naturaleza de la luz - … · ... y concluyó que las ondas luminosas son de ... los rayos x de los...

CATEDRA DE QUIMICA GENERAL

1

Naturaleza de la luz

La naturaleza física de la luz ha sido uno de los grandes problemas de la ciencia. Desde

la antigua Grecia se consideraba la luz como algo de naturaleza corpuscular, eran

corpúsculos que formaban el rayo luminoso. Así explicaban fenómenos como la

reflexión y refracción de la luz. Newton en el siglo XVIII defendió esta idea, suponía

que la luz estaba formada por corpúsculos lanzados a gran velocidad por los cuerpos

emisores de luz. Escribió un tratado de Óptica en el que explicó multitud de fenómenos

que sufría la luz.

En 1678 Huygens defiende un modelo ondulatorio , la luz es una onda. Con este

modelo se explicaban fenómenos como la interferencia y difracción que el modelo

corpuscular no era capaz de explicar. Así la luz era una onda longitudinal, pero las

ondas longitudinales necesitan un medio para poder propagarse, y surgió el concepto de

éter como el "medio" en el que estamos inmersos. Esto trajo aún más problemas, y la

naturaleza del eter fue un quebradero de cabeza de muchos científicos.

La solución al problema la dió Maxwell en 1865, la luz es una onda electromagnética

que se propaga en el vacío. Quedaba ya por tanto resuelto el problema del éter con la

aparición de estas nuevas ondas.

Maxwell se basó en los estudios de Faraday del electromagnetismo, y concluyó que las

ondas luminosas son de naturaleza electromagnética. Una ONDA

ELECTROMAGNÉTICA se produce por la variación en algún lugar del espacio de

las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia. No necesita ningún medio para

propagarse, son ondas transversales.

Una carga eléctrica oscilando con una determinada frecuencia, produce ondas

electromagnéticas de la misma frecuencia. La velocidad con la que se propagan estas

ondas en el vacío es:

c = 3 10 8 m/s

RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Una de las formas en que la energía se transporta en el espacio, es por medio de la

radiación electromagnética . Así, la luz desde el sol, el calor asociado a ésta, la energía

ocupada para calentar alimentos en hornos de microondas, el calor radiante de las estufas

eléctricas con filamentos al rojo, calor de las brasas de una chimenea, los rayos X de los

dentistas, etc., son todos ejemplos de radiación electromagnética(REM) ,una onda

electromagnética consistía en la oscilación de un campo eléctrico y otro magnético en

direcciones perpendiculares, entre sí, y a su vez, perpendiculares ambos a la dirección de

propagación


2

.

Cargas aceleradas producen ondas electromagnéticas. Durante la propagación de la onda, el

campo eléctrico (rayas rojas) oscila en un eje perpendicular a la dirección de propagación. El

campo magnético (rayas azules) también oscila pero en dirección perpendicular al campo

eléctrico Aún cuando todas esas formas de radiación de energía, parecen tener diferente origen,

lo cierto es que todas tienen algo en común: Exhiben un comportamiento de ondas ( de ahí el

nombre movimiento ondulatorio) y viajan a la misma velocidad, no importando si su origen es

visible, ultravioleta, infrarroja o gama: viajan a la velocidad de la luz c = 2,9979·108 m/s, que es

la velocidad de la onda radiante. Las ondas se describen mediante tres características principales

: la longitud de onda (medida en metros, nanómetros, Angstrom p. ej.), la frecuencia (en

ciclos/segundo) y la velocidad c definida antes.

Cada una de estas características se aprecian en la figura asociada a este párrafo. En general, la

longitud de onda mide la distancia que hay entre dos ondas , crestas o valles vecinos, como lo

señala la Figura. (en metros , nm(nanómetros), A º(angstrong

Por otra parte, el N° de veces que se que una cresta pasa por un punto determinado en la unidad

de tiempo (segundos) corresponde a la frecuencia (ciclos/s o Hertz) La radiación

electromagnética se caracteriza por su frecuencia “”(ni) o por su longitud de onda “”,

(lamda)relacionadas entre sí por:


3

c

Cuando mayor es la menor es la

Longitud de onda pequeña Longitud de onda larga Alta frecuencia Baja frecuencia

Espectro electromagnético

Si las ondas electromagnéticas se organizan en un continuo de acuerdo a sus longitudes

obtenemos el espectro electromagnético en donde las ondas mas largas (longitudes desde metros

a kilómetros) se encuentran en un extremo (ondas de Radio) y las mas cortas en el otro

