Mezclas: Homogéneas Heterogéneas Sustancias puras: Elementos Compuestos

33

MATERIA Y ENERGÍA2

E=m•c2

2.1. Introducción .................................................................................. 352.2. La materia. Estructura. ................................................................... 36

2.2.1. Generalidades ......................................................................... 362.2.2. El átomo ................................................................................. 362.2.3. La unión entre los átomos: cristales y moléculas .......................... 472.2.4. La materia a nivel macroscópico ................................................. 49

2.3. La energía ..................................................................................... 512.3.1. Generalidades ......................................................................... 512.3.2. Energía y átomos ..................................................................... 512.3.3. Energía y cristales y moléculas .................................................. 532.3.4. Energía y materia .................................................................... 532.3.5. Definición de energía ................................................................ 58

2.4. Las transformaciones de la materia y de la energía ............................. 582.4.1. Generalidades ......................................................................... 582.4.2. Transformaciones de la materia y la energía en las reacciones

químicas .................................................................................... 592.4.3. Transformaciones de la materia y la energía en los cambios

de estado .................................................................................. 602.4.4. Conversiones energéticas .......................................................... 612.4.5. Reversibilidad de las conversiones energéticas ............................. 62

2.5. Conversión energética y eficiencia: rendimiento ................................. 65LECTURA: NATURALEZA DE LA LUZ ......................................................... 66

Las primeras teorías sobre la naturaleza de la luz .................................. 66Triunfo de la teoría ondulatoria: ondas electromagnéticas ....................... 67Efecto fotoeléctrico ............................................................................ 68

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35

2. MATERIA Y ENERGÍA

2.1. Introducción

En este punto se expone en forma descriptiva y somera el estado actual de conocimientos sobre estos dos conceptos, materia y energía con los que se convive cotidianamente, pero que resultan muy difíciles de comprender cuando se “penetra en su complejidad”.

A pesar de los grandes avances sobre estos conceptos, acaecidos en el siglo XIX y XX, aún hoy puede decirse que continúan habiendo grandes interrogantes, y que la humanidad aún dista mucho de conocer la “naturaleza profunda” de la materia y la energía. Estos interrogantes, esta incertidumbre, se extienden desde lo infinitamente grande (el universo) hasta lo infinitamente pequeño (el átomo con todo su conjunto de partículas subatómicas), desde la naturaleza de la luz hasta las enormes energías encerradas en el interior de los núcleos atómicos.

Se sabe que materia y energía son conceptos indisolublemente unidos, dos caras de una misma realidad, pero que en gran parte sigue siendo un misterio para los humanos. La Física y la Química, entre otras, son las ramas del conocimiento que se ocupan de descifrar estos enigmas, pero unas y otras avanzan en la medida de que se ha ido disponiendo de instrumentos que permitan “ver más allá” de lo que se observa a través de los sentidos.

El conocimiento de los aspectos íntimos de la materia y de la energía se ven constreñidos por una doble limitación: por la disponibilidad de instrumentos (de tecnología) capaces de detectar ciertos fenómenos (por ejemplo, un acelerador lineal capaz de lanzar un chorro de electrones contra el núcleo de un átomo y romperlo, así como un sistema de detención capaz de “ver” las partículas subatómicas desprendidas), así como por los inconvenientes derivados de la interacción entre el aparato de medida y el fenómeno que se quiere observar (muchas veces, la presencia del aparato de medida impide que el fenómeno se manifiesta en su naturaleza real)

Desde luego, la Física también se plantea “modelos teóricos”, formulaciones matemáticas de las teorías derivadas de los nuevos conocimientos. Así los avances de los conocimientos sobre la materia y la energía se apoyan en una parte experimental y otra parte teórica. Incluso, puede afirmarse que la enorme complejidad de estos temas, las formidables incógnitas que se plantean, acercan cada vez más las Ciencias Básicas y las Tecnologías, a la Filosofía.

Por último, también ha de señalarse una dificultad añadida para la comprensión de estos temas, cual es el lenguaje empleado para tratarlos y para explicitarlos. El lenguaje común se ha configurado sobre la experiencia cotidiana de los sentidos, es decir, sobre los conceptos de una “Física clásica” que la imaginación percibir (movimiento, partícula, masa, etc.). Los fenómenos que ocurren “al margen de nuestros sentidos” resultan difíciles de entender y requieren nuevos términos para su expresión.

