Las leyes ponderales se refieren a las relaciones de masa... un compuesto y los elementos que lo forman, así como...

Las leyes ponderales se refieren a las relaciones de masa o peso que se observan entre
un compuesto y los elementos que lo forman, así como entre los reactantes y los
productos de una reacción química. Un primer aspecto del conocimiento químico fue
conocer la relación entre las cantidades de los cuerpos que intervienen en una reacción
pasando de lo meramente cualitativo a lo cuantitativo. El descubrimiento de la balanza y
su aplicación sistemática al estudio de las transformaciones químicas por Lavoisier dio
lugar al descubrimiento de las leyes de las combinaciones químicas y al establecimiento
de la química como ciencia.
Por lo tanto se puede decir que se divide encuatro importantes leyes como lo son:
Ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier.
Ley de las proporciones definidas o ley de Proust.
Ley de Dalton de las proporciones múltiples.
Ley de las porciones recíprocas o ley de Richter.
Las leyes ponderales son un conjunto de leyes que tienen como objetivo el estudio del
peso relativo de las sustancias, en una reacción química, entre dos o más elementos
químicos. Actualmente, se considera como padre de la química moderna a Antoine
Lavoisier, quien sostuvo la rigurosidad del método cuantitativo, destruyó la antigua teoría
del flogisto (la cual trataba de explicar porque ardían los materiales) y propuso la Ley de
Conservación de la Masa.
Hoy en día se conceptualiza la química como una ciencia experimental que estudia la
estructura de la materia, sus propiedades y sus transformaciones, así como que investiga
y enuncia las leyes que rigen sus cambios.
LEYES PONDERALES
Son aquellas que rigen las transformaciones químicas y el comportamiento de la materia
en cuanto a las masas de las sustancias que intervienen en una reacción, ponderal
significa relativo a la masa.
LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA
Está importante ley según “Lavoisier” enuncia: en una reacción química, la suma de las
masas de las sustancias reaccionantes es igual a la suma de las masas de
los productos de la reacción (la materia ni se crea ni se destruye solo se transforma).
Lavoisier concluyó hacia 1783 que "la materia no se crea ni se destruye sino que sufre
cambios de una forma a otra"; es decir que, "enlas reacciones químicas la cantidad de
materia que interviene permanece constante".
LEY DE PROPORCIONES DEFINIDAS O CONSTANTES
Enunciada por el científico Proust, esta ley mantiene que al combinarse dos o más
elementos para hacer un compuesto determinado, las masas de las sustancias que
intervienen son fijas. Es decir, que existe una proporción de combinación exacta e
invariable y por lo tanto, la composición de un compuesto específico siempre es la
misma.
Por ejemplo, en la formación del agua (H2O) intervienen dos átomos de hidrógeno y uno
de oxígeno. Relacionando sus masas, la proporción de H a O es de 1g de H por cada 8g
de O. Si reaccionan 2g de H, se combinarán con 16g de O para formar el mismo
compuesto. Así mismo, si intervienen 4g de H en la formación de agua, la cantidad de O
será de 32g. La proporción 1g H: 8g O es constante para cualquier muestra de agua, un
compuesto determinado. Si la proporción llegara a cambiar, se puede concluir que el
compuesto no es el mismo y que se trata de otro compuesto diferente que contiene los
mismos elementos.
LEY DE PROPORCIONES MÚLTIPLES
Esta ley fue enunciada por Dalton y se refiere a las relaciones que existen entre los
elementos que se combinan en más de una proporción para formar compuestos
diferentes, que se obtienen variando las condiciones de la reacción. La ley dice: "cuando
dos elementos reaccionan en más de una proporción, para formar compuestos diferentes,
la masa de uno de los elementos que se combinan con la misma masa de otro, están en
relación de números enteros pequeños".
Por ejemplo, el carbono puedereaccionar con el oxígeno para formar 2 compuestos: el
monóxido de carbono y el dióxido de carbono:
CO (monóxido de carbono), está en relación 1:1 (12 g de C y 16 g de O)
CO2 (dióxido de carbono), está en relación 1:2 (12 g de C y 32 g de O)
Vemos que la masa de carbono permanece constante, pero varía la del oxígeno,
estableciéndose relaciones pequeñas 1:1 y 1:2.
