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El Átomo y videos de todos los Modelos y postulados

EL ÁTOMO

1.- El átomo en la antigüedad
Los filósofos griegos discutieron mucho acerca de la naturaleza de la materia y concluyeron que el mundo era más simple de lo que parecía. Algunas de sus ideas de mayor relevancia fueron:

Leucipo

Demócrito

En el siglo V a. C., Leucipo sostenía que había un sólo tipo de materia y pensaba que si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas, obtendríamos un trozo que no se podría cortar más. Demócrito llamó a estos trozos átomos (“sin división”).

La filosofía atomista de Leucipo y Demócrito podía resumirse en:

1.- Los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos e invisibles.

2.- Los átomos se diferencian en su forma y tamaño.

3.- Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los átomos.

Empédocles

En el siglo IV a. C., Empédocles postuló que la materia estaba formada por 4 elementos: tierra, aire, agua y fuego.

Aristóteles

Aristóteles, posteriormente, postula que la materia estaba formada por esos 4 elementos pero niega la idea de átomo, hecho que se mantuvo hasta 200 años después en el pensamiento de la humanidad.

1.1.- La teoría atómica de Dalton

En 1808, John Dalton  publicó su teoría atómica, que retomaba las antiguas ideas de Leucipo y de Demócrito. Según la teoría de Dalton:

1.- Los elementos están formados por partículas diminutas, indivisibles e inalterables llamadas átomos.

Dalton estableció un sistema para designar a cada átomo de forma que se pudieran distinguir entre los distintos elementos:

2.- Los átomos de un mismo elemento son todos iguales entre sí en masa, tamaño y en el resto de las propiedades físicas o químicas. Por el contrario, los átomos de elementos diferentes tienen distinta masa y propiedades.

3.- Los compuestos se forman por la unión de átomos de los correspondientes elementos según una relación numérica sencilla y constante.

De la teoría atómica de Dalton se pueden obtener las siguientes definiciones:

– Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades.

– Un elemento es una sustancia pura que está formada por átomos iguales.

– Un compuesto es una sustancia que está formada por átomos distintos combinados en una relación numérica sencilla y constante.

2.- El átomo es divisible

Una vez aceptada la teoría atómica de la materia, los fenómenos de electrización y electrólisis pusieron de manifiesto, por un lado, la naturaleza eléctrica de la materia y, por otro, que el átomo era divisible; es decir, que estaba formado por otras partículas fundamentales más pequeñas.

En esta página puedes ver ejemplos sobre fenómenos de electrización.

Los fenómenos eléctricos son una manifestación de su carga eléctrica. La unidad de carga eléctrica en el SI es el culombio (C).

Hay 2 tipos de cargas eléctricas: positiva y negativa. dos cuerpos que hayan adquirido una carga del mismo tipo se repelen, mientras que si poseen carga de distinto tipo se atraen.

La materia es eléctricamente neutra, es decir, tiene la misma cantidad de cada tipo de carga. cuando adquiere carga, tanto positiva como negativa, es porque tiene más cantidad de un tipo que de otro.

A finales del siglo XIX y principios del XX, una serie de experimentos permitieron identificar las partículas responsables de la carga negativa (el electrón) y de la carga positiva (el protón). Estos experimentos proporcionaron los datos siguientes sobre la estructura de la materia:

– El átomo contiene partículas materiales subatómicas.

– Los electrones tienen carga eléctrica negativa y masa. Cada electrón posee una carga eléctrica elemental.

– Los protones tienen carga eléctrica positiva y mayor masa.

– Como el átomo es eléctricamente neutro, hay que suponer que el número de cargas eléctricas negativas (electrones) es igual al número de cargas positivas (protones).

3.- Modelos atómicos

En Ciencia, un modelo intenta explicar una teoría mediante una comparación. Un modelo será tanto más perfecto cuanto más claramente explique los hechos experimentales. El modelo es válido mientras explica lo que ocurre en los experimentos; en el momento en que falla, hay que modificarlo.

3.1.- Modelo atómico de Thomson

Por ser tan pequeña la masa de los electrones, el físico inglés J. J. Thomson supuso, en 1904, que la mayor parte de la masa del átomo correspondía a la carga positiva, que, por tanto, debía ocupar la mayor parte del volumen atómico. Thomson imaginó el átomo como una especie de esfera positiva continua en la que se encuentran incrustados los electrones (como las pasas en un pudin).

