Download Diapositiva 1 - Maristas Inmaculada, Valladolid

Estructura de la materia:
desarrollo histórico
Año
Científico(s)
Descubrimiento/Teoría
Era
Griega
Democrito
"por convención amargo, dulce por convención, pero en
realidad átomos y vacío".
1704
Isaac Newton
Propuso un universo mecánico con pequeñas masas en
movimiento.
1803
John Dalton
Propuso una teoría atómica con átomos sólidos
esféricos basada en las propiedades mensurables de las
masas.
1832
Michael Faraday
Estudió el efecto de la electricidad en las soluciones,
acuñó el término electrólisis refiriéndose a la ruptura de
las moléculas por la electricidad y desarrolló las leyes de
la electrólisis.
1859
J. Plucker
Construyó uno de los primeros tubos de descarga de
gas (tubo de rayos catódicos, TRC).
1869
Dmitri Mendeleeff Ordenó los elementos en 7 grupos con propiedades
similares. Descubrió que las propiedades de los
elementos eran “funciones periódicas de los pesos
atómicos”. Esto se conoció como Ley Periódica.
1873
James Clerk
Maxwell
Propuso que campos eléctricos y magnéticos llenan el
vacío.
1874
G.J. Stoney
Propuso que la electricidad estaba compuesta por
partículas negativas discretas llamadas “electrones”.
1879
Sir William
Crookes
Descubrió que los rayos catódicos tenían las siguientes
propiedades: viajan en líneas rectas desde el cátodo,
causan la fluorescencia del vidrio, le imparten una
masas negativa a los objetos que golpean, son
deflectados por campos eléctricos y magnéticos
sugiriendo una carga negativa, pueden hacer girar una
hélice que se interponga en su camino indicando que
tienen masa.
1886
E. Goldstein
Utilizó un TRC para estudiar los “rayos canales” que
tenían propiedades eléctricas y magnéticas opuestas a
los electrones.
1887
Heinrich Hertz
Descubre el Efecto Fotoeléctrico.
1895
Wilhelm Roentgen Utilizando un TRC observó rayos muy penetrantes
saliendo del mismo que no eran deflectados por campos
electricos ni magnéticos. Los llamó “rayos X”.
1896
Henri Becquerel
Al estudiar el efecto de los rayos X sobre un film
fotográfico descubrió que algunas sustancias
espontáneamente se descomponen y emiten rayos muy
penetrantes.
1897
J.J. Thomson
Utilizó un TRC para determinar experimentalmente la
relación entre la carga y la masa del electrón (e/m)
8
=1.759 x 10 culombios/gramo.
1897
J.J. Thomson
Estudió los "rayos canales" y encontró que estaban
+
asocidos con el protón H .
1898
Rutherford
Estudió la radiación emitida por el U y el Th y la llamó
alfa y beta.
1898
Marie Sklodowska Estudió el U y Th y llamó su proceso de decaimiento
Curie
espontáneo “radioactividad”. Descubre los elementos
radiactivos Po y Ra.
1900
Soddy
Observó la desintegración espontánea de los elementos
radioactivos en variantes que llamó “isótopos” ó en
elementos totalmente nuevos.
1900
Max Planck
Utilizó la idea de los cuantos (unidades discretas de
energía) para explicar la incandescencia de la materia
caliente (radiación del cuerpo negro).
1904
Abegg
Descubrió que los gases nobles tenían una
configuración electrónica estable que los hacía
químicamente inertes.
1905
Albert Einstein
Explicación del Efecto Fotoeléctrico.
1906
Hans Geiger
Desarolló un aparato eléctrico para medir las partículas
alfa.
1909
R.A. Millikan
Experimento de la gota de aceite determinó la carga
-19
-28
(e=1.602 x 10 culombios) y la masa (m = 9.11 x 10
gramos) del electrón.
1911
Ernest Rutherford Utilizando partículas alfa como proyectiles atómicos
bombardeó una fina placa de oro (0.00006 cm).
Estableció que el núcleo era: muy denso, muy pequeño
y cargado positivamente. Supuso que los electrones se
localizaban fuera del núcleo.
1913
Niels Bohr
Modelo atómico orbital del hidrógeno.
1914
H.G.J. Moseley
Utilizando rayos X, determina las cargas de los núcleos
de la mayoría de los átomos. Identificó el Z con el
número de protones en el núcleo. Reorganización de la
Tabla Periódica en función de Z en lugar de la masa
atómica.
1919
Aston
Descubrió la existencia de los isótopos utilizando un
espectrógrafo de masas.
1923
de Broglie
Dualidad onda-partícula.
1927
Heisenberg
Principio de Incertidumbre
1930
Schrodinger
Visualizó a los electrones como nubes contínuas e
introdujo la “mecánica ondulatoria” como un modelo
matemático para el átomo.
1932
James Chadwick Utilizando partículas alfa descubre una partícula atómica
neutra con una masa cercana a la del protón (neutrón).
1938
Lise Meitner,
Condujeron experimentos verificando que los elementos
Hahn, Strassman pesados capturan neutrones y forman productos
inestables que se fisionan. Este proceso eyecta más
neutrones continuando el proceso de fisión en cadena.
1941 - 51 Glenn Seaborg
Sintetiza 6 elementos trans-uránidos y sugiere un
cambio en la diagramación de la Tabla Periódica.
1942
Lleva a cabo la primer reacción controlada en cadena
liberando energía de los núcleos de los átomos.
Enrico Fermi
Desarrollo histórico de la teoría atomica
Hubo en esencia tres grandes pasos:
 Descubrimiento de la naturaleza eléctrica de la
materia y de la electricidad misma (1832,
Faraday; 1897, Thompson; 1909, Millikan)
 Descubrimiento de que el átomo consiste de un
núcleo rodeado de electrones (1911, Rutherford)
 Descubrimiento de las leyes mecánicas que
gobiernan la conducta de los electrones en los
átomos (1925, Mecánica Cuántica).
Electrólisis (FARADAY, 1832)
m = Peq x q
Diversas sustancias
 Las leyes de la electrólisis son análogas a
las leyes de la combinación química que
originalmente sugirieron la existencia de
átomos.
 Un número fijo de átomos reacciona con
una cantidad fija de electricidad.
 Parece razonable suponer que la
electricidad misma está compuesta por
partículas.
 En 1874 Stoney sugiere el nombre de
electrón para la partícula eléctrica
fundamental.
Conductividad eléctrica de los gases a bajas
presiones