LEY DE PROPORCIONES RECIPROCAS O EQUIVALENTES
Fue enunciada por el alemán J. B. Richter en 1792 y dice que los pesos de dos
sustancias que se combinan con un peso conocido de otra tercera son químicamente
equivalentes entre sí.
PARTICULAS SUBATOMICAS
Se le denomina partícula a un cuerpo dotado de masa, y del que se hace abstracción del tamaño y
de la forma.
Una partícula subatómica es una partícula mas pequeña que un átomo, puede ser elemental o
compuesta.
A principios del siglo XX, se realizo el descubrimiento de unas partículas
subatómicas llamadas protón, electrón y neutron, estas están contenidas en el átomo.
Tal vez uno pueda preguntarse si estas partículas tan pequeñas puedentener estructura; es
interesarse darse cuenta de que si tienen estructura.
Para poder definir una partícula subatómica es necesario conocer las características de estas, las
cuales describiremos a continuación.
Carga: La carga es una magnitud escalar (Solo se puede determinar su cantidad).
Spin: Movimiento de rotación sobre un eje imaginario.
Los científicos han desarrollado una teoría llamada El modelo Estándar que explica las diferentes
moléculas y sus complejas interacciones con solo:
6 Quarks
6 Leptones
Las partículas subatómicas de las cuales se sabe su existencia son:

Bosón

Positrón

Electrón

Protón

Fermión

Neutrino

Hadrón

Neutrón

Leptón

Quark

Mesón
Las partículas están formadas por componentes atómicos como los electrones, protones y
neutrones, (los protones y los neutrones son partículas compuestas), estas están formadas de
quarks. Los Quarks se mantienen unidos por las partículas gluon que provocan una interacciónen
los quarks y son indirectamente responsables por mantener los protones y neutrones juntos en el
núcleo atómico.
Bosón
El bosón es una partícula atómica o subatómica, de spin entero o nulo, que cumple los postulados
de la estadística de Bose-Einstein e incumple el principio de exclusión de Paulli (establece
que dos electrones no pueden ocupar el mismo estado energético). Son bosones las partículas
alfa, los fotones y los nucleidos con un número par de nucleones.
El bosón recibe su nombre por Satyendra Nath Bose, un científicoBengali responsable de su
descubrimiento. Debido a su spin, los bosones siguen la estadística Bose-Einstein,
en donde cualquier número de bosones puede compartir el mismo estado cuantico. Los bosones
no son realmente resistentes si se ubican en el mismo lugar, estos mismos, tienen momentos
intrínsecos angulares, en unidades integrales de h/ (2 El hecho de que los bosones puedan
ocupar un estado cuantico les permite comportarse de manera colectiva, y son responsables por
el comportamiento de los lásers y el helio superfluito.
Fermión
Es una partícula perteneciente a una familia de partículas elementales caracterizada por
su momento angular intrínseco o spin. Los fermiones son nombrados después de Enrico Fermi, en
el modelo estándar, existen dos tipos de fermiones elementales, que son: Los quarks y los
leptones. Según la teoría cuantica, el momento angular de las partículas solo puede adoptar
determinados valores, que pueden ser múltiplos enteros de una determinada constante h
(Constante de Planck) o múltiplos semientereos de esa misma constante. Los fermiones, entre los
que se encuentran los electrones, los protones y los neutrones, tienen múltiplos semienteros de h,
por ejemplo ±1/2h o ±3/2h. Los fermiones cumplen el principio de exclusión.
El nucleo de un átomo es un fermion o boson, dependiendo de si el número total de sus protones
y neutrones es par o impar respectivamente. Recientemente, los científicos han descubierto que
esto causa comportamiento muy extraño en ciertos átomos cuando son sometidos a condiciones
inusuales, tal como el helio demasiado frió.
Quarks
El nombre genérico con que se designan los constituyentes de los hadrones. La teoría sobre los
quarks se inicio a partir de los trabajos de Gell-Mann y Zweig (1966) y su existencia fue confirmada
en 1977 (Por Fairbank y otros).
La física dedicada al estudio de la naturaleza fundamental de la materiaha formulado
un modelo estándar, capaz de explicar una serie de hechos e incapaz de dar respuesta a otros.
Este modelo se basa en la actualidaden la hipótesis de que la materia ordinaria esta
formada por dos clases de partículas, los quarks (que se combinan para formar partículas mayores)
y los leptones, además de que las fuerzas que actúan entreellas se transmiten mediante una
tercera clase de partículas llamadasbosones, que ya explicamos anteriormente. El spin de los
quarks es de ½, hay seis tipos distintos de quarks que los físicos han denominado de la siguiente
manera: up, down, charm, strange, top, y bottom además de los correspondientes antiquarks.
