Tema 1: Antecedentes de la Teoría Atómica - 1 - BIBLIOGRAFÍA : * “Principios de Química” P. Ander y A.J. Sonnessa * “Química: La Ciencia Básica ”M.D. Reboiras * “Química. Curso Universitario” B.M. Mahan y R.J. Myers * “Química General” R.H. Petrucci, W.S. Harwood y F.G. Herring CONTENIDOS DEL TEMA : 1.1. Introducción. 1.2. La naturaleza eléctrica de la materia. 1.3. Primeros modelos atómicos (Thomson, Rutherford). 1.4. Radiación del cuerpo negro. 1.5. El efecto fotoeléctrico. 1.6. Espectros atómicos. 1.7. El átomo de Bohr. 1.1.- INTRODUCCIÓN : + Recorrido histórico de las diferentes teorías atómicas, haciendo hincapié en el método científico: Experimentación Interpretación Síntesis Creación de modelo Verificación Recorrido histórico por las diversas teorías atómicas: (de Thomson a la Mecánica Cuántica) Esquema del método científico + La teoría atómica es una de las teorías más importantes de la Ciencia, ya que: * Describe con gran precisión al ÁTOMO. * Es la base para el conocimiento de los fenómenos químicos de la materia. Repaso : campo eléctrico y magnético; fuerza, trabajo y energía; diversos tipos de fuerzas
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Tema 1: Antecedentes de la Teoría Atómica
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BIBLIOGRAFÍA: * “Principios de Química” P. Ander y A.J. Sonnessa * “Química: La Ciencia Básica ”M.D. Reboiras * “Química. Curso Universitario” B.M. Mahan y R.J. Myers * “Química General” R.H. Petrucci, W.S. Harwood y F.G. Herring CONTENIDOS DEL TEMA:
1.1. Introducción. 1.2. La naturaleza eléctrica de la materia. 1.3. Primeros modelos atómicos (Thomson, Rutherford). 1.4. Radiación del cuerpo negro. 1.5. El efecto fotoeléctrico. 1.6. Espectros atómicos. 1.7. El átomo de Bohr.
1.1.- INTRODUCCIÓN:
+ Recorrido histórico de las diferentes teorías atómicas, haciendo hincapié en el
método científico:
Experimentación Interpretación
SíntesisCreación de modeloVerificación
Recorrido históricopor las diversas teorías atómicas:
(de Thomson a la Mecánica Cuántica)
Esquema del método científico
+ La teoría atómica es una de las teorías más importantes de la Ciencia, ya que:
* Describe con gran precisión al ÁTOMO.
* Es la base para el conocimiento de los fenómenos químicos de la materia.
Repaso: campo eléctrico y magnético; fuerza, trabajo y energía; diversos tipos de fuerzas
A P ~10-2 atm.: Resplandor del gas Recombinación por choque
+ LUZPartículaneutra-+ +A P ~10-2 atm.: Resplandor del gas Recombinación
por choque+ LUZPartícula
neutra+ LUZPartícula
neutra-++ +
Emisión deRayos catódicos
A P ~10-6 atm.: Fluorescencia del tubo + Choque con el cátodo
Emisión deRayos catódicos
Emisión deRayos catódicos
A P ~10-6 atm.: Fluorescencia del tubo ++ Choque con el cátodo
1.2.- NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA:
1.2.1.- Primeras observaciones (Faraday ,1833):
Si un número fijo de
átomos reacciona con
una cantidad fija de
electricidad, la propia
electricidad se compone
de partículas.
1.2.2.- Decubrimiento de los rayos catódicos (J.W. Hittorf y W. Crookes):
Tubo de descarga o de Crookes (1860-1890)
Tema 1: Antecedentes de la Teoría Atómica
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* Propiedades de los rayos catódicos:
• Se desplazan en línea recta hacia el ánodo.
• Se desvían en presencia de campos
eléctricos y/o magnéticos.