Los gases son aislantes eléctricos. Sin embargo, cuando
se los somete a altos voltajes y a bajas presiones (0,01
atm) se “descomponen” y se da la conducción eléctrica
y la emisión de luz.
A presiones de 10-4 atm persiste la conducción eléctrica
y disminuye la luminosidad del gas.
A voltajes de 5000 a 10000 voltios el recipiente de
vidrio comienza a brillar o a fluorecer como resultado
del bombardeo de las paredes de vidrio por “rayos” que
se originan en el cátodo o electrodo negativo y viajan en
linea recta hasta que chocan con el electrodo positivo ó
con las paredes del tubo.
TUBO DE RAYOS CATÓDICOS
Rayos Catódicos
 Se propagan en línea recta
 Proyectan sombra de cuerpos opacos que obstruyen su
trayectoria
 Mueven hélices livianas (tienen masa)
 Los campos eléctricos y magnéticos desvían los rayos como lo
harían con cargas negativas
 Sus propiedades son independientes del material del cátodo
 Sus propiedades son independientes del gas presente en el
tubo
EXPERIMENTO DE THOMPSON
Experimento de Thompson
H: intensidad campo magnético
r: radio curvatura producida
e: carga del electrón
m: masa del electrón
v: velocidad del electrón
E: intensidad campo eléctrico
r
e-
a) Se aplica el campo magnético
Fuerza ejercida por el campo magnético = Hev
Fuerza centrífuga = mv2
Hev = mv2 / r
/r
e / m = v / Hr
b) Luego se aplica el campo eléctrico ( Se retorna el haz a la
posición central)
Feléctrica = F magnética
Hev = Ee
v = E/H
e/m = E/H2r
1,759x108coul/gramo
Para todo gas y electrodo
La relación e/m para los rayos catódicos era más de 1000
veces mayor que la de cualquier ión.
EXPERIMENTO DE MILLIKAN
Experimento de Millikan
 En ausencia del campo eléctrico
m g = 6  r h v1
Ley de Stokes
v1 = 2gr2r / 9h
Se determina el radio, el volumen y
la masa de la gota
 En presencia del campo eléctrico
v1 / v2 = mgotag / (Eq – mgotag)
4.77 x 10-10 unidades electrostáticas de carga
ó 1.6 x 10-19 coul.
1 coul = 2.99592x109ues
Rayos Canales (atraviesan un cátodo perforado)
Se comportan de manera inversa a los Rayos catódicos
q/m = v/ H.r
Relación diferente para cada gas
Es máxima para el H (protón)
El protón tiene igual carga que el electrón
pero de signo contrario y masa igual a 1 u.m.a.






