Coulomb, como se muestra en la figura a). En este caso, la fuerza de Coulomb produce la aceleracin centrpeta del electrn.

Figura a). Modelo de Bohr del tomo de hidrogeno. En este modelo, electrn orbital se le permiten solamente orbitas especificas de radio discretas.

Solo ciertas orbitas de los electrones son estables. stas son rbitas en las cuales el tomo de hidrogeno no emite energa en la forma de radiacin electromagntica. Por lo tanto, la energa total del tomo permanece constante y la mecnica clsica se puede usar para describir el movimiento del electrn. La radiacin emitida por el tomo de hidrogeno cuando el electrn salto de un estado inicial de ms energa a un estado de menor energa. El salto no puede ser visualizado o tratado desde el punto de vita clsico. En particular, la frecuencia, , de la radiacin emitida en el salto se relaciona con el cambio en la energa del [tomo y generalmente no es igual que la frecuencia del movimiento orbital del electrn. TEORIA ATOMICA DE BOHR-SOMMERFELD

El modelo atmico de Bohr funcionaba muy bien para el tomo de hidrgeno, sin embargo, en los espectros realizados para tomos de otros elementos se observaba que electrones de un mismo nivel energtico tenan distinta energa, mostrando que exista un error en el modelo. Su conclusin fue que dentro de un mismo nivel energtico existan subniveles, es decir, energas ligeramente diferentes. Adems desde el punto de vista terico, Sommerfeld haba encontrado que en ciertos tomos las velocidades de los electrones alcanzaban una fraccin apreciable de la velocidad de la luz.

En 1916, Sommerfeld perfeccion el modelo atmico de Bohr intentando paliar los dos principales defectos de ste. Para eso introdujo dos modificaciones bsicas: rbitas casi-elpticas para los electrones y velocidades relativistas. En el modelo de Bohr los electrones slo giraban en rbitas circulares. La excentricidad de la rbita dio lugar a un nuevo nmero cuntico: el nmero

Para hacer coincidir las frecuencias calculadas con las experimentales, Sommerfeld postul que el ncleo del tomo no permanece inmvil, sino que tanto el ncleo como el electrn se mueven alrededor del centro de masas del sistema, que estar situado muy prximo al ncleo al tener este una masa varios miles de veces superior a la masa del electrn.

TEORA CUANTICA.

La fsica cuntica, tambin conocida como mecnica ondulatoria, es la rama de la fsica que estudia el comportamiento de la materia cuando las dimensiones de sta son tan pequeas, en torno a 1.000 tomos, que empiezan a notarse efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud la posicin de una partcula, o su energa, o conocer simultneamente su posicin y velocidad, sin afectar a la propia partcula (descrito segn el principio de incertidumbre de Heisenberg). Surgi a lo largo de la primera mitad del siglo XX en respuesta a los problemas que no podan ser resueltos por medio de la fsica clsica. Los dos pilares de esta teora son: Las partculas intercambian energa en mltiplos enteros de una cantidad mnima posible, denominado quantum (cuanto) de energa. La posicin de las partculas viene definida por una funcin que describe la probabilidad de que dicha partcula se halle en tal posicin en ese instante. Ratificacin experimental. El hecho de que la energa se intercambie de forma discreta se puso de relieve por hechos experimentales, inexplicables con las herramientas de la mecnica clsica, como los siguientes:

Segn la Fsica Clsica, la energa radiada por un cuerpo negro, objeto que absorbe toda la energa que incide sobre l, era infinita, lo que era un desastre. Esto lo resolvi Max Planck mediante la cuantizacin de la energa, es decir, el cuerpo negro tomaba valores discretos de energa cuyos paquetes mnimos denomin quantum. Este clculo era, adems, consistente con la ley de Wien (que es un resultado de la termodinmica, y por ello independiente de los detalles del modelo empleado). Segn esta ltima ley, todo cuerpo negro irradia con una longitud de onda (energa) que depende de su temperatura. La dualidad onda corpsculo, tambin llamada onda partcula, resolvi una aparente paradoja, demostrando que la luz y la materia pueden, a la vez, poseer propiedades de partcula y propiedades ondulatorias. Actualmente se considera que la dualidad onda partcula es un "concepto de la mecnica cuntica segn el cual no hay diferencias fundamentales entre partculas y ondas: las partculas pueden comportarse como ondas y viceversa". PRINCIPIO DE DUALIDAD. POSTULADO DE BROGLIE