• Sus características no dependen de la
naturaleza del gas, ni del metal de
los electrodos: “Son constituyentes
comunes de la materia”
* Determinación de la relación q/m de los rayos catódicos:
Se necesita determinar la aceleración vertical de los rayos catódicos (a) Por la propiedad de ángulos iguales: Y
Lly ·=
Para calcular el tiempo (t) durante la aceleración: vlt =
Para determinar v se aplica un campo magnético perpendicular al eléctrico de forma:
Sustituyendo en las ecuaciones anteriores:
2·2t
ya =
182222 107589122 −−=== g·Cul·,
L·B·d·lV·Y·
B·d·lV·y·
mq
em FF = qdVvqB ··· =
BdVv·
=
me F F
Err
rr
↓↑
⊥↓ B
me F F
Err
rr
↓↑
⊥↓ B
me F F
Err
rr
↓↑
⊥↓ B
amF
qdVF
e
e
·=
⋅=
(J.J. Thomson, 1897)
Vda
mq ·=
Tema 1: Antecedentes de la Teoría Atómica
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tdv /=
* Determinación de la carga del electrón:
(Experimento de la gota de aceite; R.A. Millikan, 1911) Fuerzas en ausencia de campo eléctrico:
La aceleración crea una fuerza de resistencia (Fr) opuesta a la Fneta:
v·r···Fr ηπ6= (para una esfera de r pequeña)
Después de un tiempo: Fneta= 0
Fuerzas en presencia de campo eléctrico:
Cuando Fneta= 0 :
v·r···)·(g·r··q·E
v·r···FFFF
acair
rwbe
′=−+
′=′=−+
ηπρρπ
ηπ
634
6
3
Rayos X
P
P´
O
D
d
Rayos X
P
P´
O
D
d
gramFFF
grgmF
grgmF
airacbwneta
airairb
acacw
)··(··34·
····34·
····34·
3
3
3
ρρπ
ρπ
ρπ
−==−=
==
==
vrgr
FFF
airac
bwr
····6)··(··34 3 ηπρρπ =−
−=
)·(g·)(v··r
airac ρρη
−=
346
E)·(g·r·)·(v·r··
q acair ρρπηπ −−′⋅=
3346
Fb
mov
imie
nto
Fr
FW
Fb
mov
imie
nto
Fr
FW
Fb
mov
imie
nto
Fr
Fw
Fe
Fb
mov
imie
nto
Fr
Fw
Fe
Fb
mov
imie
nto
Fr
Fw
Fe
Fb
mov
imie
nto
Fr
Fw
Fe
tdv ′=′
DVE =
Tema 1: Antecedentes de la Teoría Atómica
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MODELO “PLUM CAKE”
1E Brr
⊥
1E Brr
⊥
me FFrr
⊥
1E Brr
⊥
me FFrr
⊥
1E Brr
⊥ 1E Brr
⊥
1E Brr
⊥ 1E Brr
⊥
me FFrr
⊥ me FFrr
⊥
1E Brr
⊥ 1E Brr
⊥
me FFrr
⊥ me FFrr
⊥
1.2.3.- Decubrimiento de los rayos positivos o canales (Goldstein, 1886):
• Son partículas cargadas positivamente.
• Sus características (relación q/m) dependen
del gas encerrado en el tubo.
* Determinación de la releación q/m de los rayos canales: (W.F. Aston)
Los rayos positivos se coliman
por S1 y S2.
Pasan por 1 E Brr
⊥
Sólo los rayos de velocidad
constante que cumplan Fe=Fm
pasan por S3.
Por S3 v constante:
El campo magnético B2 acelera a las partículas en una trayectoria circular.