Por las mismas razones anteriores, también resulta difícil presentar estos temas (materia y energía) en forma estructurada e independiente (lo cual facilitaría su comprensión). A pesar de todo, se ha configurado el tema en tres apartados: materia, energía y transformaciones de ambas, con la esperanza de que de este modo, su comprensión sea más sencilla.

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2.2. La materia. Estructura.

2.2.1. Generalidades

Según el diccionario, “materia es la sustancia de que están constituidas las cosas”. También, “cualquier cosa que ocupa espacio”, añadiéndose también en algunas definiciones que la materia “posee masa” y que puede “presentarse” en tres “estados”: Sólido, Líquido y Gaseoso.

Los griegos, partiendo de que la materia sólida podía dividirse en pequeños granos, en motas de polvo, definieron con la palabra “átomo” lo que teóricamente consideraban la parte más pequeña e indivisible de la materia (una partícula sería la parte más pequeña de la materia que se puede obtener por procedimientos físicos)

Más tarde, cuando se comenzaron a comprender y efectuar las reacciones químicas, se observó que la materia podía transformarse, que unas sustancias podían convertirse en otras. Así se llegó al concepto de “elementos puros” y “elementos compuestos”.

Los primeros no podían transformarse en otros, por procedimientos químicos, mientras que los segundos sí se podían transformar (un elemento puro es el oxígeno (O2) y un elemento compuesto es el agua (H2O).

Finalmente, también se introdujeron los conceptos de “sustancias puras” y “mezclas”. Las primeras están formadas por elementos, puros o compuestos, mientras que las segundas están formadas por dos o más sustancias que pueden separarse por procedimientos físicos. Estas mezclas pueden ser homogéneas, en la que no se distinguen sus componentes ni siquiera al microscopio, como las disoluciones, por ejemplo el agua salada; y heterogéneas, en las que sus componentes diferentes se observan a simple vista (como el mortero de cemento, por ejemplo)

2.2.2. El átomo

La primera idea “moderna” de átomo fue formulada por J. Dalton (químico inglés, 1766-1844) a partir de los estudios sobre reacciones químicas. El

LA MATERIA A NIVEL MACROSCÓPICO

Estado de agregación:

Sólido

Líquido

Gaseoso

Mezclas:

Homogéneas

Heterogéneas

Sustancias puras:

Elementos

Compuestos

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átomo se definía, en la práctica, como lo hicieron los griegos en la filosofía: como “partícula material indivisible”.

Ya en el siglo XIX, Thomson realizó un estudio sobre la conductividad de gases a baja presión en un tubo de descarga y observó una luminiscencia en la pared del tubo opuesta al cátodo a los que llamó “rayos catódicos” (los observó por la sombra del ánodo sobre el fondo del tubo). Se desplazaban en línea recta, tenían gran energía cinética (hacían rodar una rueda de paletas interpuesta en su trayectoria), se desviaban hacia la placa positiva al aplicarles un campo eléctrico y comprobó además que eran independientes del gas encerrado en el tubo (su relación carga eléctrica dividida por la masa era igual para todos). Esta partícula, idéntica para todos los gases, y con carga negativa, la llamó “electrón”.

De acuerdo con esta experiencia, Thomson propuso en 1898 un modelo de átomo compuesto por un conjunto de electrones incrustados en una masa esférica, cargada positivamente, y de naturaleza desconocida.

Tubo de descarga

Ánodo CátodoRayos catódicos

A la bomba de vacio

P < 0,1 PaSombra

Luminiscencia Chorro de partículas

+ -

Alto voltaje(5000 V)

Rueda de paletas

Figura 2.1. Tubo de descarga

Electrón

Materia cargadapositivamente

Figura 2.2. Modelo atómico de Thomson

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En 1886, el físico alemán E. Goldstein (1850-1931) profundizó los estudios en los tubos de descarga. Al emplear un cátodo perforado observó otra radiación de partículas con carga positiva que aparentaba provenir de los canales abiertos en el cátodo, por los que los llamó “rayos canales”.

Observó que se desviaban hacia la placa negativa de un campo eléctrico aplicado y que la relación entre la carga y la masa diferida de un gas a otro. Posteriormente, se comprobó que la carga eléctrica de esta partícula era igual a la del electrón, y pasó a denominarse “protón”.

En el año 1919, el físico neocelandés E. Rutherford (1871-19379) realizó una serie de experimentos bombardeando con partículas α (procedentes de un material radioactivo, por ese entonces recientemente descubiertos) una lámina de oro.

