TEORIA MECANO-CUÁNTICO En los conciertos de música, aunque todos quisiéramos estar lo mas cerca posible del escenario, solo unos pocos pueden hacerlo, pues existe una distribución determinada para quienes asisten. Si tenemos en cuenta que el recinto donde se realiza el concierto contiene personas, de la misma forma que un átomo contiene electrones podemos hacernos una idea del modelo actual de átomo, llamado modelo mecano-cuántico, que nos ayuda a entender el comportamiento de todo lo que nos rodea. Si la distribución de las personas en un concierto de música se asemeja a la distribución que propone el modelo mecano-cuántico para los electrones en el átomo: 1.- ¿Estarán quietos los electrones dentro del átomo? 2.- ¿Permanecerán los electrones todo el tiempo en el mismo lugar? 3.- ¿Los electrones se repartirán de forma igualitaria dentro del átomo? 4.- ¿qué propondrá el modelo mecano-cuántico para los electrones en cuanto a su movimiento y distribución? 5.- ¿Por qué será importante conocer el modelo atómico que se usa en la actualidad? La historia del átomo comienza hace mas de 2500 años. Desde esos tiempos han existido diversas teorías, primero referidos a su existencia luego a su estructura. Una de las primeras ideas sobre los átomos fue que estos eran esferas indivisibles, hasta que se descubrió que en su interior existían partículas de carga negativa (electrones), dando paso al modelo de Thomson (budín de pasas), que luego seria desechado con el descubrimiento del núcleo atómico, para dar paso al modelo planetario de Rutherford. Aunque muchas de las teorías que han sido propuestas en este tiempo no han sido del todo correctas, se transformaron en el punto de partida para la idea moderna sobre el átomo. Esta idea se resume en el modelo mecano-cuántico. De la física clásica a la teoría cuántica Paso mucho tiempo para que se descubriera que las propiedades de los átomos y de las moléculas no responden a las mismas leyes físicas que los objetos mas grandes. Mientras el comportamiento de estos últimos se puede explicar utilizando la física clásica, el comportamiento de los átomos y moléculas solo se puede explicar utilizando los principios de la mecánica- cuántica. La mecánica cuántica es una rama de la física que comenzó en 1926, sin embargo las teorías que llevaron a su creación comienzan en 1900 con un joven físico alemán : Max Planck. Para entender la base de la teoría de Planck es necesario tener ciertos conocimientos previos como : radiación electromagnética, efecto fotoeléctrico, espectros de emisión. A.- RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA: En 1873, James Maxwell propuso que la luz visible (luz que podemos ver) se compone de ondas electromagnéticas. Propuso un modelo que describe con exactitud como se puede propagar la energía en forma de radiación a través del espacio con una vibración de campos eléctricos y magnéticos. La radiación electromagnética es la emisión y transmisión de energía en forma de ondas electromagnéticas Es la energía que emite un cuerpo caliente, llamada también energía radiante, que tiene una amplia gama de longitudes de onda. Ejemplos: ondas de radio, los rayos X, las ondas de celulares, hornos microondas. Características de una onda 1.- La distancia entre dos puntos se llama longitud de onda 2.- El numero de ondas (ciclos) por unidad de tiempo se llama frecuencia 3.- La amplitud de una onda se refiere a su intensidad LOS NIVELES DE ENERGÍA DE UN ÁTOMO Avalados por demostraciones experimentales, Max Planck, postuló que “ cualquier partícula ( electrón, átomo, molécula) que oscila, emite energía ( en forma de radiación electromagnética), cuyo valor puede ser un múltiplo de una cantidad discreta de energía llamada cuanto. Por lo tanto, la energía emitida por el electrón no es continua sino que está cuantizada”. ¿En qué forma Bohr aplicó la teoría del cuanto al átomo? Bohr propuso un átomo en que los electrones giran alrededor del núcleo en un número limitado de orbitas estables. Es decir, el electrón no puede moverse a cualquier distancia del núcleo, sino a distancias determinadas. “Cuando un electrón se encuentra en una órbita estable, no emite energía (estado fundamental) Los electrones solo pueden ganar o perder una cantidad definida de energía cuando “saltan” de una órbita a otra ( estado excitado)” Estado fundamental y excitado del átomo B.- EFECTO FOTOELECTRICO Se produce cuando un haz de luz, con una frecuencia determinada, incide sobre la superficie de un metal. A.Einstein explicó este fenómeno apoyándose en la teoría de los cuantos. El consideró la luz constituida por pequeñas partículas a las que llamó fotones; según la física clásica, la luz tenía una naturaleza ondulatoria Para Enistein los fotones transportan una cantidad determinada de energía y postuló que los fotones, al chocar con un electrón de la lámina metálica, le ceden su energía totalmente. De esta forma se vencen las fuerzas de unión electrón-metal, logrando que los electrones escapen del metal. C.