FÍSICA ATÓMICA
INTRODUCCIÓN:
Al
comenzar el año de 1905, Albert Einstein era un anónimo empleado de 25 años de
edad en la oficina suiza de patentes. Al terminar ese año asombroso Einstein
había publicado tres artículos de extraordinaria importancia. Uno era un
análisis del movimiento browniano; un segundo (por el que se hizo acreedor al
Premio Nobel) trataba sobre el efecto fotoeléctrico. En el tercero, Einstein
presentó su teoría especial de la relatividad, y propuso revisiones drásticas a
los conceptos newtonianos del espacio y el tiempo. La teoría especial de la
relatividad ha traído consigo cambios de gran alcance en nuestra comprensión de
la naturaleza; no obstante, Einstein la fundamentó tan sólo en dos sencillos
postulados. Uno de ellos establece que las leyes de la física son las mismas en
todos los marcos de referencia inerciales; el otro, que la rapidez de la luz en
un vacío es la misma en todos los marcos inerciales. Estas propuestas
aparentemente inocentes tienen implicaciones de enorme trascendencia. Veamos
tres de ellas: 1) Los sucesos que son simultáneos para un observador quizá no
sean simultáneos para otro. 2) Cuando dos observadores que se desplazan uno con
respecto al otro miden un intervalo de tiempo o una longitud, puede ser que no
obtengan los mismos resultados. 3) Para que los principios de conservación de
la cantidad de movimiento y de la energía sean válidos en todos los sistemas
inerciales, es necesario revisar la segunda ley de Newton, así como las
ecuaciones de cantidad de movimiento y energía cinética. La relatividad tiene
importantes consecuencias en todos los campos de la física, entre ellos el
electromagnetismo, la física atómica y nuclear, y la física de alta energía.
Aunque muchos de los resultados que se deducen en este capítulo tal vez
contradigan nuestra intuición, la teoría concuerda sólidamente con las
observaciones experimentales.
MODELOS ATÓMICOS:
- M. Atomistas { ~V aC} “ultimo estadio”
- M. Newton { XVII – XVIII} Partícula
- M. J.J
Thomson {~1897}“Budín de Pasas”
- M. E.
Rutherford { 1911} “Modelo Planetario”
- M. Niels
Bohr {1913}
àespectros
à cuánticos: L=nh
- M. LV Broglie { 1923}
àe-= e-(onda de
materia)
- M. Cuántico Relativista { 1929}
M. Dirac – A. Sommerfeld
®e-s relativistas,
® órbitas
elípticas
EL NÚMERO CUANTICO MAGNÉTICO
DEL SPIN
En
el año 1927, E.Schrödinger ( Premio Nobel de Física 1933), apoyándose en el
concepto de dualidad onda-corpúsculo enunciado por L.de Broglie (Premio Nobel
de Física 1929), formula la Mecánica Ondulatoria, y W. Heisenberg ( Premio
Nobel de Física 1932) la Mecánica de Matrices. Ambas mecánicas inician un nuevo
camino en el conocimiento de la estructura atómica, y ampliadas por Born,
Jordan, Dirac y otros han dado lugar a lo que actualmente se denomina Mecánica
Cuántica. Frente al determinismo de la mecánica clásica, la mecánica cuántica,
es esencialmente probabilística y utiliza un aparato matemático más complicado
que la mecánica clásica. Actualmente, el modelo atómico que se admite es el
modelo propuesto por la mecánica cuántica (modelo de Schrödinger).
El
modelo de Bohr es un modelo unidimensional que utiliza un número cuántico (n)
para describir la distribución de electrones en el átomo. El modelo de
Schrödinger permite que el electrón ocupe un espacio tridimensional. Por lo
tanto requiere tres números cuánticos para describir los orbitales en los que
se puede encontrar al electrón. La descripción del átomo mediante la mecánica
ondulatoria está basada en el cálculo de las soluciones de la ecuación de
Schrödinger (Figura 1); está es una ecuación diferencial que permite obtener
los números cuánticos de los electrones.
En
esta ecuación:
Ψ es la llamada función de onda. Contiene la información sobre
la posición del electrón. También se denomina orbital, por analogía con las
órbitas de los modelos atómicos clásicos.
El
cuadrado de la función de onda |Ψ|2 es la llamada densidad de probabilidad relativa del
electrón y representa la probabilidad de encontrar al electrón en un punto del
espacio (x, y, z).
E
es el valor de la energía total del electrón.
V
representa la energía potencial del electrón un punto (x, y, z). Por tanto, E-V
es el valor de la energía cinética cuando el electrón está en el punto (x, y,
z).
Las
soluciones, o funciones de onda, Ψ, son funciones matemáticas que dependen de unas variables que
sólo pueden tomar valores enteros. Estas variables de las funciones de onda se
denominan números cuánticos: número cuántico principal, (n), angular (l) y número
cuántico magnético (ml). Estos números describen el tamaño, la forma y la
orientación en el espacio de los orbitales en un átomo.
El
número cuántico principal (n) describe el tamaño del orbital, por ejemplo: los
orbitales para los cuales n=2 son más grandes que aquellos para los cuales n=1.
Puede tomar cualquier valor entero empezando desde 1: n=1, 2, 3, 4, etc.
El
número cuántico del momento angular orbital (l) describe la forma del orbital
atómico. Puede tomar valores naturales desde 0 hasta n-1 (siendo n el valor del
número cuántico principal). Por ejemplo si n=5, los valores de l pueden ser: l=
0, 1 ,2, 3, 4. Siguiendo la antigua terminología de los espectroscopistas, se
designa a los orbitales atómicos en función del valor del número cuántico secundario,
l, como:
l = 0 orbital s
(sharp)
l = 1 orbital p
(principal)
l
= 2 orbital d (diffuse)
l
= 3 orbital f (fundamental)
El
número cuántico magnético (ml), determina la orientación espacial del orbital.
Se denomina magnético porque esta orientación espacial se acostumbra a definir
en relación a un campo magnético externo. Puede tomar valores enteros desde -l
hasta +l. Por ejemplo, si l=2, los valores posibles para m son: ml=-2, -1, 0,
1, 2.
El
número cuántico de espín (s), sólo puede tomar dos valores: +1/2 y -1/2.
La
teoría atómica actual es la que descubrió Schrödinger mediante la mecánica cuántica.
Ya que es imposible ver un átomo en sí, los científicos se basaron de las probabilidades.
Y quién obtuvo mayor porcentaje fue Schrödinger.
Veamos
un ejercicio de aplicación:
Escribir
la estructura electrónica del P (Z=15) aplicando la regla de máxima
multiplicidad de Hund
15P es: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 (3px1 3py1 3pz1
)
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