Como resultado de sus experimentos formuló su “modelo nuclear del átomo”, formado por un núcleo, donde se alojan los protones y la casi totalidad de la masa, y una corteza, formada por los electrones que giran alrededor del núcleo (como si se tratara de un sistema solar en miniatura).

Dado que los átomos son eléctricamente neutros, dedujo que el número de protones y de electrones tenía que ser el mismo.

En 1930, los físicos Bothe y Becker observaron una nueva radiación, muy penetrante, al someter una muestra de berilio a un bombardeo con partículas α.

En 1932, J. Chadwick confirmó la neutralidad eléctrica de las mismas (no eran desviadas por el campo eléctrico), y las denominó “neutrones”.

Tubo de descarga y rayos canales

ÁnodoRayoscatódicos

A la bomba de vacio

P < 0,1 PaSombra

Luminiscencia Cátodo perforado

+

-

Alto voltaje(5000 V)

Rayoscanales

Figura 2.3. Rayos canales en tubo de descarga

E=m•c2Figura 2.4. Átomo de Rutherford

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Por medio de los “espectrógrafos de masas” se determinaron las masas de los diferentes componentes del átomo:

• Masa del electrón: 9,109534·10-31Kg

• Masa del protón: 1,672649·10-27Kg

• Masa del neutrón: 1,674954·10-27Kg

Estudios posteriores revelaron una nueva peculiaridad: habían átomos con las mismas propiedades químicas pero con diferente masa. A estos los llamaron “isótopos”.

De acuerdo con todo lo conocido hasta ese momento, el átomo estaba definido por dos características: su “número atómico”, o número de protones presentes en el núcleo (Z), y su “número masivo”, determinado por la suma de protones y neutrones de su núcleo (A)

(El número de electrones no es definitorio de un átomo; este puede perder o ganar un electrón, por ejemplo, convirtiéndose en un ión, pero conserva todas sus propiedades químicas)

De acuerdo con esta nomenclatura, un átomo cualquiera X se representa en su composición interna, por:

A mediados del siglo XIX los científicos inventaron un nuevo aparato, al que llamaron “espectrógrafo de emisión”. Consistía fundamentalmente en excitar el átomo, suministrándole energía (térmica o de otro tipo) y luego estudiar

La determinación de la masa de los elementos subatómicos se consiguió con el espectrógrafo de masas.

Consiste esencialmente en un potente campo magnético perpendicular a la trayectoria de las partículas. La fuerza que actúa sobre ellas las desvían más o menos de su trayectoria, y esta desviación es proporcional a su masa

Iones del elemento

EPlaca fotográfica

Campo magnético

Rendijascolimadoras

Figura 2.5. Espectrógrafo de masas

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el espectro de esa radiación emitida (su luz, visible, o no) cuando volvía a su situación originaria. Así se obtendría lo que llamaron “espectro de emisión” de cada elemento.

El espectro de la luz solar es continuo, es decir, contienen todas las frecuencias, mientras que los espectros de los elementos son discretos, es decir, contienen radiaciones en frecuencias determinadas (que siempre son las mismas, constituyendo las auténticas “huellas dactilares” de los elementos)

Esta situación no concordaba en el modelo atómico de Rutherford, pues según él, el espectro de emisión del electrón (o electrones) excitado debería ser continuo (al retornar a su posición originaria de forma continua, siguiendo una trayectoria en espiral)

Además, para mantener la órbita circular el electrón debería recibir energía de forma continua, pues se trata de un movimiento acelerado (aceleración centrífuga)

Espectro de emisión

Tubo de descargaque contiene el elemento

Prisma Pantalla

Pantalla

Violeta Azul RojoUltra

VioletaInfraRojo

�360,6 nm 656,3 nm

Figura 2.6. Espectro de emisión de un elemento

Teoría cuántica de Planck

Según la teoría electromagnética clásica, la energía de una onda depende exclusivamente de su amplitud.

Am

plitu

d,

A

Longitud de ondaen un período, T

Velocidad, v

Figura 2.7. Onda electromagnética

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Para salvar las inconsistencias del modelo atómico de Rutherford, el físico danés Niel Bohr (1885-1962) formuló en 1913 una nueva teoría sobre la estructura del átomo, en la que suponía que la energía del electrón dentro del átomo está cuantizada, es decir, que los electrones sólo pueden encontrarse en determinados niveles alrededor del núcleo (niveles permitidos de energía, a los que denominó con los números naturales 1,2,3,…..)