(longitudes de onda de de una billonésima de metros) (Gamma)


4

1m= 1 x 10 9 nm

El cuadro también da la longitud de onda en nanómetros nm, que es la usual para

identificar las zonas del Espectro visible de la radiación solar. Por otra parte, la radiación

solar nos llega en la forma de Luz Blanca , que significa que al contener todas las

tonalidades juntas, da como resultado que nosotros la vemos blanca y la separación de

colores se logra fácilmente mediante prismas de vidrio o de cristales naturales, como lo

muestra la Figura. Allí podemos ver directamente el resultado de la descomposición

espectral de la luz blanca, o bien, recibirla en un película fotográfica .La radiaciones de

distinta longitud de onda afectan a la materia en mayor o menor grado, dependiendo de su

valor. Por ejemplo, una sobre-exposición del cuerpo humano a la radiación infrarroja,

puede causar quemaduras por calor o enrojecimientos de la piel. En cambio, una sobre-

exposición a radiación visible o ultravioleta, normalmente produce un color tostado o

quemado por el sol, dependiendo por supuesto de cantidades moderadas de exposición.

Por último, una sobre-exposición a rayos x produce daño profundo en los tejidos y,

posiblemente, cáncer de la piel o interno.

Rayos gamma


5

Su longitud de onda (lambda) < 0.1 Ao, donde 1 A

o(Armstrong) es igual a 10

-10m. Se

originan en las desintegraciones nucleares que emiten radiación gamma. Son muy

penetrantes y muy energéticas.

Rayos X

Se producen por oscilaciones de los electrones próximos a los núcleos.

0.1Ao < lambda < 30 A

o

Son muy energéticos y penetrantes, dañinos para los organismos vivos, pero se utilizan

de forma controlada para los diagnósticos médicos.

Rayos UV

Se producen por saltos electrónicos entre átomos y moléculas excitados.

30Ao < lambda < 4000 A

o

El Sol es emisor de rayos ultravioleta, que son los responsables del bronceado de la piel.

Es absorvida por la capa de ozono, y si se recibe en dosis muy grandes puede ser

peligrosa ya que impiden la división celular, destruyen microorganismos y producen

quemaduras y pigmentación de la piel.

Luz visible

Es la pequeña parte del espectro electromagnético a la que es sensible el ojo humano.

400 nm < lambda < 750 nm

Se producen por saltos electrónicos entre niveles atómicos y moleculares. Las

longitudes de onda uqe corresponden a los colores básicos son:

ROJO De 6200 a 7500 Ao

NARANJA De 5900 a 6200 Ao

AMARILLO De 5700 a 5900 Ao

VERDE De 4900 a 5700 Ao

http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0504-01/tipos-rad.html


6

AZUL De 4300 a 4900 Ao

VIOLETA De 4000 a 4300 Ao

Radiación infrarroja

Es emitida por cuerpos calientes y son debidas a

vibraciones de los átomos.

10 -3

m < lambda < 10-7

m

La fotografía infrarroja tiene grandes aplicaciones,:en la

industria textil se utiliza para identificar colorantes, en la

detección de falsificaciones de obras de arte, en

telemandos, estudios de aislantes térmicos, etc. En la

foto se observa la fotografia en infrarojos de una mano:

Radiación de microondas

Son producidas por vibraciones de moléculas.

0.1 mm < lambda < 1 m

Se utilizan en radioastronomia y en hornos eléctricos. Esta última aplicación es la más

conocida hoy en día y en muchos hogares se usan los "microondas". Estos hornos

calientan los alimentos generando ondas microondas que en realidad calientan

selectivamente el agua. la mayoría de los alimentos, incluso los "secos" contienen agua.

Las microondas hacen que las moléculas de agua se muevan, vibran, este movimiento

produce fricción y esta fricción el calentamiento. Así no sólo se calienta la comida, otras

cosas ,como los recipientes, pueden calentarse al estar en contacto con los alimentos.

Ondas de radio

Son ondas electromagnéticas producidas por el hombre con un circuito oscilante.