De los volúmemes molares de los sólidos se sabía que ese
número, expresado en cm3/mol dividido por el número de
Avogadro da un volumen atómico del orden de 10-24 cm3.
Tomando la raíz cúbica de ese número se muestra que el tamaño
característico de un átomo es 10-8 cm aproximadamente.
Los experimentos de Thompson mostraron que el átomo,
siendo aún tan chico, contenía partículas aún más pequeñas de
electricidad negativa (electrones).
Como los átomos son ordinariamente neutros, debían contener
también electricidad positiva.
Como los electrones eran tan livianos, parecía apropiado asociar
la mayor parte de la masa de un átomo con su electricidad
positiva.
Si la electricidad positiva contenía la mayor parte de la masa
atómica, era razonable que ella debía ocupar la mayor parte del
volumen atómico
Por lo tanto Thompson propuso un modelo del átomo en el cual
este era una esfera uniforme de electricidad positiva de radio 10-8
cm con los electrones dentro de ella de modo que resultara el
agrupamiento electrostático más estable.
MODELO DE THOMPSON
RADIOACTIVIDAD
Rayos Alfa: partículas doblemente cargadas (He2+) y de 4 umas
Rayos Beta: electrones
Rayos gamma: radiación electromagnética
1911
La mayoría de las partículas atravesó la lámina
1 cada 20.000 partículas se deflectó más de 90º





Rutherford sabía que la energía cinética de las particulas  era
muy grande y a fin de producir una desviación de una partícula
tan energética el átomo debía ser el asiento de una enorme fuerza
eléctrica.
Esta fuerza debía ser ejercida por un cuerpo de masa
considerable, ya que uno de masa pequeña como el electrón sería
arrastrado por la partícula .
El hecho de que una fracción muy pequeña de las partículas 
experimentaran grandes desviaciones sugería que esta gran
fuerza eléctrica estaba confinada en regiones de espacio muy
pequeñas.
Atomo altamente no uniforme. Nucleo diminuto y pesado.
Este experimento no sólo proporcionó una indicación cualitativa
de la existencia del núcleo atómico sino que dio origen a una
medida cuantitativa de su carga y su masa.
Diámetro del átomo  104-105. diámetro del núcleo
El núcleo concentra el 99,97 % de la masa en 10-39 cm3
Moseley (1913)
Bombardeo de átomos con electrones de alta energía
Se expulsa un electrón interno y un electrón externo
ocupa el lugar emitiendo rayos X
(1/λ) α Z2
Diferencias entre Z y PAR
Existencia del neutrón (descubierto en 1932 – Chadwick)
Z: Número atómico
A: Número másico
A=Z+N
A
X
Z
ISÓTOPOS
igual Z y diferente A
Radiación electromagnética

La radiación electromagnética es una combinación
de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se
propagan a través del espacio transportando energía de
un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda,
como el sonido, que necesitan un medio material para
propagarse, la radiación electromagnética se puede
propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que
existía una sustancia indetectable, llamada éter, que
ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de
las ondas electromagnéticas.

Maxwell asoció varias ecuaciones, actualmente denominadas
ecuaciones de Maxwell, de las que se desprende que un campo
eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético y,
recíprocamente, la variación temporal del campo magnético
genera un campo eléctrico. Se puede visualizar la radiación
electromagnética como dos campos que se generan mutuamente,
por lo que no necesitan de ningún medio material para
propagarse. Las ecuaciones de Maxwell también predicen la
velocidad de propagación en el vacío (que se representa c, por la
velocidad de la luz, con un valor de 299.792 km/s), y su
dirección de propagación (perpendicular a las oscilaciones del
campo eléctrico y magnético que, a su vez, son perpendiculares
entre sí).
RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Puede interpretarse como campos magnéticos y eléctricos
variables sinusoidalmente en el tiempo y en la distancia.
FUENTE
distancia
distancia
FUENTE
Longitud de onda (λ)
distancia
FUENTE
FUENTE
tiempo
Número de ciclos por segundo = ν = frecuencia
Ondas
 = c/λ = c. 
c: velocidad de la onda
 : número de onda
Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la luz y toda
la energía que incide sobre él. Ninguna parte de la radiación
es reflejada o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su
nombre, el cuerpo negro emite luz y constituye un modelo
ideal físico para el estudio de la emisión de radiación
electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por
Gustav Kirchhoff en 1862. La luz emitida por un cuerpo negro
se denomina radiación de cuerpo negro.
Cuerpo negro:
Objeto que absorbe el 100%
de la radiación incidente.
Se ve negro porque no refleja luz.
Bases experimentales
Es posible estudiar objetos en el laboratorio con comportamiento muy cercano
al del cuerpo negro. Para ello se estudia la radiación proveniente de un agujero
pequeño en una cámara aislada. La cámara absorbe muy poca energía del
exterior ya que ésta solo puede incidir por el reducido agujero. Sin embargo, la
cavidad irradia energía como un cuerpo negro. La luz emitida depende de la
temperatura del interior de la cavidad produciendo el espectro de emisión de
un cuerpo negro.
Notas históricas
El espectro de emisión de la radiación de cuerpo negro no podía ser explicado
con la teoría clásica del electromagnetismo y la mecánica clásica. Estas teorías
predecían una intensidad de la radiación a bajas longitudes de onda (altas
frecuencias) infinita. A este problema se le conoce como la catástrofe
ultravioleta. El problema teórico fue resuelto por Max Planck quién supuso
que la radiación electromagnética solo podía propagarse en paquetes de
energía discretos a los que llamó quanta. Esta idea fue utilizada poco después
por Albert Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico. Estos dos trabajos
constituyen los cimientos básicos sobre los que se asentó la mecánica
cuántica. Hoy llamamos fotones a los quanta de Planck.
RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO
Emisión de radiación por cuerpos calentados
1000 K: Luz visible
1500 K: emisión en el rojo
2000 K: emisión en el blanco
No puede explicarse con la
teoría electromagnética clásica
Energía α (Emax2 + Hmax2) α intensidad de la luz
Desde el punto de vista clásico,
la energía de una onda
depende solamente de su amplitud
y no de su frecuencia
o de su longitud de onda