Louis-Vctor de Broglie (1892-1987), formul una hiptesis en la que afirmaba que:

Toda la materia presenta caractersticas tanto ondulatorias como corpusculares comportndose de uno u otro modo dependiendo del experimento especfico.El principio de la dualidad descansa sobre el efecto fotoelctrico, el cual plantea que la luz puede comportar de 2 maneras segn las circunstancias y el tema a estudiar, son: Luz como una onda: esta es usada en la fsica clsica, sobre todo en ptica, donde los lentes y los espectros visibles requieres de su estudio a travs de las propiedades de las ondas. Luz como partcula: Usada sobre todo en fsica cuntica, segn los estudios de Planck sobre la radiacin del cuerpo negro, la materia absorbe energa electromagntica y luego la libera en forma de pequeos paquetes llamados fotones, estos cuantos de luz, tienen de igual manera una frecuencia, pero gracias a stos, se pueden estudiar las propiedades del tomo. PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG.

En 1927, Werner Heisenberg present esta idea, que hoy se conoce como el principio de incertidumbre: Si la medicin de la posicin de una partcula se realiza con una precisin y al mismo

tiempo se efecta una medicin de la cantidad de movimiento lineal con una precisin

, entonces el producto de las 2 incertidumbres nunca podr ser menor que

:

En otras palabras, es fsicamente imposible medir simultneamente la posicin exacta y la cantidad de movimiento lineal exacto de una partcula. Si es muy pequea, entonces es grande, y viceversa. ECUACIN DE ONDA DE SCHRDINGER. En 1926, el fsico austro alemn Erwin Schrdinger propuso una ecuacin de onda que describa la forma en que cambian las ondas de materia en el espacio y el tiempo. Cuando tratamos de resolver la ecuacin de Schrdinger, la entidad bsica que tratamos de determinar es una cantidad llamada funcin de onda. Cada partcula esta representada por una funcin de onda que depende tanto de su posicin como del tiempo. En la teora de la mecnica cuntica, cada partcula esta descrita por una cantidad llamada funcin de onda. La probabilidad de encontrar la partcula en un punto en particular, en un instante determinado, es proporcional a . SIGNIFICADO FSICO DE LA FUNCIN DE ONDA .

El significado fsico de esta onda es el siguiente: El valor de la funcin de onda asociada con una partcula en movimiento esta relacionada con la probabilidad de encontrar a la partcula en el punto (x, y, z) en el instante de tiempo t. En general una onda puede tomar valores positivos y negativos. Por ejemplo la onda en general una onda puede representarse por medio de una cantidad compleja Piense por ejemplo en el campo elctrico de una onda electromagntica. Una probabilidad negativa, o compleja, es algo sin sentido. Esto significa que la funcin de onda no es algo observable. Sin embargo el mdulo (o cuadrado) de la funcin de onda siempre es real y positivo. Por esto, a se le conoce como la densidad de probabilidad. Ahora s podemos dar una interpretacin fsica: La probabilidad de encontrar una partcula en el punto x, y, z en el instante t es proporcional al cuadrado de su funcin de onda asociada. NMEROS CUNTICOS Y ORBITALES ATMICOS.

De acuerdo a la teora moderna sobre la estructura atmica, los electrones se encuentran en niveles de energa alrededor del ncleo. Cada uno de estos niveles de energa se divide en uno o ms subniveles y cada subnivel consisten de un conjunto de orbitales. Se ha encontrado que el nmero mximo de electrones en cualquier nivel de energa es donde es el nivel de energa. El nmero de subniveles corresponde tambin al nmero del nivel de energa. Estos subniveles se designan con las letras s, p, d, f, etc.

Las soluciones permitidas a la ecuacin de onda dan un conjunto de 3 nmeros cunticos que describen una energa permitida en particular. El nmero cuntico principal El nmero cuntico secundario El nmero cuntico magntico describe el nivel de energa. describe el subnivel dentro del nivel de energa. describe un orbital determinado dentro del subnivel. se adiciona para

El cuarto nmero cuntico llamado nmero cuntico del spin justificar los spines opuestos de los 2 electrones de un orbital.