1 cm < lambda < 1 km

Se emplean en radidifusión, las ondas usadas en la televisión son las de longitud de

onda menor y las de radio son las de longitud de onda mayor. Las radiondas más largas

se reflejan en la ionosfera y se pueden detectar en antenas situadas a grandes distancias

del foco emisor. Las ondas medias se reflejan menos en la ionosfera, debido a su gran


7

longitud de onda pueden superar obstáculos, por lo que pueden recorrer grandes

distancias. Para superar montañas necesitan repetidores. Las ondas cortas no se reflejan

en la ionosfera, requieren repetidores más próximos. Se transmiten a cualquier distancia

mediante los satélites artificiales. Este tipo de ondas son las que emiten la TV,teléfonos

móviles y los radar

Fuentes de radiación electromagnética

Las fuentes de radiación electromagnética (REM) pueden ser divididas en naturales (sol, tierra,

radioactividad) y artificial (radar, láser, entre otras). El sol es la fuente natural más importante,

ya que al interactuar su energía con las diversas substancias de la superficie de la Tierra, origina

una serie de fenómenos (reflexión, absorción, transmisión, luminiscencia, calentamiento) .

Cualquier fuente de energía electromagnética es caracterizada por su espectro de emisión, el

cual puede ser continuo o distribuido en fajas discretas. El sol, por ejemplo, emite radiación

distribuida continuamente en una faja que va de los rayos X hasta la región de

microondas, aunque concentrado en el intervalo de 0,35 um - 2,5 um. Toda substancia con

temperatura superior al cero absoluto (0o K ó -273o C) emite radiación electromagnética, como

resultado de sus oscilaciones atómicas y moleculares. Esta radiación emitida puede incidir sobre

la superficie de otra substancia pudiendo ser reflejada, absorbida o transmitida. En el caso de la

absorción, la energía es generalmente reemitida, con diferentes longitudes de onda. En la

práctica, los cuatro procesos: emisión, absorción, reflexión y transmisión ocurren

simultáneamente y sus intensidades relativas caracterizan la substancia que está siendo

investigada. Dependiendo de las características físicas y químicas de la substancia, los cuatro

procesos ocurren en diferentes regiones del espectro con intensidades distintas. Este

comportamiento espectral de las diversas substancias es denominado firma espectral y es

utilizado para distinguir diversos materiales entre sí.

Espectros

Cuando hacemos pasar la luz a través de un prisma óptico se produce el efecto

llamado dispersión que consiste en la separación de las distintas longitudes de

onda que forman el rayo incidente.

La luz blanca produce al descomponerla lo que llamamos un espectro

Continuo de BANDAS, que contiene el conjunto de colores que corresponde

a la gama de longitudes de onda que la integran. Si se analiza la luz emitida

por un tubo de descarga o la llama de un mechero se observara un espectro

discontinuo o de Línea


8

Espectro de bandas

Si hacemos pasar la luz blanca por una sustancia antes de atravesar el prisma

sólo pasarán aquellas longitudes de onda que no hayan sido absorbidas por

dicha sustancia y obtendremos el espectro de absorción de dicha sustancia. El

gráfico siguiente muestra el espectro de absorción del sodio:

Sin embargo, los elementos químicos en estado gaseoso y sometidos a

temperaturas elevadas producen espectros discontinuos en los que se aprecia

un conjunto de líneas que corresponden a emisiones de sólo algunas

longitudes de onda. El siguiente gráfico muestra el espectro de emisión del

sodio:

Espectro de línea


9

El conjunto de líneas espectrales que se obtiene para un elemento concreto es

siempre el mismo, incluso si el elemento forma parte de un compuesto

complejo y cada elemento produce su propio espectro diferente al de cualquier

otro elemento. Esto significa que cada elemento tiene su propia firma

espectral.

Observa que el sodio absorbe las mismas longitudes de onda que es capaz de

emitir. (Note que las líneas oscuras en un espectro de absorción aparecen

en las mismas exactas frecuencias de las líneas brillantes en el

correspondiente espectro de emisión)

La regularidad encontrada en los espectros discontinuos supone un apoyo muy

importante para comprender la estructura de los átomos.

LOS ESPECTROS DE EMISIÓN Y ABSORCIÓN SON COMO HUELLAS DIGITALES PARA LOS

DISTINTOS ELEMENTOS

Para el estudio de los espectros de los elementos químicos se usan aparatos diversos, fundamentalmente son:

- El espectroscopio: que al descomponer la luz incidente dispersándola en diferente

radiaciones monocromáticas, permite la observación directa del espectro de un

determinado,elemento.

- El espectrógrafo, que permite fotografiar las bandas de emisión y absorción de los

elementos.

-El espectrómetro, cuyo objeto es la medición de las longitudes de onda de emisión y absorción en los espectros.


10


11

ORÍGENES DE LA TEORÍA CUÁNTICA.