En B2:
1.3.- PRIMEROS MODELOS ATÓMICOS
* Modelo atómico de Thomson (1907): Resultados:
- Átomos eléctricamente neutros. - me ≈ 9·10-31 kg - m átomos ≈ 10-25 – 10-28 kg - carga e ≈ 1,6·10-19 Cul - radio átomos ≈ 10-10 m Interpretación: - Masa y carga positiva distribuida uniformemente en todo el espacio. - Electrones embebidos para mantener la neutralidad eléctrica.
vqBqEFF me
··· 1==
1/ BEv =
vqBRvm
FF mc
···2
2
=
=
qm
BvR ⋅=
2 RBv
mq 1
2
⋅=
Tema 1: Antecedentes de la Teoría Atómica
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Fuente departículas α
ContadorLáminametálica
Fuente departículas α
ContadorLáminametálica
MODELO “NUCLEAR”
* Experimentos de Geiger y Marsden (1909): Bombardeo de láminas muy delgadas de Pt o Au con partículas α (núcleos de He de carga positiva +2e) procedentes de la desintegración radiactiva del Ra.
* Modelo atómico de Rutherford (1911):
- Un núcleo con toda la carga positiva y casi
toda la masa del átomo.
- La carga negativa distribuida alrededor del
núcleo y girando en órbitas donde Fc = Fe.
- Supone la existencia en el núcleo de otras
partículas con masa pero sin carga,
(neutrones, J. Chadwick en 1932).
Partículas α AtomoPartículas α Atomo
* Resultados obtenidos: - La mayoría de las partículas α
pasan sin desviarse. - Unas pocas se desvían
formando ángulos pequeños. - Un buen número se desvían
formando ángulos grandes.
* Resultados esperados según el Modelo de Thomson: - Pequeñas desviaciones de la trayectoria (θ < 90º)
* Propuesta de nuevo modelo atómico: MODELO DE BOHR PARA EL ÁTOMO DE HIDRÓGENO (1913)
APÉNDICE: Radiación electromagnética
Radiación electromagnética: forma de transmisión de energía en la que los
campos eléctricos y magnéticos se propagan por ondas a través del espacio vacío
o a través de un medio. Se produce por aceleración de una partícula cargada.
Onda: perturbación que se propaga a través de un medio. Términos que
caracterizan una onda:
* Amplitud: * Longitud de onda (λ): * Frecuencia (ν):
Característica de la radiación electromagnética: velocidad constante de
2,997925·108 m·s-1 en el vacío (velocidad de la luz, c). λν ⋅=c
Dos fenómenos característicos de la
naturaleza ondulatoria de la radiación
electromagnética:
* Interferencia: interacción entre dos o más
ondas que viajan en el mismo espacio, que
pueden potenciarse, atenuarse o anularse.
* Difracción: fenómeno característico de
las ondas que consiste en la dispersión y
curvado aparente de las ondas cuando
encuentran un obstáculo.
Teoría Cuántica de Planck
Tema 1: Antecedentes de la Teoría Atómica
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, uλ
, uλ
∫= λλ d·uu
4···41 Tucet σ== KmT ·10·8979,2· 3
max−=λ
1.4.- RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO • Los cuerpos emiten radiación
electromagnética en función de su temperatura.
• Cuerpo negro ideal: Aquél que
absorbe toda cuanta radiación incide sobre él.
• Todos los cuerpos negros
ideales emiten un mismo espectro en función de la temperatura.
• Dispositivo experimental: Cavidad con un pequeño orificio. * Espectro de emisión típico de un cuerpo negro ideal:
uλ: Densidad de energía radiante por unidad de volumen dentro de la cavidad y por unidad de intervalo de longitud de onda a la temperatura T.
u: Densidad total de energía radiante por unidad de volumen.
et: Energía emitida por unidad de área y unidad de tiempo.
Ley de Stefan-Boltzmann: Ley de Wien:
σ = 5,6703·10-8 J/(m2·s·K4)
Orificio
Material refractarioA la temperatura T
Radiacióndetectada
Orificio
Material refractarioA la temperatura T
Radiacióndetectada
Tema 1: Antecedentes de la Teoría Atómica
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( )
−=
1
1···8··
·5Tk
che
chuλ
λ λπ
* Interpretación de Rayleigh-Jeans:
- Según la teoría electromagnética clásica, la radiación en el interior de la cavidad, que está en equilibrio térmico, consiste en ondas estacionarias de diversas frecuencias en equilibrio con los osciladores de las paredes de la cavidad.