La carga eléctrica de los quarks es fraccionaria de la unidad fundamental de carga; así por ejemplo,
el quark up tiene una carga fraccionaria igual a 2/3 de la unidad elemental.
Los quarks no se encuentran libres en la naturaleza sino formando hadrones, estos se dividen en
dos tipos:
mesones: Formados por un quark y un antiquark
bariones: Formados por tres quarks
Además de las cargas ya mencionadas, los quarks tienen otra carga decolor, que no tiene nada
que ver con el color real de estas partículas, y que mantiene unidos a los quarks mediante
la interacción fuerte, además de ser la responsable de la formación de estos hadrones. Esta
interacción esta descrita por la cromo dinámica cuantica (QCD). Existen tres tipos de carga de
color: roja, azul y verde. Los antiquarks presentan además cargas opuestas, antirroja, antiazul, y
antiverde. Los quarks están unidos entre si mediante el intercambio de partículas virtuales
mediadoras de la interacción fuerte: los gluones. Junto a los leptones, los quarks forman
prácticamente toda la materia de la que estamos rodeados. El termino quark, fue propuesto por
Murria Gell-Mann, sacado de una novela de James Joyce, Finegan’s wake, del verso Three Quarks
for Mr. Mark.
Leptón
Nombre que recibe cada una de las partículas elementales de spin igual a +1/2 y masa inferior a la
de los mesones. Los leptones son fermiones entre los que se establecen interacciones débiles,
y solo interacciones electromagnéticas si poseen carga eléctrica. Además, los leptones con carga
eléctrica se encuentran casi siempre unidos a un neutrino asociado.
Existen tres tipos de leptones: el electrón, el muon y el tau. Cada unoesta representado por
un par de partículas. Una es una partícula masivamente cargada, que lleva el mismo nombre que
su partícula, (Como el electrón). La otra es una partícula neutral casi sin masa llamadaneutrino (tal
como el electrón neutrino). Todas estas 6 partículas tienen antipartículas correspondientes (tales
como el positrón o el electrón antineutrino). Todo los leptones cargados tienen una sola unidad
deenergía positiva o negativa (de acuerdo a si son partículas o antipartículas) y todos los neutrinos
y antineutrinos tienen cero carga eléctrica. Los leptones cargados tienen 2 posibles giros de spin
mientras que una sola helicidad es observada para los neutrinos (Todos los neutrinos son zurdos y
los antineutrinos diestros). Los leptones obedecen a una simple relación conocida como la formula
Koide. Cuando las partículas interactúan, generalmente el numero de leptones
del mimotipo (electrones y electrones neutrinos, muones y muones neutrinos, leptones tau y tau
neutrinos) se mantienen igual. Este principio esconocido como la conservación del numero
lepton.
Hadrones
El hadron es una partícula subatómica compuesta de quarks, caracterizada por relacionarse
mediante interacciones fuertes. Aunque pueden manifestar también interacciones débiles y
electromagnéticas, en los hadrones predominan las interacciones fuertes, que son las que
mantienen la cohesión interna en el núcleo atómico. Estas partículas presentan dos categorías: los
bariones formados por tres quarks, como el neutron y el protón y los mesones, formados por un
quark y un antiquark, como el pion.
La mayoría de los hadrones pueden ser clasificados con el modelo quark que implica que todos los
números cuanticos de bariones son derivados de aquellos de valencia quark.
Neutrino
Partícula nuclear elemental eléctricamente neutra y de masa muy inferior a la del electrón
(posiblemente nula). El neutrino es un fermión; su espín es 1/2. Antes del descubrimiento del
neutrino, parecía que en la emisiónde electrones de la desintegración beta no se conservaban la
energía, elmomento y el espín totales del proceso. Para explicar esa incoherencia,
elfísico austriaco Wolfgang Pauli dedujo las propiedades del neutrino en 1931.
Al no tener carga y poseer una masa despreciable, el neutrino es extremadamente difícil
de detectar; las investigaciones confirmaron sus peculiares propiedades a partir de la medida del
retroceso que provoca en otras partículas. Billones de neutrinos atraviesan la Tierra cadasegundo,
y sólo una minúscula proporción de los mismos interacciona con alguna otra partícula. Los físicos
estadounidenses Frederick Reines y Clyde Lorrain Cowan, hijo, obtuvieron pruebas concluyentes
de su existencia en 1956.