El modelo de Rutherford, basado en la concentración de carga positiva en el

núcleo de los átomos girando los electrones en órbitas a enorme distancia del núcleo en

relación a su tamaño, explicaba la gran penetrabilidad de determinadas partículas en la

materia. Sin embargo, pronto se vieron algunos inconvenientes que sugerían que debía

cambiarse la teoría atómica:

Explicación de los espectros atómicos.

La no emisión de energía por el giro de los electrones (se sabía por entonces que al

girar partículas cargadas, éstas deberían emitir energía en forma de radiación

electromagnética, lo que inevitablemente conduciría a los electrones a “caer” hacia el

núcleo produciendo un colapso de los átomos).

Esto iba en contra de la estabilidad observada de los átomos. Igualmente, las

líneas espectrales deberían ser explicadas a partir de una nueva teoría atómica.

HHiippóótteessiiss ddee PPllaannkk.. CCuuaannttiizzaacciióónn ddee llaa eenneerrggííaa.. Teoria de los cuantos

Hace un siglo, el 14 de diciembre de 1900, en una conferencia impartida por el profesor

Max Planck de la sociedad de física de Berlín, se habló por primera vez de la física

cuántica. En esa ocasión Planck dio a conocer una buena forma de describir el

comportamiento del color de la luz producida por un cuerpo caliente. Este

fenómeno no nos es totalmente desconocido pues sabemos por experiencia que si

calentamos un pedazo de hierro éste se hace luminoso –tanto más brillante cuanto más

caliente– y que su luz, como la solar, ( está compuesta por una extensa gama de colores

que nos recuerda al arco iris) , se comportaría de manera semejante pero a temperaturas

de 6000 ºK aproximadamente ¿Por qué sucede esto?

Para precisar el color de una luz se le asigna una cantidad llamada frecuencia. Cuando la

luz pasa del rojo al amarillo y luego al violeta la frecuencia crece(λ disminuye). Si

seguimos aumentando la frecuencia, la luz se hará invisible para nuestros ojos y

diremos que se trata de luz ultravioleta. El crecimiento de la frecuencia nos conducirá a

otras luces o radiaciones: los rayos X y los llamados "gamma". La organización de las

luces en términos de sus frecuencias constituye el espectro electromagnético y la teoría

correspondiente ya estaba firmemente establecida cuando Planck realizaba sus estudios.

Sin embargo, su aplicación a la emisión de luz por un cuerpo caliente predecía


12

algo absurdo: el aumento de temperatura haría crecer sin límite la

frecuencia.o la intensidad Mark Plank, quien nació en Alemania en 1858 (murió en

1947), se había doctorado en la Universidad de Munich en 1879 y especializado en

termodinámica, esto es, en el estudio de las propiedades de la materia relacionadas con

las condiciones a las que está sujeta, en especial su temperatura. .Volvamos al pedazo

de hierro pensemos en su calentamiento Todos los cuerpos emiten radiación

electromagnética por el simple hecho de tener cierta temperatura. Para estudiar la

liberación de energía por cuerpos calientes se debe considerar un objeto especial de

características ideales Un objeto que absorbiera toda la luz que incide sobre él no

reflejaría ninguna y, por consiguiente, parecería negro. Un objeto de estas características

cabría llamarlo «cuerpo negro».TEORIA CUÁNTICA DE PLANCK

Otra Explicación

Cuando un cuerpo es calentado emite radiación electromagnética en un amplio rango de

frecuencias.El cuerpo negro (ideal) es aquel que además absorbe toda la radiación que

llega a él sin reflejarla, de tal forma que sólo emite la correspondiente a su

temperatura.A fines del siglo XIX fue posible medir la radiación de un cuerpo negro

con mucha precisión. La intensidad de esta radiación puede en principio ser calculada

utilizando las leyes del electromagnetismo. El problema de principios del siglo XX

consistía en que si bien el espectro teórico y los resultados experimentales coincidían

para bajas frecuencias (infrarrojo), estos diferían radicalmente a altas frecuencias. Este

problema era conocido con el provocativo nombre de “la catástrofe ultravioleta”, ya que

la predicción teórica diverge a infinito en ese límite.

Quien logró explicar este fenómeno fue Max Planck, en 1900, que debió para ello

sacrificar los conceptos básicos de la concepción ondulatoria de la radiación

electromagnética.

Para resolver la catástrofe era necesario aceptar que la radiación no es emitida de

manera continua sino en cuantos de energía discreta, a los que llamamos fotones.