- ESPECTROS DE EMISIÓN La luz visible esta compuesta de una gama de colores continuos y que van desde el color violeta al rojo y se llama espectro continuo Si la fuente de luz proviene de un tubo de descarga que contiene algún gas se observa algunas líneas coloreadas y aisladas llamadas espectros de línea Cada elemento químico tiene un espectro único. Como cada espectro es una propiedad de los átomos también se llama espectro atómico. Un elemento químico emite el mismo espectro y no existen dos elementos con el mismo espectro de emisión. Por ello podemos decir que es la huella dactilar del elemento. Ejemplos MODELO MECANOCUANTICO DEL ÁTOMO A pesar de los avances alcanzados por el modelo atómico de Niels Bohr, éste presentaba deficiencias cuando se deseaba explicar el espectro de átomos multielectronicos, por lo que se suponía la existencia de estructuras dentro del átomo que los otros modelos no explicaban, las denominaron subniveles de energía. TEORIA DE LOUIS DE BROGLIE (1924) DUALIDAD ONDA- PARTICULA Considerando los argumentos de Einstein sobre la naturaleza ondulatoria de la luz que presentan también características de partículas Louis de Broglie propuso de el electrón que esta en movimiento tiene una onda asociada. Se habla entonces del comportamiento dual del electrón. Decía que la dualidad onda-partícula era consecuencia de enfoques distintos a un mismo objeto, tal como se puede ver en la figura . Además, De Broglie pensaba que las ondas de luz están asociadas con partículas y sugirió que una partícula, tal como el fotón, estaba guiada en su trayectoria por la onda asociada a la que se encuentra ligada. WERNER HEISENBERG Principio de incertidumbre El Principio de incertidumbre de Heisenber dice: Es imposible determinar exactamente la posición y la velocidad de un sistema físico al mismo tiempo. Cuanto mas exacta sea la determinación de una de estas variables más inexacta será la de otra. ERWIN SCHRODINGER. En la actualidad se emplean cálculos probabilísticos para describir la posición , la velocidad y la energía de los electrones en el átomo. El modelo mecano cuántico establece que en el átomo existen unas zonas delimitadas u orbitales donde hay mayor probabilidad de encontrar electrones. Estos orbitales se agrupan, a su vez, en los distintos niveles de energía. Según este modelo, el electrón no se circunscribe a una orbita, sino que a una zona llamada orbital dentro de la cual existe una alta probabilidad de encontrar el electrón. NÚMEROS CUANTICOS En 1926 Erwin Schrodinger describió el comportamiento del electrón en un átomo de acuerdo a consideraciones estadísticas. Consideró que la trayectoria definida del electrón, según Bhor debe sustituirse por la probabilidad de hallarlo en una zona dada del espacio atómico; esta probabilidad es también la densidad electrónica o nube de carga electrónica, de modo que las regiones donde existe una alta probabilidad de encontrara al electrón de alta densidad. Bajo este planteamiento, los estados de energía permitidos para l electrón en el átomo llamados orbitales, quedan descritos por medio de 4 números cuánticos: principal, secundario, magnético y espín. a.- Número cuántico principal (n) Representa el nivel de energía del electrón Determina el tamaño de las órbitas, por tanto, la distancia al núcleo de un electrón vendrá determinada por este número cuántico Los valores están limitados a los números naturales 1,2,3,4, etc. b.- Número cuántico secundario (l) Identifica el subnivel de energía del electrón. Designa la forma del orbital Los valores de l dependen del valor de n, según l= 0,1,2,3…(n-1) ejemplo: si n = 3 l puede tomar los valores enteros 0,1,2, ya que 2 es el resultado de (3-1) Se acostumbra simbolizar con letras los valores de l Número cuántico secundario 0 1 2 3 4 Número del orbital s p d f g ¿Qué valores puede tomar el l para los niveles 1,2,3,4,5? L puede tomar todos los valores enteros entre 0 y (n-1) así: Para n= 1 n-1= 1-1= 0 l=0 (1s) Para n= 2 n-1= 2-1=1 l=0, l=1 (2s,2p) Para n= 3 n-1= 3-1=2 l=0, l=1, l=2 (3s3p3d) Para n= 4 n-1= 4-1=3 l=0, l=1, l=2, l=3 ( 4s4p4d4f) Para n= 5 n-1= 5-1=4 l=0,l=1, l=2 l=3, l=4 (5s5p5d5f5g) c.- Número cuántico magnético (m) Describe las orientaciones espaciales. Sus valores dependen de l y pueden ser los enteros existentes entre –l y +l incluyendo el valor 0 Ejemplo: si l=2 m es -2,-1,0,+1,+2 si l=3 m es -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 d.- Número cuántico de espin(s) Corresponde al giro del electrón sobre su propio eje, el cual puede tener dos sentidos: en la dirección de los punteros del reloj y en el sentido inverso. El espín puede tomar sólo los valores +1/2 o -1/2 que también se simbolizan con flechas respectivamente.