La antipartícula del neutrino es emitida en los procesos de desintegración beta que producen
electrones, mientras que los neutrinos se emiten junto con positrones en otras reacciones de
desintegración beta. Algunos físicos conjeturan que en una extraña forma de radiactividad,
llamada doble desintegración beta, dos neutrinos pueden, en ocasiones, fusionarse para formar
una partícula a la que denominan "mayorón". Otro tipo de neutrino de alta energía, llamado
neutrino muónico, es emitido junto con un muón cuando se desintegra un pión. Cuando un pión
se desintegra, debe emitirse una partícula neutra en sentido opuesto al del muón para conservar
el momento. La suposición inicial eraque esa partícula era el mismo neutrino que conserva el
momento en la desintegración beta. En 1962, sin embargo, las investigacionesdemostraron que el
neutrino que acompaña la desintegración de piones es de tipo diferente. También existe un tercer
tipo de neutrino, el neutrino tau (y su antipartícula).
Actualmente, la posibilidad de que los neutrinos puedan oscilar entre una forma y otra resulta de
gran interés. Hasta ahora, las pruebas en ese sentido son indirectas, pero de confirmarse
sugerirían que el neutrino tiene una cierta masa, lo que tendría implicaciones profundas para la
cosmología y la física en general: esta masa adicional en el universo podría suponer que
el universo no siga expandiéndose indefinidamente sino que acabe por contraerse. Aunque
existen distintas interpretaciones, algunos científicos consideran que la información sobre
neutrinos obtenida de la supernova SN 1987A apoya la idea de que el neutrino tiene masa.
Mesón
Nombre que recibe cada una de las partículas elementales sometidas a interacciones fuertes, de
espín nulo o entero y carga bariónica nula.
Los mesones, identificados por Powell en 1947 en los rayos cósmicos y cuya existencia había sido
postulada por Yukawa en 1935, son partículas inestables, de masa generalmente comprendida
entre la de los electrones y la de los neutrones. Los más estables, cuya vida media es del orden de
la cienmillonésima de segundo, son los piones y los kaones.
MODELOS ATOMICOS
A continuación estudiaremos diferentes hechos experimentales que motivaron la formulación de
diferentes modelos atómicos por parte de los científicos en su intento de explicar la naturaleza y
composición de la materia.
1. Teoría Atómico – Molecular de Dalton ( 1808 )
La teoría atómico-molecular clásica tiene por base la teoría atómica de Dalton. Existe
entre estas dos teorías algunas diferencias fundamentales. Para Dalton, la partícula
mas pequeña de una sustancia era el átomo. Si la sustancia era simple, Dalton
hablaba de "átomos simples"; por ejemplo de cloro, de hidrógeno, etc. Si la sustancia
era compuesta, Dalton hablaba de "átomos compuestos"; por ejemplo de agua. En
realidad, los "átomos" de Dalton, son las partículas que nosotros llamamos moléculas.
Los siguientes postulados, son los que constituyen la teoría atómico-molecular
clásica:
1) todos los elementos químicos están constituidos por partículas discretas,
invisibles e indivisibles incluso en las reacciones químicas mas violentas, llamadas
átomos
2) los átomos de un mismo elemento son idénticos en todas sus propiedades,
especialmente en tamaño y peso (masa)
3) los átomos de elementos diferentes son totalmente diferentes en todas sus
propiedades.
4) Durante las reacciones, existe un reordenamiento de átomos, sin que el átomo se
divida o destruya. La molécula del compuesto resulta entonces de la superposición de
átomos de elementos diferentes. Citemos como ejemplo la formación de moléculas de
agua y amoniaco.
5. Los átomos de dos elementos pueden combinarse en mas de una relación entera y
sencilla para formar mas de un compuesto. Ejemplos:
Es importante señalar que Dalton nunca aceptó la idea que la molécula estaría
formada por átomos idénticos o de un mismo elemento. Así por ejemplo, era absurdo:
H2, O2, N2, P4, etc; por esta razón, se opuso tercamente a la ley experimental de Gay
Luzca, referida a los volúmenes de combinación de las sustancias gaseosas. Esta ley
se explica fácilmente aceptando que algunos elementos están formados por
moléculas (H2, O2, Cl2, F2, etc.), tal como lo propuso el químico italiano Amadeo
Avogadro en la misma época de Dalton, quien no obstante, rechazo esa propuesta.