La energía de estos fotones es:


13

E (fotón) = h.ν ν : Frecuencia de la radiación electromagnética (s-1)

h : constante de Planck

h = 6,62.10-27 erg.s

h = 6,62.10-34 J.s

Cuando la frecuencia de la radiación es baja el efecto de la discretización se vuelve

despreciable debido al minúsculo valor de la constante de Planck, y es perfectamente

posible pensar al sistema como continuo, tal como lo hace el electromagnetismoEstos

cuerpos negros emiten energía y lo hace según un espectro característico, durante

muchos años no se logro explicar la radiación de energía de un cuerpo negro hasta que

Max Plank en 1900 lo hizo suponiendo que la energía se liberaba en paquetes o cuantos.

La materia al igual que la energía son discontinuas. La emisión de energía

por parte de las estrella se asemeja mucho a la de un cuerpo negro (salvo por las líneas

de absorción y emisión).Para construir la fórmula matemática que describe la

distribución por frecuencias de la luz emitida por un cuerpo caliente –un cuerpo negro–,

Planck tuvo que suponer que la luz y la materia no intercambian energía en

cantidades cualesquiera, como se había pensado hasta entonces, sino sólo en

múltiplos enteros de una cantidad mínima posible, un quantum (cuanto) de

energía. Con esto Planck abrió un nuevo camino que pronto permitiría empezar a

entender una gran cantidad de fenómenos que ahora se califican como cuánticos. Sin

embargo, como ha sucedido con otros grandes descubrimientos, Planck no pudo

comprender lo que había encontrado y confesó que había supuesto la existencia de

"paquetes discretos" de energía en un momento de desesperación al no encontrar otra

manera para describir la radiación del cuerpo negro.:

Los átomos o moléculas, del cuerpo negro, emiten o absorben radiación a una

determinada ”,, no de forma continua sino en cantidades discretas llamadas cuantos

Así, si un átomo emite radiación de frecuencia “”, la energía desprendida o la

energía del cuanto para esa radiación sera.


14

hE

A mayor” mayor será el cuanto de energía

hh==66,,662277xx 11003344

JJ..ss.

Efecto fotoeléctrico. Teoría corpuscular.

Hertz1888_Cuando se ilumina la superficie de un metal con radiación electromagnética (Luz)

se observa el desprendimiento de electrones .Esto fue observado en un electroscopio donde las

laminas previa mente cargadas (-)se separaban (por fricción)

Al incidir una radiación las laminitas se juntaban nuevamente lo que conducia al

hecho que eran descargadas por dicha radiación

Albert Einstein, principalmente por sus teorías de la relatividad, fue uno de los primeros

en aprovecharse de la hipótesis de Planck. En 1905 publicó una explicación del efecto

fotoeléctrico –la producción de electricidad por la incidencia de luz en metales– por la

que años después le fue otorgado el Premio Nobel de física. Einstein consideró la luz

como un gas formado por un gran número de partículas cuyas energías seguían el

comportamiento de los cuantos) de Planck y explicó el efecto fotoeléctrico como el

resultado de la incidencia de las partículas de luz sobre los electrones del metal. Los

electrones habían sido descubiertos ocho años antes. Ahora sabemos que la luz y la

electricidad tienen estructura granular: la luz se compone de partículas llamadas fotones

y la electricidad de electrones..


15

Algunos metales al incidir una determinada radiación

sobre ellos emiten electrones. Este fenómeno es utilizado

prácticamente para cerrar un circuito que, por ejemplo,

abra las puertas de un ascensor…

Se sabe que la capacidad para emitir electrones no

depende de la intensidad de la radiación sino únicamente

de su frecuencia “”, es decir, un haz muy luminoso de

baja frecuencia puede no producir ionización, mientras

que uno mucho menos luminoso pero de mayor

frecuencia, si. La frecuencia mínima para extraer un

electrón de un átomo (efecto fotoeléctrico) se denomina “frecuencia umbral “0”.


16

Einstein, aplicando la hipótesis de Plank, elaboró la teoría corpuscular, en la que

suponía que la luz estaba formada por partículas, a los que denominó “fotones” cuya

energía venía determinada por E = h · Si dicha energía se igualaba o superaba a la

energía de ionización se producía la ionización del electrón.

0

ionizE

h

Si se suministra una radiación de mayor frecuencia, el resto de la energía se

transforma en energía cinética del electrón:

2

0

1 h ( )

2cinética ionizE m v E h

=C/λ

LA ENERGIA DE UN FOTON :

ΔE = h. ѵ = h .C/λ

A MENOR MAYOR ES EL CUANTO DE ENERGIA DEL FOTON

MODELOS ATÓMICOS: Teoría de Bohr

En 1913, el físico danés Niels Bohr (1885-1962) propuso un

modelo que podía explicar resultados experimentales tales como la absorción y emisión

de luz por los átomos, la estabilidad de los electrones, basando su teoría en el átomo de

hidrogeno

Bohr postuló que:


17

• los electrones se mueven describiendo una órbita alrededor del núcleo como los

planetas alrededor del Sol.

