El Átomo y Partículas Subatómicas

El Átomo y sus Partículas Subatómicas

• El átomo es la unidad básica de la materia.
• Está compuesto por partículas subatómicas que son fundamentales para su estructura y comportamiento.
• Las principales partículas subatómicas son protones, neutrones y electrones.
• Los protones tienen una carga eléctrica positiva y se encuentran en el núcleo del átomo junto con los neutrones, que no tienen carga eléctrica.
• Los electrones tienen una carga negativa y orbitan alrededor del núcleo en diferentes niveles de energía.
• La distribución de estas partículas subatómicas determina las propiedades y el comportamiento químico de un átomo.
• Los protones y neutrones constituyen el núcleo atómico y tienen una masa relativamente grande en comparación con los electrones.
• Los electrones tienen una masa mucho menor y están distribuidos en capas o niveles de energía alrededor del núcleo, donde cada nivel puede contener un número máximo de electrones.

Rayos Catódicos y Rayos Anódicos

• Los rayos catódicos y anódicos son fenómenos observados en experimentos con tubos de descarga de gas a baja presión.
• Los rayos catódicos se producen cuando una corriente eléctrica pasa a través de un tubo de descarga entre un cátodo y un ánodo.
• Sir William Crookes descubrió los rayos catódicos, que son corrientes de electrones que se desplazan desde el cátodo hacia el ánodo, generando un resplandor fluorescente en la parte opuesta al cátodo.
• Los rayos anódicos son corrientes de iones positivos que se desplazan desde el ánodo hacia el cátodo en el tubo de descarga.
• Los rayos catódicos fueron cruciales en el descubrimiento del electrón por J.J. Thomson en 1897.
• Este descubrimiento condujo al modelo atómico de Thomson, donde los electrones estaban incrustados en una esfera de carga positiva, similar a las pasas en un pudín.

Radiactividad

• Radiactividad es cuando ciertos núcleos atómicos inestables se desintegran espontáneamente, emitiendo partículas subatómicas o radiación electromagnética.
• Henri Becquerel descubrió este proceso en 1896 al observar que las sales de uranio emitían radiación que podía impresionar una placa fotográfica, incluso sin una fuente de energía externa.
• Existen tres tipos principales de radiación ionizante emitida durante la desintegración radiactiva: alfa, beta y gamma.
• La radiación alfa consiste en núcleos de helio (dos protones y dos neutrones).
• La radiación beta puede ser una partícula beta (un electrón) o un positrón.
• La radiación gamma es una forma de radiación electromagnética de alta energía.
• La radiactividad tiene aplicaciones en medicina, como en la tomografía por emisión de positrones (PET) y en la radioterapia para el tratamiento del cáncer.
• También se utiliza en la datación por radiocarbono y en diversas aplicaciones industriales.
• La radiactividad puede presentar riesgos para la salud y el medio ambiente si no se maneja adecuadamente.

Base experimental de la teoría cuántica

• La base experimental de la teoría cuántica se desarrolló a lo largo del siglo XX.
• Una serie de experimentos desafiaron las concepciones clásicas de la física.
• Esto llevó al desarrollo de un nuevo marco teórico para comprender el mundo subatómico.
• Estos experimentos proporcionaron evidencia crucial que respaldó la emergente teoría cuántica y ayudaron a sentar las bases de la física moderna.

Experimento de la Doble Rendija

• El experimento de la doble rendija demuestra el comportamiento ondulatorio de las partículas subatómicas.
• Thomas Young lo desarrolló en 1801.
• Se observa un patrón de interferencia cuando la luz o los electrones pasan a través de dos rendijas estrechas.
• Este patrón solo se explica mediante la teoría ondulatoria de la luz y la materia.
• Las partículas subatómicas exhiben comportamientos tanto de onda como de partícula.

Experimento de Franck-Hertz

• James Franck y Gustav Hertz realizaron el experimento de Franck-Hertz en 1914.
• El experimento proporcionó evidencia experimental de la cuantización de la energía en átomos.
• Los electrones aceleran, colisionando con átomos de mercurio gaseoso.
• Los electrones solo transfieren energía a los átomos en cantidades discretas (la energía de los electrones esta cuantificada)
• Este experimento confirmó la teoría cuántica de Planck y la mecánica cuántica de Bohr.

Experimento de Stern-Gerlach

• Otto Stern y Walther Gerlach realizaron el experimento de Stern-Gerlach en 1922.
• El experimento proporcionó evidencia experimental de la cuantización del momento angular en partículas subatómicas.
• Un haz de átomos de plata se hizo pasar a través de un campo magnético no uniforme.
• Los átomos se dividen en dos haces distintos, indicando la cuantización del momento angular de los átomos.
• El experimento fue fundamental para el desarrollo de la teoría cuántica y la comprensión de las propiedades fundamentales de las partículas subatómicas.

