sábado, 8 de marzo de 2014

2b-Modelos atómicos.

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TEORÍA ATÓMICA. MODELOS ATÓMICOS.

1-Introducción

Reseña histórica:

-En el siglo V AC, el filósofo Empédocles propuso la idea de Teoría de los cuatro elementos:
Este antiguo filósofo postuló que nada puede originarse de la nada y que nada y nada puede desaparece, además que eran cuatro los elementos fundamentales y que se hallaban en constante movimiento: el agua, el fuego de, el aire y la tierra. Estos elementos están sometidos a dos fuerzas, que pretenden explicar el movimiento (generación y corrupción) en el mundo, y son el amor, que las une, y el odio, que las separa.
-Posteriormente en el siglo IV, el filósofo Demócrito propone la idea "atomista" de la materia. Este sostenía la idea en la materia estaba compuesta por pequeñísimas partículas que componían todo lo que nos rodea y que solo se distinguían entre sí por su forma.
-EL filósofo Aristóteles en el siglo IV propone que la materia es continua. Él creía en los 
cuatro elementos básicos : tierra, agua, fuego y aire, y que la materia es “continua”, es decir que la materia era divisible infinitamente,  cualquier clase de materia podía dividirse sin límite hasta quedar en partes cada vez más pequeñas.
-Etapa científica : La primera teoría atómica científica propuesta por John . Dalton en el siglo XVII, reintroduce la idea de la “discontinuidad” de la materia y propone la denominación de átomo a la partícula mas pequeña, aludiendo a Demócrito. Con el tiempo esta idea fue profundizándose y haciéndose mas compleja hasta la actualidad.




Esquema de la evolución del concepto de átomo a través de la historia.

2-Modelos atómicos

#Atomismo. Demócrito y Leucipo
El concepto de átomo existe desde la antigua Grecia, propuesto por los filósofos griegos Demócrito y Leucipo, sin embargo no se generalizó el concepto. Además se trataba de una idea filosófica por medio de la cual explicaban la estructura de la materia y todo lo nos rodea, por tanto careció de los atributos posteriores de la argumentación por experimentación y el método científico.
Se proponía que, «la materia no puede dividirse indefinidamente, por lo que debe existir una unidad o bloque indivisible e indestructible que al combinarse de diferentes formas, creara todos los cuerpos macroscópicos que nos rodean».
Esta idea sostiene que la materia no es más que una mezcla partículas  que poseen las características de inmutabilidad y eternidad, concebidos como entidades infinitamente pequeñas y, por tanto, imperceptibles para los sentidos, a las que se llamó átomos, término griego que significa "que no puede cortarse, sin división".
Se pensaba que los átomos se distinguen por forma, tamaño, orden, posición y peso. Gracias a la forma que tiene cada átomo es que pueden ensamblarse y formar cuerpos, que volverán a separarse, quedando libres los átomos de nuevo hasta que se junten con otros. Los átomos estuvieron y estarán siempre en movimiento y son eternos. El movimiento de los átomos en el vacío es un rasgo inherente a ellos, un hecho irreductible a su existencia, infinito, eterno e indestructible.
Estas deducciones, si bien verdaderas, se apoyaban sólo el pensamiento lógico. No consideraban necesaria la experimentación, por ser un concepto filosófico. 
La "teoría" atomista se puede esquematizar así:
-Los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos, incompresibles e invisibles.
-Entre cada átomo hay espacio vacío
-Hay muchos tipos de átomos y se diferencian solo en forma y tamaño, pero no por cualidades internas.
-Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los átomos que están en continuo movimiento


#Teoría atómica de Dalton
Durante el siglo XVIII y los primeros años del siglo XIX, en su afán por conocer e interpretar la naturaleza, los científicos estudiaron intensamente las reacciones químicas mediante numerosos experimentos. Estos estudios permitieron hallar relaciones muy precisas entre las masas de las sustancias sólidas, y entre los volúmenes de los gases, que intervienen en las reacciones químicas.




El científico inglés John Dalton descubrió una de las relaciones básicas en las reacciones químicas que se conoce como "Ley de las Proporciones Múltiples". En estas experimentaciones debió desarrollar una concepción de materia que lo levó a proponer un modelo atómico, el primer modelo basado en experimentación.  Los 
conceptos propuestos por Demócrito fueron  recuperados y se reestableció la idea del atomismo y fueron el pilar fundamental para el inicio de la química y física moderna.
El modelo de átomo de Dalton, ahora basado en la evidencia científica, fue por primera vez propuesto.
En su teoría atómica Dalton dijo  que:
-La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.
-Los átomos de un mismo elemento químico son iguales entre sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos de los diferentes elementos tienen pesos diferentes.
-Los átomos permanecen sin división, aun cuando se combinen en las reacciones químicas.
-Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.
-Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.
-Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos.