•El Átomo de Hidrógeno contiene un electrón y un núcleo que consiste de un

sólo protón. El electrón del átomo de Hidrógeno puede existir solamente en

ciertas órbitas esféricas las cuales se llaman niveles o capas de energía. Estos

niveles de energía se hallan dispuestos concéntricamente alrededor del núcleo.

Cada nivel se designa con una letra (K, L, M, N,...) o un valor de n (1, 2, 3, 4,...).

• El electrón posee una energía definida y característica de la órbita en la cual se mueve.

Un electrón de la capa K (más cercana al núcleo) posee la energía más baja posible. Con

el aumento de la distancia del núcleo, el radio del nivel, la energía del electrón en el

nivel aumentan. El electrón no puede tener una energía que lo coloque entre los niveles

permitidos.

• Un electrón en la capa más cercana al núcleo (Capa K) tiene la energía más baja

o se encuentra en estado basal. Cuando los átomos se calientan, absorben energía y

pasan a niveles exteriores, los cuales son estados energéticos superiores. Se dice

entonces que los átomos están excitados.

• Cuando un electrón regresa a un Nivel inferior emite una cantidad definida de energía

a la forma de un cuanto de luz. El cuanto de luz tiene una longitud de onda y una

frecuencia características y produce una línea espectral característica.


18

• Para Bohr el átomo sólo puede existir en un cierto número de estados estacionarios,

cada uno con una energía determinada.

Bohr consideró que la fuerza centrífuga que experimenta el electrón al moverse en una

órbita circular es compensada por la atracción entre el núcleo y los electrones, debido a

que tienen cargas de distinto signo.

Gracias a este modelo fue posible calcular:

• El radio del átomo de hidrógeno.

• Los valores de energía de los distintos niveles en los que se puede ubicar un electrón.

Estos están dados por la ecuación En=Rh/n2 , donde R es un valor constante y

característico para cada tipo de átomo y n, un número entero, que coincide con el

número del nivel (es decir, 1 para el primero, 2 para el segundo, etcétera

• La energía sólo puede variar por saltos sucesivos, correspondiendo cada salto a una

transición de un estado a otro. En cada salto el átomo emite luz de frecuencia bien

definida dada por:

hv = | Ei - Ei |=E

De esta manera se explican los espectros atómicos, que en el caso del Hidrógeno

los niveles de energía posibles están dados por la fórmula:

E = - (h x R)/n2 , ( n = 1, 2, 3, . . . infinito)

Nota: por convenio, la energía de un electrón orbitando el núcleo es negativa y tanto

más negativa cuánto más cerca esté del núcleo. Para la primera órbita (n=1) la energía

es la más pequeña(más grande en valor absoluto). Cuando el electrón se separa

completamente del núcleo(n infinito) la energía es cero.

h = 6,0625 x 1034 Joule - seg, Const. de Plank

• La longitud de onda y la frecuencia de un fotón producido por el paso de un electrón

de un nivel de energía mayor a uno menor en el átomo de Hidrógeno esta dada por:

| Ef - Ei |=E =R .h (1/ni2 -

1/

nf

2) =h.

la energia del foton absorvido o emitido para cualquier salto es calculado de esta manera

.De los postulados de Bohr se desprende una conclusión muy importante: la energía no

puede tomar cualquier valor, sino solo valores definidos. Para indicar esta situación, se

dice que la energía está "cuantizada". Esta condición es aplicable cuando se analizan

átomos y moléculas o partículas de las dimensiones de estos; pero, para la mayoría de

los fenómenos cotidianos, esta condición no es evidente En algunas situaciones se


19

observan los efectos de la cuantización: por ejemplo, si con un pulverizador se arrojan

pequeñas gotas de una solución salina sobre el fuego, se observa un color característico

(con sal común, amarillo-naranja; con una sal de cobre, verde etc.). Este fenómeno se

debe a que, al calentarse los átomos, algunos de sus electrones pasan a un nivel superior

vacío; luego, al enfriarse, los electrones pasan de ese nivel de energía superior a uno

inferior y la diferencia de energía sobrante se libera en forma de luz. Como cada tipo de