En esos niveles, el momento angular (producto de la masa por la velocidad y por el radio de la órbita del electrón) es un múltiplo entero de la constante de Planck h.

Según este modelo, sólo se emite o absorbe energía cuando el electrón pasa de un nivel permitido a otro (de esta forma justificaba que el espectro de emisión fuese discontinuo)

En la figura 2.8 se obser-va un átomo de hidróge-no formado por un protón y un electrón, girando en una órbita circular de míni-ma energía (no excitado). Cuando se le suministra energía, el electrón gira en la órbita E5.

Si se toma el espectro de emisión (radiación emitida cuando el electrón cae a su nivel más bajo), se observa un número discreto de lí-neas, correspondiente a los distintos niveles de energía previstos por Borh.

El modelo de Borh también presenta serios inconve-nientes pues no explicaba el porqué la energía en las órbitas estaba cuantizada y porque tampoco encajaba

Sin embargo, al observar el espectro de emisión de diferentes elementos, la energía emitida no era proporcional a la longitud (o longitudes) de onda correspondiente.

En 1900, el físico alemán M. Planck (1858-1947) propuso su revolucionaria teoría, a la que se llamó “teoría cuántica”. Según ella, los cuerpos emiten o absorben energía en forma de “paquetes” o “cuantos” de energía.

La energía de un cuanto viene dada por la expresión:

E=h· υSiendo υ la frecuencia de la onda de emisión y h una constante a la que asignó el valor h=6,625·10-34J·s

Ener

gía

cre

cien

tede

los

niv

eles

ele

ctró

nic

os

Electrón excitado

Órbitas circulares

Emisión de luzmonocromática

Nivel fundamental

Núcleo

n=1 n=2 n=3 n=4

E4

E3

E2

E1

�E = E4 - E1

E4 - E1v =

h

Figura 2.8. Niveles energéticos de los electrones

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con los nuevos resultados experimentales obtenidos con espectrógrafos más potentes, en los que se observó que algunas líneas del espectro eran dos en realidad, o que el espectro de emisión obtenido cuando la sustancia se some-tía simultáneamente a un campo magnético, algunas líneas se desdoblaban en varias.

Para salvar estos inconvenientes, Heisemberg y Schorödinger propusieron un nuevo modelo, al que se denominó mecánico-cuántico.

Según este modelo, el electrón en movimiento tiene asociada una onda (el movimiento del electrón es de carácter ondulatorio) y por otro lado es imposible predecir con exactitud las trayectorias exactas de los electrones y ni mucho menos su posición. Se introduce así el concepto de “orbital”, que son unas superficies imaginarias dentro de las cuales la posibilidad de que se encuentran el electrón es máxima.

Este modelo introduce también los “números cuánticos”, que describen con más exactitud la distribución de los electrones en los átomos, de acuerdo con los resultados experimentales.

Cuatro son los números cuánticos definidos en este modelo:

1º. El número cuántico principal, n, designa el nivel de energía (diámetro del orbital). Se denominan por los números 1,2,3,…..

2º. El número cuántico del momento angular orbital, l, que determina la forma de la órbita y la energía dentro de cada nivel. Se designan por las letras s,p,d y f.

3º. El número cuántico magnético, ml, que refleja la posición del orbital en el espacio y explica el desdoblamiento de las líneas espectrales al aplicar un campo magnético externo. Toma valores –l, -l+1,-l+2,……..,0,+1,………-l-1,l (si l=2 –orbital d) ml=-2,-1,0,+1,+2.

4º. El número cuántico magnético del spin del electrón, ms, determina si el electrón se alinea de forma paralela o antiparalela a un campo magnético externo. Puede tener valores +1/2 y -1/2.

El ordenamiento de los electrones en los diferentes niveles y orbitales se rigen por dos reglas:

o El “Principio de exclusión de Pauli”, que supone que dos electrones de un mismo átomo no puede tener los cuatro números cuánticos iguales. Además, los orbitales se llenan según sus energías relativas, empezando por la de menor energía.

Distintas posicionesdel electrón

Orbital

90% deprobabilidad

Figura 2.9. Modelo mecánico-cuántico del átomo

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o La “Regla de Hund” que señala que dos orbitales con los mismos números cuánticos n y l tienen la misma energía.