#Modelo atómico de Thomson
El modelo atómico de Thomson surge de un experimento que cambiaría para siempre la idea o concepto del átomo como tal, el experimentos de tubo de rayos catódicos.
Tubo de rayos catódicos de Crookes, que utilizó Thomson para sus investigaciones pudo establecer que: 





-La relación entre la carga y la masa de los rayos catódicos, al medir cuánto se desvían por un campo magnético y
-La cantidad de energía que llevan.
-Encontró que la relación carga/masa era más de un millar de veces superior a la del ion Hidrógeno, lo que sugiere que las partículas son muy livianas o muy cargadas.

Las conclusiones de Thomson fueron audaces: los rayos catódicos estaban hechos de partículas que llamó "corpúsculos", y estos corpúsculos procedían de dentro de los átomos de los electrodos, lo que significa que los átomos son, de hecho, divisibles. 
Thomson imaginó que el átomo se compone de estos corpúsculos en un mar lleno de carga positiva; a este modelo del átomo, atribuido a Thomson, se le llamó el modelo de pudín de pasas.
En 1906 fue galardonado con el Premio Nobel de Física por su trabajo sobre la conducción de la electricidad a través de los gases.


El nuevo modelo atómico usó la amplia evidencia obtenida gracias al estudio de los rayos catódicos a lo largo de la segunda mitad del siglo XIX.
Si bien el modelo atómico de Dalton daba debida cuenta de la formación de los procesos químicos, postulaba que los átomos son indivisibles. La evidencia suministrada por los rayos catódicos sugería que esos átomos contenían partículas eléctricas de carga negativa, y que sí se podian dividir.


#Modelo atómico de Rutherford
Este modelo atómico es una teoría sobre la estructura interna del átomo propuesto por el químico y físico británico-neozelandés, Ernest Rutherford para explicar los resultados de su "experimento de la lámina de oro", realizado en 1911.
El modelo de Rutherford fue el primer modelo atómico que consideró al átomo formado por dos partes: la "corteza", constituida por todos sus electrones, girando a gran velocidad alrededor de un "núcleo" muy pequeño; que concentra toda la carga eléctrica positiva y casi toda la masa del átomo.
Rutherford llegó a la conclusión de que la masa del átomo se concentraba en una región pequeña de cargas positivas que impedían el paso de las partículas alfa. Sugirió un nuevo modelo en el cual el átomo poseía un núcleo o centro en el cual se concentra la masa y la carga positiva, y que en la zona extranuclear se encuentran los electrones de carga negativa.



La importancia del modelo de Rutherford residió en proponer por primera vez la existencia de un núcleo en el átomo (término que, paradójicamente, no aparece en sus escritos). Lo que Rutherford consideró esencial, para explicar los resultados experimentales, fue "una concentración de carga" en el centro del átomo, ya que sin ella, no podía explicarse que algunas partículas fueran rebotadas en dirección casi opuesta a la incidente. Este fue un paso crucial en la comprensión de la materia, ya que implicaba la existencia de un núcleo atómico donde se concentraba toda la carga positiva y más del 99,9% de la masa. Las estimaciones del núcleo revelaban que el átomo en su mayor parte estaba vacío.





Rutherford propuso que los electrones orbitarían en ese espacio vacío alrededor de un minúsculo núcleo atómico, situado en el centro, y aproximadamente 10.000 veces más chico que el átomo.
Según Rutherford, las órbitas de los electrones no están muy bien definidas y forman una estructura compleja alrededor del núcleo, dándole un tamaño y forma algo indefinidas. Los resultados de su experimento le permitieron calcular que el radio atómico era diez mil veces mayor que el núcleo mismo, y en consecuencia, que el interior de un átomo está prácticamente vacío.



#Modelos cuánticos del átomo.
Experimentos que posibilitaron descubrimientos importantes para la teoría atómica.
En los últimos años del s. XIX y principios del XX el estudio de la interacción entre la materia y las ondas electromagnéticas originó grandes preguntas. Esto llevó a la formulación de importantes problemas, y cuando se resolvieron condujo a una concepción nueva de la física que rige el comportamiento de los átomos: la Física Cuántica.
Los tres fenómenos que dieron las pistas para la formulación de la Física Cuántica tenían relación con la absorción y/o emisión de ondas electromagnéticas por los átomos que constituyen la materia:
Cinco fenómenos importantes:

a-Espectro de emisión.
Los cuerpos emiten radiación y ya vimos en Energía, como esta se intercambia.
Los intercambios de energía entre materia por radiación tienen lugar no de manera continua, sino por cantidades discretas e indivisibles o "cuantos de energía".
El cuanto de energía es proporcional a la frecuencia de la radiación":








Si pasamos la radiación de un cuerpo por un prisma veremos el espectro de emisión.
Si ese cuerpo es de un elemento atómico (oro, cobre, hierro, etc) lo que vemos es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento. (rayitas de diferentes colores)
El espectro de emisión de cada elemento es único , como una huella digital y puede ser usado para determinar la presencia de ese elemento .








b-Efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material al incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general).