átomo tiene una separación entre niveles de energía que le es propia, emitirá una luz

propia. Como cada tipo de átomo tiene una separación entre niveles de energía que le

es propia, emitirá una luz propia. La explicación de este tipo de fenómenos fue otro

éxito de esta teoría. Sin embargo, experimentos más detallados mostraron que este

modelo no explica correctamente las observaciones experimentales. Recién en 1930 se

sentaron las bases del modelo actual. Pero puede explicar con bastante éxito los

espectros de absorción y emisión del atomo de hidrogeno

SERIES

ESPECTRALES

Con esto se explican las

series de lineas del

espectro de

hidrogeno.La serie

Lyman corresponde

alos saltos de electrones

hasta la capa n=1 desde

las capas superiores ,la

serie Balmer saltos

hastan=2 y asi

susesivamente

n = 2

n = 3

n = 4n = 5

n =

n = 1

Series espectrales

n = 6

Lyman

Paschen

Balmer

Bracket

Pfund

Espectro

UV Visible Infrarrojo

SERIES: Lyman Balmer Paschen Bracket Pfund

E = h ·


20

ESPECTRO DE EMISIÓN DEL HIDRÓGENO

Éxitos:

-En el hidrógeno, se obtienen los niveles energéticos correctos

-Permitió identificar líneas debido a cationes de helio en estrellas

-Energía cinética =-1/2 Energía potencial (comprobación del teorema

del virial)

Fallos:

-En realidad, el electrón no esta limitado a una órbita circular

-no se puede aplicar la mecánica clásica durante los saltos a otra órbita

-electrón en movimiento circular emitiría una radiación que frenaría

el electrón y se saldría de su órbita

-determinista (posición y velocidad extrapolables en todo momento)

-FALLA EN OTROS ÁTOMOS

-Cuando existen líneas espectrales, estas líneas tiene cambios característicos, en

presencia de campos magnéticos muy fuertes; las líneas espectrales se desdoblan en

parejas con una distancia entre ellas relacionada a la magnitud del campo, a este

fenómeno se le conoce como fenómeno de Zeeman

PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA MECÁNICA CUÁNTICA

Dualidad onda-corpúsculo (De Broglie/1924):

El postulado de Broglie

El desarrollo de la Mecánica Cuántica comenzó con una idea muy simple pero

revolucionaria que fue expuesta en 1924 por Louis-Victor de Broglie en su Tesis

Doctoral. Inspirado por el comportamiento dual onda-corpúsculo de la radiación, de

Broglie especuló sobre la posibilidad que también la materia tuviera un comportamiento

dual, esto es que las entidades físicas que consideramos como partículas (electrones,

átomos, bolas de billar, etc.) pudieran en determinadas circunstancias manifestar

propiedades ondulatorias .Hemos visto que la naturaleza corpuscular de la

radiación electromagnética se pone en evidencia cuando se estudia su interacción

con la materia (emisión y absorción, efecto fotoeléctrico,). Por otra parte, su

naturaleza ondulatoria se manifiesta por la forma con que se propaga, dando lugar

a los fenómenos de interferencia y difracción. Esta situación se puede describir diciendo que la radiación electromagnética es una

onda que al interactuar con la materia manifiesta un comportamiento corpuscular.

Con igual derecho podemos también decir que consta de partículas (los fotones)


21

cuyo movimiento está determinado por las propiedades de propagación de ciertas

ondas que les están asociadas. En realidad ambos puntos de vista son

aceptablesPensando en términos de la segunda alternativa y razonando por analogía, de

Broglie exploró la idea que el movimiento de una partícula está gobernado por la

propagación de ciertas ondas asociadas con ella. a estas ondas el las denomino ondas

ESTACIONARIAS. Dijo también que estas ondas no eran meras abstracciones sino que

están asociadas con el movimiento real de la partícula y que se pueden medir.

De Broglie tenia una idea particular respecto al comportamiento ondulatorio de los

electrones alrededor del núcleo. La onda asociada al electrón es una onda estacionaria,

es decir una onda con sus extremos fijos Así dentro del perímetro de la circunferencia

orbital del electrón en cuestión para el que asociamos una onda, podrán ubicarse numero

entero de longitudes de onda a) si no era numero entero esa onda se cancelaba b)

La longitud de onda de estas partículas o de cualquier particula cuya masa es lo

suficiente mente pequeña , se podía determinar:

h

m v

m=masa de la particula v=velocidad h= cte de Planck

Mas tarde y en forma experimental la tesis fue corroborada para los electrones en

los experimentos de difracción e interferencia de las dos ranuras. Paradójicamente esta

comprobación la hizo G. Thompson hijo de J.J.Thompson quien fuera el que demostró

la propiedad corpuscular de los electrones.