- En una cavidad de volumen V el número de oscilaciones permitidas por
unidad de intervalo de longitud de onda es (8πV/λ4).
- Según el principio de Equipartición de Energía, a cada modo de oscilación de la cavidad le corresponde una energía promedio de k·T, así:
Fórmula de Rayleigh-Jeans
* Interpretación de Planck:
- Cuantización de la energía: Un oscilador o modo de oscilación sólo puede aumentar o disminuir su energía en unidades discretas de la misma, denominadas cuantos (ε).
- La distribución de modos de oscilación cumple la ley de Distribución de
Boltzmann. De esta forma la densidad de energía por unidad de intervalo de longitud de onda vendrá determinada por:
- Según Planck, la magnitud del cuanto de energía,ε, depende de la frecuencia
del oscilador (υ), y vale: λ
υε c·h·h == h = 6,626·10-34 J·s
De esta forma se obtiene:
Tku ··84 ⋅=
λπ
λ
CATÁSTROFE ULTRAVIOLETA: Para λ→0 uλ→∞
( )
−=
1
·8·
4Tke
u ελε
λπ Si ε = cte. No se resuelve nada.
Energía promedio de un modo de oscilación
Esta expresión sí explica los espectros del cuerpo negro ideal
Tema 1: Antecedentes de la Teoría Atómica
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Medidas experimentales: * Voltaje aplicado entre la lámina y la
rejilla, V, que se opone al desplazamiento de los fotoelectrones.
* Voltaje de parada, V0, mínimo voltaje que detiene los fotoelectrones; se puede calcular la energía de los electrones emitidos: ( ) 0
221 V·ev·m· = * Intensidad de corriente fotoeléctrica, I,
número de fotoelectrones emitidos por unidad de tiempo.
Metal A
Metal B
− ωA
− ωB
ν
Metal A
Metal B
− ωA
− ωB
ν
Metal A
Metal B
− ωA
− ωB
ν
Metal A
Metal B
− ωA
− ωB
ν
+
_Fe
+
_Fe
_
+
1.5.- EL EFECTO FOTOELÉCTRICO
Efecto fotoeléctrico (Hertz, 1887): “Cuando
un haz de luz incide en el vacío sobre una
placa metálica puede producirse una emisión
de electrones”.
* Resultados experimentales:
1- La energía de los electrones
emitidos no depende de la
intensidad de la radiación
incidente.
2- La intensidad de corriente
fotoeléctrica (número de
electrones/tiempo) sí depende
de la intensidad de la radiación.
3- La energía de los electrones
emitidos depende de la
frecuencia de la radiación
incidente.
4- Existe una frecuencia umbral,
ν0, por debajo de la cual no se
produce efecto fotoeléctrico.
Tema 1: Antecedentes de la Teoría Atómica
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* Predicciones de la teoría electromagnética clásica:
- La energía de los electrones emitidos debe depender de la intensidad de la
radiación electromagnética. (No ocurre así, en contra de resultados 1)
- La intensidad de corriente debe depender de la intensidad de la radiación
incidente. (De acuerdo con resultados 2)
- Según la teoría clásica la energía de la luz es independiente de su
frecuencia. (No explica los resultados 3 y 4)
* Interpretación de Einstein (1905):
- Según Einstein, la radiación en sí misma está compuesta de paquetes de
energía indivisibles, denominados fotones, con una energía igual a hν.
- Un único electrón puede recibir la energía hν de un fotón.
- La energía se utilizará parte en “arrancar” el electrón del metal (energía
potencial del electrón en el metal, ω, y el resto en conferir al fotoelectrón
energía cinética. Así:
* Si la radiación electromagnética tiene carácter “corpuscular” debe tener un