Teoría Ondulatoria de la Luz

• La teoría ondulatoria de la luz es una de las principales teorías que describen la naturaleza de la luz.
• Postula que la luz se propaga en forma de ondas electromagnéticas, compuestas por campos eléctricos y magnéticos que oscilan perpendicularmente entre sí y en la dirección de propagación.
• Explica fenómenos como la reflexión, refracción, interferencia y difracción.
• El experimento de la doble rendija de Thomas Young en 1801 demostró que la luz exhibe patrones de interferencia al pasar por dos rendijas estrechas, mostrando propiedades ondulatorias.
• Explica la difracción, la reflexión y la refracción de la luz en superficies y medios diferentes.
• La naturaleza corpuscular de la luz y su comportamiento de partícula (fotones), fue un desafío fundamental para la comprensión de la naturaleza de la luz y condujo al desarrollo de la mecánica cuántica.

Radiación del Cuerpo Negro y Teoría de Planck

• Radiación del cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro ideal, que absorbe toda la radiación incidente.
• El estudio de la radiación del cuerpo negro llevó al desarrollo de la teoría cuántica y a la formulación de la teoría de Planck por Max Planck en 1900.
• Planck propuso que la energía emitida o absorbida por un oscilador solo puede ocurrir en múltiplos enteros de un valor mínimo (cuantos de energía).
• Esta idea resolvió el problema del ultravioleta catastrófico, que era la incapacidad de las teorías clásicas de predecir la radiación emitida por un cuerpo negro a altas frecuencias.
• La teoría de Planck sentó las bases para la mecánica cuántica y la comprensión de los fenómenos cuánticos.
• Proporcionó una explicación precisa de la radiación del cuerpo negro en todas las longitudes de onda.
• La ecuación E=hf (energía de un fotón) se convirtió en pilar fundamental de la física cuántica.

Efecto Fotoeléctrico

• El efecto fotoeléctrico es el fenómeno en el cual la luz incidente (fotones) expulsa electrones de una superficie metálica.
• Heinrich Hertz observó este fenómeno por primera vez en 1887, y Albert Einstein lo investigó en detalle en 1905.
• Según la teoría de Einstein, la luz está compuesta por partículas discretas de energía llamadas fotones.
• Cuando un fotón de suficiente energía golpea un material, puede transferir su energía a un electrón, liberándolo y creando una corriente eléctrica.
• La energía cinética de los electrones liberados depende de la frecuencia de la luz incidente, no de su intensidad.
• El efecto fotoeléctrico tiene aplicaciones en celdas solares fotovoltaicas, dispositivos de imagen y detectores de luz.

Espectros de Emisión y Series Espectrales

• Los espectros de emisión son patrones de líneas brillantes que aparecen cuando los átomos emiten luz después de ser excitados por una fuente de energía externa, como una descarga eléctrica o una llama.
• Cada elemento químico tiene un conjunto único de líneas espectrales.
• Las líneas espectrales son el resultado de transiciones electrónicas específicas entre diferentes niveles de energía en el átomo.
• Las series espectrales son secuencias específicas de líneas espectrales que corresponden a diferentes tipos de transiciones electrónicas en un átomo.
• Las series espectrales son útiles para identificar elementos químicos y para estudiar la estructura de los átomos y sus niveles de energía.

Teoría Atómica de Bohr

• La teoría atómica de Bohr, propuesta por Niels Bohr en 1913, revolucionó la comprensión de la estructura atómica al incorporar ideas cuánticas y establecer un modelo que explicaba las líneas espectrales del átomo de hidrógeno.
• Bohr postuló que los electrones en un átomo ocupan órbitas circulares estacionarias alrededor del núcleo, sin irradiar energía.
• Cada órbita tiene un nivel de energía específico, con solo ciertos valores discretos permitidos para los electrones.
• Un electrón puede saltar de una órbita a otra emitiendo o absorbiendo energía en forma de fotones, donde la energía emitida o absorbida está cuantizada y relacionada con la diferencia de energía entre las órbitas inicial y final.
• Bohr estableció condiciones para la estabilidad de las órbitas.
• Postulo que un electrón que permanece estable en órbita equilibra exactamente la energía cinética (debido a su movimiento orbital) con su energía potencial (debida a su atracción hacia el núcleo).

Teoría Atómica de Bohr-Sommerfeld

• Arnold Sommerfeld extendió la teoría de Bohr al introducir órbitas elípticas y orbitales cuánticos adicionales.
• Sommerfeld introdujo el concepto de números cuánticos adicionales para describir las propiedades de los electrones en un átomo.
• Sommerfeld propuso que las órbitas de los electrones en un átomo pueden ser elípticas en lugar de circulares.
• Sommerfeld introdujo números cuánticos secundarios, como el número cuántico azimutal (l) y número cuántico magnético (m).
• La teoría de Bohr-Sommerfeld permitió una explicación más completa de los espectros atómicos complejos, como los de los átomos de helio y iones de hidrógeno.