c-Dualidad onda partícula:
Propuesta por L. de Broglie. es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”. Dado ese comportamiento dual, es típico de los objetos mecanocúanticos, donde algunas partículas pueden presentar interacciones muy localizadas y como ondas exhiben el fenómeno de la interferencia. De acuerdo con la física clásica existen diferencias claras entre onda y partícula. Una partícula tiene una posición definida en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula. Actualmente se considera que la dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”.





d-Principio de incertidumbre:
En mecánica cuántica, el principio de incertidumbre de Heisenberg establece la imposibilidad de que determinados pares de magnitudes físicas observables y complementarias sean conocidas con precisión, como son, la posición y el momento lineal (cantidad de movimiento) de un objeto dado.
En otras palabras, cuanta mayor certeza se busca en determinar la posición de una partícula, menos se conoce.
El principio de indeterminación no tiene un análogo clásico y define una de las diferencias fundamentales entre física clásica y física cuántica.





e-Experimento de la doble rendija

El experimento de Young, también denominado experimento de la doble rendija, fue realizado en 1801 por Thomas Young, en un intento de discernir sobre la naturaleza corpuscular u ondulatoria de la luz. Young comprobó un patrón de interferencias en la luz procedente de una fuente lejana al difractarse en el paso por dos rejillas, resultado que contribuyó a la teoría de la naturaleza ondulatoria de la luz.
Posteriormente, la experiencia ha sido considerada fundamental a la hora de demostrar la dualidad onda corpúsculo, una característica de la mecánica cuántica. El experimento también puede realizarse con electrones, protones o neutrones, produciendo patrones de interferencia similares a los obtenidos cuando se realiza con luz.





#Modelo cuántico de Bohr.

Este modelo atómico fue el primer modelo atómico cuántico. Propuesto en 1913 por el físico danés Niels Bohr, para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford).
Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para hacer el modelo que lleva su nombre. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón.
En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana posible al núcleo. Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante. Este número "n" recibe el nombre de Número Cuántico Principal.
Postulados de Bohr.
-Primer postulado: Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo del átomo sin irradiar energía.
-Segundo postulado: No toda órbita para electrón está permitida, tan solo se puede encontrar en órbitas con un rqadio determinado.
-Tercer postulado: El electrón emite o absorbe energía en los saltos de una órbita permitida a
otra.





#Modelo cuántico de Schrödinger

-Ecuación de onda




El propuesto por Schrödinger es un modelo basado en la física cuántica y mejora el propuesto por Bohr, explicando lo que ocurre para todos los átomos, no sólo para el hidrógeno. Este modelo atómico está basado en una ecuación de onda (ecuación matemática estadística) que predice en que lugar del átomo es más probable encontrar un electrón.
El electrón se encuentra en una nube electrónica a la que denomina orbital por la forma que tiene es variable.
Lo que Bohr llama orbita , nivel de energía o capa, Schrödinger llama orbitales. Lo que Bohr llama nivel de energía de un electrón , Schrödinger dice que es una zona de alta probabilidad de encontrar al electrón .

-Números cuánticos

La ecuación de onda posee tres "variables" , cuya resolución aporta tres tipos de soluciones. Estas tres soluciones denominados números cuánticos: "n", "l", "m", predicen la energía, forma y orientación del orbital.
n: número cuantico principal. Es el nivel de energía donde probablemente se encontrará el electrón. Se denomina con números del 1 al 7.
l: nunero cuantico azimutal. Es la forma geométrica del orbital donde probablemente se encontrará el electron. Según su forma se denominan con letras: s, p, d, f. 
m: numero cuántico magnético. Es la orientación del orbital donde probable encontrará el electrón
s: numero cuantico spin. Además se debe tener en cuenta que el electrón posee un giro sobre si mismo, que puede tener dos sentidos diferentes, denominado "spin" o "s".

3-Resumiendo:

El modelo atómico actual es el Modelo de Schrödinger que considera una serie de partículas que se encuentran en él, y le confieren todas sus características.
Estas partículas se dividen en dos clases Fermiones y Bosones. Siendo los Fermiones mas estables, poseen las partículas mas importantes del núcleo: protón y neutrón en el centro del átomo. En los orbitales se encuentran los leptones , los electrones que según su energía y cantidad se distribuyen de diferente manera siguiendo un orden predeterminado.

Cada tipo de átomo posee una cantidad de protones, neutrones y electrones, diferente y dispuestos de una forma clara y precisa. 

Cada tipo  átomo posee una cantidad de de protones , neutrones y electrones diferente, y son estos lo que realmente lo caracteriza.

En química se denomina orbital a la zona del espacio que rodea a un núcleo atómico donde la probabilidad de encontrar un electrón es máxima.

-Fermiones:
*quark: protón y neutrón
*leptón: electrón
-Bosones
*Fotón: (manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético)
*Gluón: (crea la interacción entre las fuerzas fundamentales, sin carga ni masa)



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VIDEOS:
El modelo atómico y la mecánica (física) cuántica 








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