A pesar de ello la teoría de Dalton fue la base del desarrollo de la química moderna,
porque todas las investigaciones científicas se hicieron y aun se hacen aceptando que
la materia esta formada por átomos.
2. Los rayos catódicos y el descubrimiento del electrón
A mediados del siglo XIX, los científicos comenzaron a estudiar las descargas
eléctricas a través de tubos parcialmente evacuados (tubos a los que se les había
extraído por bombeo casi todo el aire). Un alto voltaje produce radiación dentro del
tubo. Esta radiación recibió el nombre de rayos catódicos porque se originaba en el
electrodo negativo, o cátodo. Aunque los rayos en sí son invisibles, su movimiento
puede detectarse porque hacen que ciertos materiales, incluido el vidrio, despidan
rayos de luz fluorescente.
En la ausencia de campos magnéticos o eléctricos, los rayos catódicos viajan en línea
recta. Sin embargo, los campos magnéticos y eléctricos "doblan" los rayos, es decir,
los desvían tal como se esperaría que lo hicieran partículas con carga negativa. Más
aún, una placa metálica expuesta a rayos catódicos adquiere una carga negativa.
Estas observaciones de las propiedades de los rayos catódicos sugirieron a los
científicos que la radiación consiste en una corriente de partículas con carga negativa,
que ahora llamamos electrones.
Además, se descubrió que los rayos catódicos emitidos por cátodos de diferentes
materiales eran iguales. Todas estas observaciones dieron pie a la conclusión de que
los electrones son un componente fundamental de la materia.
En 1897 el físico británico J.J.Thomson (1856 – 1940) calculó la relación entre la
carga eléctrica y la masa de un electrón empleando un tubo de rayos catódicos
Midiendo de forma cuidadosa y cuantitativa los efectos de los campos magnéticos y
eléctricos sobre el movimiento de los rayos catódicos, Thomson determinó que la
relación es de 1.76 x 108 culombios por gramo (el culombio, C, es la unidad SI de
carga eléctrica).
Al conocerse la relación carga-masa del electrón, un científico que pudiera medir ya
sea la carga o la masa del electrón podría calcular fácilmente la otra magnitud. En
1909 Robert Millikan (1868 – 1953) logró determinar experimentalmente que la carga
del electrón era de 1.60 x 10 -19 C y, a partir de ese valor y de la relación carga-masa
de Thomson, que su masa era de: 9.10 x 10-31 Kg.
3. Modelo Atómico de Thomson (1904)
Partiendo de las propiedades que se descubrió acerca de los rayos catódicos (flujo
de electrones), Thomson propone el primer modelo atómico con las siguientes
características: el átomo es de forma esférica, con mas compacta y carga positiva
distribuida homogéneamente; dentro de la esfera se encuentran incrustados los
electrones con un movimiento vibratorio y en cantidad suficiente como para neutralizar
la carga positiva de la esfera; por lo tanto, el átomo es eléctricamente neutro.
Por la apariencia que presentaba este modelo, fue denominado: “Modelo Budin de
Pasas”.
Su importancia radica en que fue el primero que permitió relacionar la electricidad con
el átomo. Pero, como cualquier otro modelo científico tenia que ser perfeccionado
para poder explicar nuevos fenómenos que ocurren en el laboratorio o en la
naturaleza.
4. Los Rayos Canales y Existencia de Protones
En 1886, el físico alemán Eugene Goldstein observo una fluorescencia o brillo
detrás del cátodo en un tubo de rayos catódicos cuando a la placa negativa se le
había aplicado previamente canales y orificios; esto solo puede explicarse con la
existencia de otras radiaciones a las que Goldstein llamo Rayos Canales, los cuales
viajan en sentido contrario a los rayos catódicos y son partículas de carga positiva.
Estos rayos positivos o iones positivos se originan cuando los rayos catódicos
desplazan electrones de los átomos del gas residual en el tubo.
La naturaleza de los rayos canales varia de acuerdo al tipo de gas residual que se
encuentre en el tubo, es decir, cada elemento químico gaseoso genera un catión
distinto al ionizarse y por ello su relación carga – masa (e/m) es diferente.