Los valores de pueden variar desde 1 hasta gradualmente por enteros. Los valores de pueden variar desde 0 hasta gradualmente por enteros. Los valores de pueden variar desde hasta gradualmente por enteros.

FORMAS DE LOS ORBITALES.

El orbital s tiene simetra esfrica alrededor del ncleo atmico.

La forma geomtrica de los orbitales p es la de dos esferas achatadas hacia el punto de contacto (el ncleo atmico) y orientadas segn los ejes de coordenadas

Los orbitales d tienen formas ms diversas, cuatro de ellos tienen forma de 4 lbulos de signos planos alternados nodales, (dos en

diferentes orientaciones del espacio), y el ltimo es un doble lbulo rodeado por un anillo (un doble cono nodal).

Los orbitales f tienen formas an ms exticas, que se pueden derivar de aadir un plano nodal a las formas de los orbitales d.

DISTRIBUCIN ELECTRNICA EN SISTEMAS POLI ELECTRNICA

La configuracin queda de la siguiente manera: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6Para determinar la configuracin electrnica de un elemento, basta con calcular cuntos electrones hay que acomodar y entonces distribuirlos en los subniveles empezando por los de menor energa e ir llenando hasta que todos los electrones estn distribuidos. Un elemento con nmero atmico mayor tiene un electrn ms que el elemento que lo precede. PRINCIPIO DE AUFBAU O DE CONSTRUCCIN

Los electrones entran en los niveles de energa, de acuerdo al subnivel de ms baja energa disponible; los subniveles aumentan en energa de acuerdo al orden de aufbau. En cualquier tomo, los electrones van ocupando los subniveles de menor energa que estn disponibles. Cuando un subnivel se ha llenado hasta su capacidad, empieza a llenarse el siguiente de menor energa. Esto genera un arreglo de los electrones en el nivel de energa ms bajo del tomo y es llamado estado fundamental. REGLA DE HUND.

Para cualquier conjunto de orbitales, se encuentra que hay un electrn en cada orbital antes que haya un apareamiento. Es lo que se conoce como la regla de Hund. Aparentemente toma menos energa para un electrn ocupar un orbital por s solo, que aparearse con otro electrn en un orbital de igual energa. Cuando un orbital est lleno con sus 2 electrones, decimos que sus electrones estn apareados. Cuando un orbital tiene un solo electrn, decimos que el electrn es no apareado.

PRINCIPIO DE EXCLUSIN DE PAULI.

En un tomo no puede haber 2 electrones en el mismo estado cuntico; es decir, no hay 2 electrones en el mismo tomo que puedan tener exactamente los mismos valores para el conjunto de nmeros cunticosEl principio de exclusin de Pauli explica la estructura electrnica de tomos complejos como una sucesin de niveles llenos, con diferente nmero cuntico que aumentas en energa, donde los electrones ubicados en la periferia son los principales responsables de las propiedades qumicas del elemento.

CONFIGURACIN ELECTRNICA DE LOS ELEMENTOS Y SU UBICACIN EN LA CLASIFICACIN PERIDICA

Las filas horizontales de la tabla peridica son llamadas perodos. Contrario a como ocurre en el caso de los grupos de la tabla peridica, los elementos que componen una misma fila tienen propiedades diferentes pero masas similares: todos los elementos de un perodo tienen el mismo nmero de orbitales. Siguiendo esa norma, cada elemento se coloca segn su configuracin electrnica. El primer perodo solo tiene dos miembros: hidrgeno y helio; ambos tienen slo el orbital 1s. Bloques o regiones La tabla tambin est dividida en cuatro grupos, s, p, d, f, que estn ubicados en el orden s, d, p, de izquierda a derecha, y f lantnidos y actnidos. Esto depende de la letra en terminacin de los elementos de este grupo, segn el principio de Aufbau. La tabla peridica se puede tambin dividir en bloques de elementos segn el orbital que estn ocupando los electrones ms externos. Los bloques o regiones se denominan segn la letra que hace referencia al orbital ms externo: s, p, d y f. Podra haber ms elementos que llenaran otros orbitales, pero no se han sintetizado o descubierto; en este caso se contina con el orden alfabtico para nombrarlos. Bloque s Bloque p Bloque d Bloque f