La configuración de los electrones de un átomo configura su estructura o configuración electrónica. La configuración fundamental es la del átomo en estado natural, no excitado, o de mínima energía.

Ni el modelo atómico de Bohr, ni el mecánico-cuántico, explican qué ocurre en el núcleo de los átomos, cómo están estos constituidos.

Con estos modelos, el núcleo no podría mantenerse estable, pues los neutrones se repelarían (al tener la misma carga eléctrica), y las atracciones gravitatorias entre neutrones y protones serían despreciables (dada la pequeñez de sus masas y las cortas distancias entre ellos)

La realidad obliga a aceptar la presencia de fuerzas entre los nucleones (nombre genérico que se les da a todos los componentes del núcleo) mucho mayores que las electroestáticas y las gravitatorias, a las que se conoce con el nombre de “interacción fuerte”.

Su naturaleza es desconocida, pero presentan dos características que han sido observadas:

− Son fuerzas independientes de la carga (no distinguen entre protones y neutrones)

− Son fuerzas de corto alcance (del orden de 2·10-15m)

Para explicar la naturaleza de las fuerzas nucleares, H. Yukawa, en 1935, propuso que el protón y el neutrón no son partículas distintas, sino que una se transforma en la otra intercambiando una tercera partícula, a la que se denominó “mesón” (su carga eléctrica, positiva o negativa es igual a la del protón, y su masa entre 200 y 300 veces la del electrón)

El tamaño del átomo

El átomo del elemento más sencillo, el hidrógeno, está formado por un protón de 10-15m, de

radio y girando a su alrededor, a una distancia de 10-12m, un electrón con un radio de 10-15m.

Si el protón y electrón tuvieran un radio de 1m, la distancia entre ellos sería de 100.000m (100km)

En átomos con mayor número másico A, el radio del núcleo es del orden de 10-14m, y puede calcularse por la expresión:

R=1,2·10-15·A1/3m

10-15m

10-15m

x 1015m10-10 m

electrónelectrón

protón

1 m

100 Km

Figura 2.10. Tamaño del átomo

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En el proceso de intercambio, cuando un protón emite un mesón pierde su carga eléctrica y se convierte en un neutrón. El neutrón, al emitir un mesón se convierte en un protón; a su vez, el protón acepta un mesón negativo y se convierte en un neutrón y así sucesivamente.

(Gráficamente puede imaginarse la “unión” entre dos personas, cuyo vínculo consiste en lanzarse mutuamente una pelota, a una cierta distancia. Para un observador exterior que no vea la pelota, existe “algo” que los mantiene en sus posiciones, unidos)

En 1937, Anderson y Neddermeyer descubrieron en los rayos cósmicos una partícula que parecía tener la masa que predecía Yukama. Sin embargo, esa partícula interaccionada muy débilmente con los nucleones.

Sin embargo, en 1945, el físico británico C.F.Powell, analizando cuidadosamente los rayos cósmicos a gran altura (montañas y globos) encontraron un nuevo mesón de mayor masa, que interaccionaba fuertemente con los núcleos atómicos que se encontraban en su trayectoria, desintegrándose fácilmente.

El mesón pesado se denominó “mesón pi” o “pión”, y era la partícula que Yukawa había previsto.

Estos piones se producen en las altas capas de la atmósfera por la acción de los rayos cósmicos y se desintegran en los mesones más ligeros detectados por Anderson y Neddermeyer. Se les denominó a estos mesones ligeros mesones mu”, o “muones”.

Cuando con un espectrógrafo de masas se mide la masa de un núclido se observa que esta es algo menor que la suma de las masas de los nucleones que lo forman.

La energía correspondiente a este “defecto de masa ∆m” o “energía de empaquetamiento o energía de enlace”, que aparece por el hecho de formar (el núcleo) una estructura, es enorme, y viene dada por la expresión:

E=∆m·c2 (c= velocidad de la luz)

Esta energía es equivalente a la que se necesitaría para separar los núcleos a una distancia tal que desaparezca la interacción entre ellos.

Como ocurre con los electrones, cuando se excita un núcleo atómico por colisión de alguna partícula, por absorción de radiación o por alguna otra causa, algún nucleón cambia su estado, del natural de mínima energía a otro de mayor energía (excitado)

Cuando cese la excitación, el nucleón regresa a su nivel inicial, dando lugar al correspondiente espectro. El estudio de estos espectros indica que los nucleones también se encuentran ocupando diferentes niveles de energía (aún cuando la energía correspondiente a cada nivel es millones de veces mayor que en el caso de los electrones)

En la actualidad, se conocen más de mil núclidos diferentes, de los cuales 284 son estables. Estos últimos pertenecen a 83 elementos, desde el hidrógeno al bismuto.