El físico alemán Wilhelm OEIN (1898), luego de realizar experiencias con los rayos
canales generados por el gas hidrogeno, de manera análoga a Thomson, midió la
relación carga-masa de los iones positivos y encontró que la carga positiva era igual a
la carga del electrón (en magnitud) y su masa igual a 1836 veces al del electrón; dicha
partícula se llamo protón (H+)
Años mas tarde, en 1919, Ernest Rutherford desprendió por primera vez protones
del núcleo atómico, mediante transmutación nuclear y demostró que son unidades
fundamentales del núcleo atómico de todos los elementos, razón por el cual se
considera a Rutherford como el descubridor de protón.
5. Descubrimiento del Núcleo Atómico
En 1909, Ernest Rutherford dirigió en su laboratorio de la universidad de Cambridge
(Inglaterra) cierto experimento con la ayuda del físico alemán Hans Geiger (inventor
del famoso “contador Geiger”, aparato para detectar materiales radioactivos) y
el físico inglés recién graduado Ernest Marsden que consistió en: contra una lámina
muy delgada de oro (pan de oro) cuyo espesor es de 0,0006 mm. se lanzó rayos alfa,
formado por partículas veloces de gran masa y con carga positiva, que eran núcleos
de helio.
Se observó entonces que la gran mayoría de los rayos alfa atravesaban la lámina sin
ninguna desviación. Sólo una cantidad muy pequeña de rayos alfa se desviaban con
ángulos de desviación o dispersión variables (θ)
El hecho de que algunos rayos alfa incluso rebotaran sorprendió mucho a Rutherford,
porque el pensaba que los rayos alfa atravesarían la lámina fina sin mayores
desviaciones, según el modelo atómico propuesto por su maestro J.J. Thomson. Al
referirse a este hecho en la conferencia hecha por Rutherford ante la Real Academia
de Londres en 1911, afirmaba: “… esto era lo mas increíble que me había ocurrido en
la vida. Tan increíble como si un proyectil de 15 pulgadas disparado contra una hoja
de papel de seda, se volviera y golpeara a uno …”
Explicación del Fenómeno: Rutherford logró explicar brillantemente la dispersión de
los rayos alfa en base a las siguientes conclusiones.



El átomo tiene una parte central llamado núcleo, diminuto de carga positiva,
compacto o macizo y muy denso, debido a que casi la totalidad de la masa atómica
se concentra en él.
El campo eléctrico generado por el núcleo es muy intenso y causa la desviación de
rayos alfa mediante repulsión eléctrica.
el átomo es casi vacio, ya que los electrones, partículas de masa insignificante,
ocupan espacios grandes cuando giran en torno al núcleo.
6. Modelo Atómico de Rutherford (1911)
Consecuente con su experimento, Rutherford abandonó la idea de que el átomo seria
como un “budín de pasas”, propuesta por Thomson, ya que según este modelo los
rayos alfa se desviarian muy debilmente y nunca con ángulos de dispersión (θ) de 90°
y 180° como ocurría con el experimento del descubrimiento del nucleo atomico.
Según Rutherford, el atomo es un sistema dinámico, con un núcleo de carga positiva
y los electrones girando alrededor siguiendo trayectorias circulares y concéntricas a
una gran velocidad, de tal modo que se neutralice la fuerza de atracción eléctrica que
ejerce el núcleo; por lo tanto los electrones estarían girando alrededor en estado de
equilibrio.
Error en el Modelo de Rutherford: Según la física clásica (electrodinámica clásica),
una partícula electrizada o cargada eléctricamente que se mueve con velocidad
variable (con aceleración) emite o pierde energía constantemente en forma de ondas
electromagnéticas). Por lo tanto el electrón que es una partícula con carga negativa y
viaja con aceleración angular debido a que describe trayectoria circular, debe
constantemente perder energía y acercarse poco a poco al núcleo siguiendo una
trayectoria en espiral y finalmente caer al núcleo, o sea hasta la autodestrucción o
colapsamiento del atomo, lo cual nunca ocurre.
Por lo tanto la física clásica no servía para explicar fenómenos atómicos y era
necesario una nueva física en base a nuevos principios y leyes para las partículas su
microscópicas como átomos, moléculas y partículas subatómicas, que hoy en día se
llama mecánica cuántica (relativística y no relativística)
7. Radiaciones electromagnéticas
En artículos anteriores se ha mencionado algunas características de los rayos
catodicos y de los rayos canales, así como la participación de los Rayos X en
el experimento de Millikan.