Este modelo permitía explicar varios fenómenos experimentales como la electrización y la formación de iones.

– La electrización: Es el exceso o la deficiencia de electrones que tiene un cuerpo y es la responsable de su carga eléctrica negativa o positiva.

– La formación de iones: Un ion es un átomo que ha ganado o ha perdido electrones. Si gana electrones tiene carga neta negativa y se llama anión y si pierde electrones tiene carga neta positiva y se llama catión.

3.2.- Modelo atómico de Rutherford

El modelo de Thomson tuvo una gran aceptación hasta que, en 1911, el químico y físico inglés Ernest Rutherford y sus colaboradores llevaron a cabo el “Experimento de Rutherford”.

En esta página puedes ver cómo este experimento ofrecía unos resultados que no podían explicarse con el modelo de átomo que había propuesto Thomson y, por tanto, había que cambiar el modelo.

En el experimento se bombardeaba una fina lámina de oro con partículas alfa (positivas) procedentes de un material radiactivo y se observaba que:

– La mayor parte de las partículas alfa atravesaban la lámina sin cambiar de dirección, como era de esperar.

– Algunas partículas alfa se desviaron considerablemente.

– Unas pocas partículas alfa rebotaron hacia la fuente de emisión.

Puedes ver el experimento en este vídeo.

Aquí tienes otra versión interactiva del mismo experimento.

El Modelo atómico de Rutherford o modelo nuclear establece que:

– El átomo tiene un núcleo central en el que están concentradas la carga positiva y casi toda la masa.

– La carga positiva de los protones del núcleo se encuentra compensada por la carga negativa de los electrones, que están fuera del núcleo.

– El núcleo contiene, por tanto, protones en un número igual al de electrones del átomo.

– Los electrones giran a mucha velocidad alrededor del núcleo y están separados de éste por una gran distancia.

3.3.- Los neutrones

La masa de protones y electrones no coincidía con la masa total del átomo; por tanto, Rutherford supuso que tenía que haber otro tipo de partículas subatómicas en el núcleo de los átomos.

Estas partículas fueron descubiertas en 1933 por J. Chadwick. Al no tener carga eléctrica recibieron el nombre de neutrones.

Los neutrones son partículas sin carga y de masa algo mayor que la masa de un protón.

3.4.- Estructura del átomo

Según esto, el átomo quedó constituido así:

– Una zona central o NÚCLEO donde se encuentra la carga total positiva (la de los protones) y la mayor parte de la masa del átomo, aportada por los protones y los neutrones.

– Una zona externa o CORTEZA donde se hallan los electrones, que giran alrededor del núcleo.

Hay los mismos electrones en la corteza que protones en el núcleo, por lo que el conjunto del átomo es eléctricamente neutro.

La mecánica ondulatoria Schrödinger

– La mecánica ondulatoria (Erwin Schrödinger):

Schrödinger:  Científico  fundamental en el desarrollo de la teoría cuántica.

Schrödinger priorizo las teorías clásicas donde los conceptos definidos ya eran fácilmente visualizadas.B

Trabajo en una  teoría que explicara la física cuántica basándose en  la teoría ondulatoria de la materia de De Broglie.

De  esta forma logro tener una imagen en su cabeza de como los “electrones ondulatorios” de De Broglie se refractaban de tal manera que podía viajar por las órbitas del modelo de Bohr.

Es como consiguió, elaborar una formula donde cualquier sistema físico podía ser descrito sabiendo su energía, a partir de una función de onda (i.e. para un partícula):

ihbarfrac{partial}{partial t} Psi(mathbf{r},,t) = -frac{hbar^2}{2m}nabla^2Psi(mathbf{r},,t) + V(mathbf{r})Psi(mathbf{r},,t)

Donde   mathbf{r} = (x,y,z) reconocer la posición de la partícula en sus tres dimensiones

Psi(mathbf{r},t) Esta  función de onda representa la probabilidad de una partícula de tener la posición r en un momento dado t

m es la masa de la partícula

V(mathbf{r}) es la energía potencial de la partícula en la posición r.

Densidad de Probabilidad de ubicación de un electrón para los primeros niveles de energía

Schrödinger decidió en un primer momento que Psi(mathbf{r},t) representaba la posición del electrón.

Posteriormente, cambió su interpretación hacia una densidad de carga electrónica.