Principio de dualidad

• El principio de dualidad, propuesto por Louis de Broglie en 1924, sugiere que las partículas, como los electrones, pueden exhibir propiedades de partícula y de onda.
• De Broglie propuso que cualquier partícula con momento tiene asociada una onda
• Longuitud de onda: λ=ph
• λ es la longitud de onda de la partícula
• h es la constante de Planck
• p es el momento lineal de la partícula
• A nivel subatómico, las partículas tienen propiedades ondulatorias.

Principio de incertidumbre de Heisenberg

• El principio de incertidumbre, formulado por Werner Heisenberg en 1927, establece que no se pueden conocer simultáneamente con precisión la posición y el momento lineal de una partícula subatómica.
• Δχ·Δρ ≥ h/2
• Δχ es la incertidumbre en la posición de la partícula
• Δρ es la incertidumbre en su momento lineal
• ħ es la constante reducida de Planck (h/2π).

Ecuación de onda de Schrödinger

• La ecuación de Schrödinger es la ecuación fundamental de la mecánica cuántica y describe la evolución temporal de la función de onda de un sistema cuántico.
• Forma: -ħ2/2md2/dx2 +V(x) = Εψ
• ħ es la constante reducida de Planck
• m es la masa de la partícula
• V(x) es el potencial en función de la posición
• E es la energía total de la partícula
• ψ es la función de onda
• Proporciona una descripción cuantitativa de la evolución del estado cuántico de una partícula en un sistema dado.
• La función de onda ψ describe el estado cuántico de una partícula.
• Su módulo al cuadrado ψ*ψ proporciona la densidad de probabilidad de encontrar la partícula en una posición específica en un instante de tiempo dado.

Números cuánticos y orbitales atómicos

• Los números cuánticos son valores numéricos que describen los estados cuánticos de un sistema cuántico.
• Los números cuánticos incluyen
  • El número cuántico principal n
  • Número cuántico azimutal I
  • Número cuántico magnético m
  • Número cuántico de espín S.
• Los orbitales atómicos son regiones del espacio donde hay alta probabilidad de encontrar un electrón
• Los orbitales atómicos están caracterizados por los números cuánticos n, I y m.

Distribución Electrónica en Sistemas Polielectrónicos

• En átomos con más de un electrón, la distribución de los electrones en los diferentes orbitales se rige por principios cuánticos.
• Estos principios son fundementales para comprender la estructura electrónica de los elementos y su ubicación.

Principio de Aufbau

• El principio de Aufbau establece que los electrones llenan los orbitales atómicos comenzando por los de menor energía.
• Los electrones ocupan primero los orbitales de menor nivel de energía antes de pasar a los niveles de energía.

Principio de Exclusión de Pauli

• El principio de exclusión de Pauli establece que ningún electrón puede tener los mismos cuatro números cuánticos.
• Dos electrones en un átomo deben tener al menos un número cuántico diferente.

Principio de Máxima Multiplicidad de Hund

• El principio de máxima multiplicidad de Hund establece que cuando se llenan orbitales degenerados, los electrones se distribuyen en una cantidad máxima.
• Los electrones se distribuyen para maximizar el número de electrones con espines paralelos antes de emparejarse.

Configuración Electrónica de los Elementos y su Ubicación en la Clasificación Periódica

• La configuración electrónica de los elementos se refiere a la distribución de electrones en los diferentes niveles y subniveles de energía.
• Conocer configuraciones permiten entender las propiedades y el comportamiento químico de los elementos.
• Esta relacionada con su ubicación en la tabla periódica.

Principios de Radiactividad

• La radiactividad es un fenómeno natural en el que núcleos de elementos inestables experimentan una desintegración espontánea, transformándose en elementos más estables.
• La desintegración nuclear conlleva la emisión de partículas subatómicas y/o radiación electromagnética, conocida como radiación ionizante.
• La desintegración alfa reduce el número atómico del elemento en dos y su masa en cuatro.
• El decaimiento beta afecta al número atómico del elemento, pero no a su masa.
• La desintegración gamma generalmente acompaña a los procesos de decaimiento alfa y beta, y ayuda a estabilizar el núcleo.
• El estudio de la radiactividad es importante en medicina, geología, industria e investigación científica.

Aplicaciones Tecnológicas de la Emisión Electrónica de los Átomos

• La emisión electrónica de los átomos tiene una amplia gama de aplicaciones tecnológicas en diversas áreas.
• Fotoceldas Solares: Convierten la energía luminosa en electricidad mediante electrones liberados por fotones.
• Detectores de Radiación: Utilizan la ionización producida por la radiación para detectar partículas cargadas y fotones de alta energía.
• Microscopios Electrónicos: Los microscopios electrónicos utilizan haces de electrones en lugar de luz visible.
• Celdas de Combustible: Convierten la energía química de un combustible en electricidad mediante reacciones electroquímicas.
• Radioterapia: La emisión de electrones se utiliza en la radioterapia para tratar el cáncer.
• Láseres: Usan la emisión estimulada de electrones para producir luz coherente y de alta intensidad.