Se consideraba que una onda electromagnética, de
frecuencia , era irradiada desde la superficie de un
sólido por un grupo de átomos que oscilaban con la
misma frecuencia.
Planck supone que este grupo de átomos, el oscilador,
no podía tener una energía arbitraria, sino una energía
E= n h  (n>0)
Supuso que los osciladores estaban en equilibrio y que
sus energías se hallaban distribuidas entre ellos de
modo de que la probabilidad de hallar un oscilador con
muy alta frecuencia era muy chica y esto explicaba por
que había muy poca radiación de altas frecuencias.
El efecto de la cuantización es eliminar la contribución
de los osciladores de alta frecuencia, ya que no pueden
ser excitados con la energía que hay disponible y así la
energía de muy corta longitud de onda no es emitida.
1900
E = h.  = h.c/λ
La radiación electromagnética consiste de un chorro de partículas o fotones
Ley de Planck
La intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro con una
temperatura T viene dada por la ley de Planck:
donde I(ν)δν es la cantidad de energía por unidad de area, unidad de tiempo
y unidad de ángulo sólido emitida en el rango de frecuencias entre ν y ν+δν; h
es una constante que se conoce como constante de Planck, c es la velocidad
de la luz y k es la constante de Boltzmann. La longitud de onda en la que se
produce el máximo de emisión viene dada por la ley de Wien (max.T = cte) y
la potencia emitida por unidad de área viene dada por la ley de StefanBoltzmann.(P/A = .T4). Ambas leyes se derivan de la ley de Planck.
Por lo tanto, a medida que la temperatura aumenta el brillo de un cuerpo
cambia del rojo al amarillo y el azul.
Dualidad onda-corpúsculo
 Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética
se puede considerar no como una serie de ondas sino como un
chorro o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad ondacorpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente
proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación
de Planck:
 E = h. = h.(c/)
 donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y ν es la
frecuencia de la onda.
 Valor de la constante de Planck
 h = 6.63 x 10-34 J.s
 Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la
longitud de onda λ y la frecuencia de oscilación ν están relacionadas
por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío):
 c=.
 A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según
la relación de Plank).
EFECTO FOTOELÉCTRICO
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por
un material cuando se lo ilumina con radiación electromagnética
(luz visible o ultravioleta, en general).




No se emiten electrones, independientemente de la intensidad
de la radiación, a menos que la frecuencia de la misma
exceda un valor umbral característico del metal.
La energía cinética de los electrones emitidos es
directamente proporcional a la frecuencia de la radiación incidente
pero independiente de su intensidad.
Aún a intensidades muy bajas, los electrones son
eyectados de la superficie del metal si la frecuencia es
mayor que su valor umbral.
Estas observaciones sugieren la interpretación del
efecto fotoeléctrico en la cual el electrón es eyectado del
metal por la colisión con un fotón de frecuencia 
mayor a la frecuencia umbral del metal.
EINSTEIN (1905)
Radiación compuesta por fotones
E = Eu + Ec = Eumbral + Ecinética
E = h = hu + Ec = hc/λu + (½)mv2


La función trabajo del Cs es 2.14 eV. Calcular la
energía cinética y la velocidad de los electrones
emitidos por luz de longitud de onda de (a) 700
nm, (b) 300 nm. (1eV = 1.602 x 10-12erg).
Cuando la luz de longitud de onda de 4500 A
incide sobre una superficie de sodio metálico
limpia se extraen electrones cuya máxima energía
es 6.4x10-13 erg. ¿Cual es la máxima longitud de
onda de la luz que extraerá electrones del sodio
metálico? ¿Cuál es la energía de ligazón de un
electrón con un cristal de sodio?