No fue hasta la interpretación probabilística de Born cuando se definió la función de onda como la probabilidad de encontrar un electrón en la posición r en un instante t.

Aunque a Schrödinger le desagradaba la notación empleada por Heisenber, al final se demostró (Dirac) que ambas teorías eran equivalentes.

– Algebra cuántica (Paul Dirac):

Dirac, hizo suyo ya que generalizó la teoría cuántica demostrando que ambas teorías de Heisenberg y Shrödinger eran casos especiales de su teoría más general.

Aplicando mecánica cuántica a las ecuaciones de Maxwell, Dirac construyó la primer teoría cuántica de campo (Quantum Field Theory).

En esta teoría, el concepto de campo continuo (introducido tiempo atrás por Faraday y compañía) donde el campo electromagnético (i.e.) es continuo se divide en pequeños trozos de modo que así puede interactuar con la material (compuesta por electrones, protones,…).

, la luz se puede tratar de las dos formas, como onda o como materia (dualidad explicada por Einstein unos años antes).

A través de su teoría, Dirac fue capaz también de demostrar la existencia de electrones con carga positivas, ahora llamados positrones. El comienzo del estudio de la anti-materia había nacido.

3) Puliendo los últimos retoques de la Teoría Cuántica (Principio de Incertidumbre de Heisenberg, Complementariedad de Bohr y Copenhagen Interpretation (CHI), Einstein’s box of ligth, Paradoja EPR, Principio de Localidad, Principio de Desigualdad de Bell,…)

Por supuesto, con la generalización de Dirac no se termina la historia. Nuevos puntos de vista, explicaciones o descripciones seguían apareciendo.

– (1927) Heisenberg postuló su principio de incertidumbre donde se expone que “no se puede determinar, simultáneamente y con precisión arbitraria, ciertos pares de variables físicas, como son, por ejemplo, la posición y el momento lineal (cantidad de movimiento) de un objeto dado.

En otras palabras, cuanta mayor certeza se busca en determinar la posición de una partícula, menos se conoce su cantidad de movimiento lineal“.

– (1927) Bohr describe la complementariedad de la luz. Aunque la descripción como partícula o como onda son excluyentes, ambos son necesarios para un completo entendimiento del comportamiento de la luz.

– Borh, junto con Heisenberg, Pauli y Born, presenta en Copenhagen un nuevo concepto combinando la mecánica matricial y el principio de incertidumbre de Heisenber, la interpretación probabilística de Born sobre la función de onda de Schrödinger y su propia idea de complementariedad de la luz. Copenhagen Interpretation (CHI): la descripción del estado de un sistema atómico antes de ser medido es indefinido, conociendo únicamente posibles valores con ciertas probabilidades.

Resumen y terminos II

Prosigamos con lo que ya sabemos a modo de sintesis.

Cada sustancia, tiene como conjunto único de propiedades físicas y porpiedades químicas que son identificables.

Al darse un cambio físico no cambia ni la materia ni su composición.

Lo cambios de estado si son cambios físicos.

Propiedad Química: (la reacción química) en una reacción química si se transforma en otra quimicamente diferente.

Propiedades intensivas: estas propiedades son independienes de la cantidad de materia examinada y podemos identificar sus sustancias.

Extensivaa: proiedades extensivas estas se realcionan con la cantidad de las sustancia presentes en ella .


Metodo cientifíco: en un dinamico proceso el cual sirve para obtener respuestas y contestar preguntas respecto al mundo fisíco.

Cuando las observaciones y los experimentos nos vrindan resultados para las leyes cientificas, que podemos tomar como reglas generale, ya que resumen el comportamiento de la naturaleza.

Esta observaciónes son hipótesis cuando una hipótesis se cumple, se prueba, esta se diria que estamos ablando de una teoría.
Las mediciones: empleando el sistema metrico se efectuan en química las mediciones.

Haremos incapié especial en cierto conjunto de unidades métricas a las cuales llamaremos unidades SI (Regla convencional), se basan en el metro, Kilogramo, tambien unidades de longitud, masa y tiempo.

Utilisando una serie de prefijos el sistema métrico se puede indicar fracciones o múltiplos de las unidades fundamentale.

Se usa la escala del SI que es la escala Kelvin, pero tambien se usa con frecuencia la escala Celsius.
Importante: la densidas en una medida derivada la cual es igual a la masa dividida entre el volumen.

Resumen y terminos: Parte I, Parte II, Parte III