¿Qué diferencia existe entre los rayos catódicos y los rayos canales?
Se sabe que los rayos catódicos son flujo de electrones, es decir un flujo de
partículas negativas con alta energía cinética, por lo tanto, esta radiación es de
naturaleza “corpuscular” Por otro lado en 1895 Wilhem Roengten descubrió y estudio
las propiedades de los rayos X, comprobando que no poseen carga eléctrica ni masa;
esto significa que no son flujos de ninguna clase de partículas, por lo que no son
corpusculares, son radiaciones energéticas o electromagnéticas. A este tipo de
radiación también corresponden la luz visible o blanca, los rayos gamma, las ondas de
radio, televisión, etc. Transportan energía en forma de campos eléctricos y
magnéticos a través de cualquier cuerpo material o a través del espacio; se les llama
también ondas electromagnéticas.
¿Que es una onda electromagnética?
En primer lugar definimos el concepto de “onda” partiendo de un ejemplo familiar: un
joven surfista flotando en el mar. En este caso se observa que las ondas marinas
generadas por diferencias en la presión de la superficie del agua afectan el
movimiento del joven surfista en forma periódica, tal es así que este sube y baja en
forma repetitiva sin desplazarse horizontalmente,
Entonces, la onda es la propagación de energía generada por una perturbación
vibracional que viaja a través de un medio sin desplazarlo.
La distancia entre crestas o valles consecutivos de la onda se llama longitud de onda
(λ) y el número de movimientos completos (de sube y baja) o ciclos por unidad de
tiempo se denomina frecuencia (υ). El producto de ambas es la velocidad (V) con la
cual la onda se mueve a través del agua.
En el caso de una onda electromagnética, se origina por una perturbación de un
campo magnético o un campo eléctrico; debido a ello, dichos campos oscilan o
fluctúan perpendicularmente entre si y viajan a través del espacio a la misma
velocidad que la luz.
Las radiaciones electromagnéticas no sufren desviación ante un campo eléctrico
generado por placas con carga eléctrica o ante un campo magnético procedente de
los polos de un imán. Esto se debe a que no poseen carga eléctrica. Tampoco poseen
masa en reposo.
Características de las ondas electromagnéticas:
Para realizar cálculos simples acerca de las radiaciones electromagnéticas
tomaremos ejemplo de la siguiente radiación ultravioleta.
vemos aquí una fracción de una onda electromagnética de luz ultravioleta. En este se
observan que dos ciclos completos recorren una longitud de 3000 Ȃ.
1. Longitud de Onda (λ): Nos indica la distancia entre dos crestas adyacentes o la
distancia correspondiente a un ciclo u oscilación completa. Se mide en metros,
centímetros, nanómetros, Angstrom (Ȃ), etc., dependiendo del tipo de REM.
Del ejemplo de la luz ultravioleta se observa que:
2 λ = 3000 Ȃ
→ λ = 1500 Ȃ
Para convertir a centímetros se utiliza la siguiente equivalencia:
1 Ȃ = 10-8cm.
Entonces: λ = 1500 Ȃ = 1500 x 10-8 cm = 15 x 10-6 cm.
2. Frecuencia (υ): Es el número de longitudes de onda (oscilaciones completas o
ciclos) que atraviesan un punto dado por unidad de tiempo (segundo). La frecuencia
de una radiación electromagnética es constante, solo depende de la fuente emisora;
por lo tanto, no varia cuando la radiación pasa de un medio material a otro.
Unidad: ciclo / s = s-1 = Hertz (Hz)
3. Velocidad (v): Nos indica la rapidez con la que se desplaza la onda. Las
radiaciones electromagnéticas en el vacío viajan a la misma velocidad que la luz (c)
Para cualquier onda que viaja con cierta velocidad (v), la longitud de onda y la
frecuencia se relacionan así:
v=λxυ
Por lo tanto, la longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales entre
si. Mientras mas pequeña sea la longitud de onda mayor será la frecuencia.
Para una onda electromagnética: c = λ x υ
Aplicación: Para la radiación ultravioleta del ejemplo anterior, hallaremos su
frecuencia:
Se sabe que: c = λ x υ
Por dato, la velocidad de la luz (c) es: 3 x 1010 cm/s
De la aplicación anterior se sabe que la longitud de onda (λ) es: 15 x 10-6 cm
Reemplazando valores:
Significa que 2 x 1015 ciclos o número de longitudes de onda completos de la
radiación pasan por un punto fijo en cada segundo.