Principio de incertidumbre (Heisenberg/1927).

Aunque nos limitemos a mirar una cosa para verla, la percibimos gracias a los

fotones de luz que rebotan en el objeto, y eso introduce ya un cambio. Tales

cambios son diminutos, y en la vida corriente de hecho los ignoramos; pero los cambios

siguen estando ahí. E imaginemos lo que ocurre cuando los objetos que estarnos


22

manejando son diminutos y cualquier cambio, por diminuto que sea, adquiere su

importancia. .. «Principio de Incertidumbre de Heisenberg», principio que revela una

característica distinta de la mecánica cuántica que no existe en la mecánica newtoniana.

Como una definición simple, podemos señalar que se trata de un concepto que describe

que el acto mismo de observar cambia lo que se está observando. En 1927, el físico

alemán Werner Heisenberg se dio cuenta de que las reglas de la probabilidad que

gobiernan las partículas subatómicas nacen de la paradoja de que dos propiedades

relacionadas de una partícula no pueden ser medidas exactamente al mismo tiempo. Por

ejemplo, un observador puede determinar o bien la posición exacta de una partícula en

el espacio o su momento (el producto de la velocidad por la masa) exacto, pero nunca

ambas cosas simultáneamente. Cualquier intento de medir ambos resultados conlleva a

imprecisiones

Cuando un fotón emitido por una fuente de luz colisiona con

un electrón (turquesa), el impacto señala la posición del

electrón. En el proceso, sin embargo, la colisión cambia la

velocidad del electrón. Sin una velocidad exacta, el impulso

del electrón en el momento de la colisión es imposible de

medir.

Heisenberg logró demostrar que es imposible idear ningún método para

determinar exacta y simultáneamente la posición y el momento de un

objeto. Cuanto mayor es la precisión con que determinamos la posición,

menor es la del momento, y viceversa. Heisenberg calculó la magnitud de

esa inexactitud o «incertidumbre» de dichas propiedades, y ese es su

«principio de incertidumbre».

. “Es imposible conocer simultáneamente la posición y la cantidad de

movimiento de una partícula”.

Así:

hx · p

4

,


23

Siendo x la incertidumbre en la posición y p la incertidumbre en la cantidad de movimiento.

Mecánica cuántica

La Mecánica cuántica, también conocida como física cuántica, es la parte de la

física que estudia el movimiento de las partículas muy pequeñas, el comportamiento de

la materia a escala muy pequeña. El concepto de partícula "muy pequeña" atiende al

tamaño en el cual comienzan a notarse efectos como la imposibilidad de conocer con

exactitud arbitraria y simultáneamente la posición y el momento de una partícula (véase

Principio de indeterminación de Heisenberg), entre otros. A tales efectos suele

denominárseles "efectos cuánticos". Así, la Mecánica cuántica es la que rige el

movimiento de sistemas en los cuales los efectos cuánticos sean relevantes. Se ha

documentado que tales efectos son importantes en materiales mesoscópicos (unos 1.000

átomos).

Las suposiciones más importantes de esta teoría son las siguientes:

• La energía no se intercambia de forma continua, sino que en todo intercambio

energético hay una cantidad mínima involucrada (cuantización de la energía).

• Al ser imposible fijar a la vez la posición y el momento de una partícula, se

renuncia al concepto de trayectoria, vital en Mecánica clásica. En vez de eso, el

movimiento de una partícula queda regido por una función matemática que

asigna, a cada punto del espacio y a cada instante, la probabilidad de que la

partícula descrita se halle en tal posición en ese instante (al menos, en la

interpretación de la Mecánica cuántica más usual, la probabilística o "de

Copenhague"). A partir de esa función, o función de ondas, se extraen

teóricamente todas las magnitudes del movimiento necesarias.

Aunque la estructura formal de la teoría está bien desarrollada, y sus resultados

son coherentes con los experimentos, no sucede lo mismo con su interpretación, que

sigue siendo objeto de controversias.

La teoría cuántica fue desarrollada en su forma básica a lo largo de la primera

mitad del siglo XX. El hecho de que la energía se intercambie de forma discreta se puso

de relieve por hechos experimentales como los siguientes, inexplicables con las

herramientas teóricas "anteriores" de la mecánica clásica o la electrodinámica:

naturaleza de la luz - … · ... y concluyó que las ondas luminosas son de ... los rayos x de los...

Documents