4. Periodo (T): Es el tiempo que demora en realizar un ciclo o recorrer una longitud
de onda. Es inversamente proporcional a la frecuencia:
T=1/υ
Unidad = s (segundo)
Del ejemplo de la radiación ultravioleta, hallaremos su periodo:
Es decir, que un ciclo completo de la radiación se cubre en 5 x 10-16 segundos.
5. Número de Onda (ṽ): Es el numero de longitudes de onda o numero de ciclos
presentes en una distancia de 1 cm. Esto equivale a la inversa del valor de su longitud
de onda expresada en centímetros.
ṽ=1/λ
Unidad: cm-1
Del ejemplo de la radiación ultravioleta, hallaremos su número de onda.
Sabemos del ejemplo anterior que: λ = 15 x 10-6 cm
ṽ = 1 / λ → ṽ = 1 / 15 x 10-6 cm
ṽ = 6,67 x 104 cm-1
Significa que en una distancia de 1 cm. existen 6,67 x 104 números de onda.
6. Amplitud (A): Es la distancia del eje de simetría hasta la cresta (amplitud positiva,
+A) o hasta el valle (amplitud negativa, –A). En el caso de las radiaciones visibles,
está relacionada con la intensidad o brillantez de la luz.
8. Teoría Atómica de Niels Bohr (1913)
Entre 1911 y 1913 existió gran incertidumbre acerca de la estructura atomica. Se
había descartado el modelo de J.J.Thomson porque no pudo explicar la desviación de
los rayos alfa; el modelo de Rutherford estaba de acuerdo con los experimentos de
desviación de partículas alfa, pero éste, además de ser inestable (porque el electrón
perdía energía en forma de radiación electromagnética), no podía explicar la
naturaleza de los espectros de emisión y absorción atómica.
En 1913, Bohr desarrolló un modelo atómico abandonando las consideraciones de la
física clásica y tomando en cuenta la Teoría cuántica de Max Planck.
Niels Bohr no desechó totalmente el modelo planetario de Rutherford, sino que
incluyo en el restricciones adicionales. Para empezar, consideró no aplicable el
concepto de la física clásica de que una carga acelerada emite radiación
continuamente.
Según la teoría cuántica de Planck, la absorción y emisión de energía tiene lugar en
forma de fotones o cuantos. Bohr usó esta misma idea para aplicarla al átomo; es
decir, el proceso de emisión o absorción de radiación por un atomo solo puede
realizarse en forma discontinua, mediante los fotones o cuantos que se generen por
saltos electrónicos de un estado cuantizado de energía a otro.
El modelo de Bohr está basado en los siguientes postulados, que son válidos
para átomos con un solo electrón como el hidrógeno y permitió explicar sus
espectros de emisión y absorción.
1. Primer Postulado: Estabilidad del Electrón
Un electrón en un átomo se mueve en una órbita circular alrededor del núcleo bajo la
influencia de la atracción coulómbica entre el electrón y el núcleo, obedeciendo las
leyes de la mecánica clásica.
Las únicas fuerzas que actúan sobre el electrón son las fuerzas de atracción eléctrica
(Fa) y la fuerza centrípeta (Fc), que es exactamente igual a la fuerza centrífuga.
2. Segundo Postulado: Orbitas o niveles permitidos
En lugar de la infinidad de órbitas posibles en la mecánica clásica, para un electrón
solo es posible moverse en una órbita para la cual el momento angular L es un
múltiplo entero de la constante de Planck h.
3. Tercer Postulado: Niveles Estacionarios de Energía
Un electrón que se mueva en una de esas órbitas permitidas no irradia energía
electromagnética, aunque está siendo acelerado constantemente por las fuerzas
atractivas al núcleo. Por ello, su energía total E permanece constante.
4. Cuarto Postulado: Emisión y Absorción de Energía
Si un electrón que inicialmente se mueve en una órbita de energía Ei cambia
discontinuamente su movimiento de forma que pasa a otra órbita de energía Ef se
emite o absorbe energía electromagnética para compensar el cambio de la energía
total. La frecuencia ν de la radiación es igual a la cantidad (Ei – Ef) dividida por la
constante de Planck h.