Veinte de ellos tienen un solo núclido, mientras que los otros tienen dos o más (núclidos isótopos). El estaño contiene 10 núclidos.

En la mayoría de los núclidos estables (excepto el del hidrógeno y el del helio), el número de neutrones es siempre igual o mayor que el de protones.

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La identificación de las partículas β con electrones suponía una serie de contradicciones, pues no se conocía la existencia de electrones en el núcleo de los átomos.

Esta contradicción se salvó admitiendo que en el proceso de emisión de partículas β, un neutrón se desintegra en un protón y un electrón, siendo ésta la partícula β emitida. En este caso, todos los electrones deberían tener la misma energía, lo cual no es cierto, puesto que el espectro de emisión de partículas β es continuo. Para salvar este problema, Pauli sugirió la presencia de otra partícula, a la que llamó “neutrino”, sin carga eléctrica y con una masa muy pequeña y con capacidad para transportar energía (así, la energía total de la emisión β se distribuiría entre el electrón y el neutrino, en diferentes proporciones)

En el año 1956 pudo demostrarse experimentalmente la existencia de esta partícula.

El último paso en el conocimiento de la estructura de los núcleos atómicos viene de la mano de la radioactividad artificial (rotura de los núcleos provocada por el bombardeo de los mismos con partículas α, neutrones u otras formas.

Como resultado de estos ensayos, en 1933 los esposos Joliot-Courie, al bombardear átomos ligeros (boro, magnesio y aluminio) con partículas α observaron que se producían protones y neutrones, además de otra partícula de la misma masa del electrón y cuya carga es igual a la de este pero de sentido contrario, o la que llamaron “positrón”.

Radiación nuclear

En 1986, Henri Becquerel descubrió que el mineral de uranio emitía una radiación similar a los rayos X.

En 1904, E. Rutherford y E. Soddy habían descubierto una veintena de elementos radiactivos naturales.

Del estudio de estas radiaciones se llegó a determinar la existencia de tres tipos diferentes, a los que se llamó rayos α, rayos β y rayos γ.

Cuando se estudió el comportamiento de estos rayos bajo la acción de campos eléctricos y magnéticos se comprobó que los rayos β eran similares a los catódicos, y por tanto, electrones (partículas, no rayos), mientras que los α se identificaron con núcleos de átomos de helio (ambos eran desviados por campos eléctricos en direcciones opuestas)

Los rayos γ no eran desviados, y además eran muy penetrantes, pues podían traspasar gruesas láminas de metal. En 1914 se demostró que los rayos γ eran una auténtica radiación, similar a los rayos X, y se midió su longitud de onda.

(En la actualidad, las denominaciones correctas son partículas α y β y rayos γ)

La emisión de partículas α y β implican la transformación del núclido original en otros diferentes, pudiendo quedar este en estado excitado.

El proceso por el cual el núclido excitado pasa a su estado fundamental de menor energía constituye la radiación γ.

(Como siempre, la energía de esta radiación depende de su frecuencia (γ) y vale:

E= υ ·h (h= constante de Planck)

Los materiales radioactivos naturales sufren una cadena de desintegraciones sucesivas, cuyo resultado final siempre es algún isótopo del plomo.

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Además, comprobaron que los elementos utilizados como blanco seguían emitiendo positrones después de cesar el bombardeo con partículas α. Es decir, se comportaban como sustancias radiactivas. Se había descubierto la radiactividad artificial.

Antimateria

Aparte del “antielectrón” o positrón, también se ha detectado antipartículas correspondientes al protón y al neutrón, mediante la colisión de protones fuertemente acelerados con núcleos de cobre (en la Universidad de California, en 1950, utilizando un potente acelerador de partículas allí desarrollado)

Se denominaron “antiprotón” y “antineutrón”.

En todos los casos, las antipartículas tienen una vida efímera, y se aniquilan tan pronto se encuentran con su homóloga original.

Naturaleza ondulatoria de la materia

En 1926, Davisson y Garmer, y posteriormente G.P.Thonson consiguieron experimentalmente, y por métodos distintos, difractar un haz de electrones, y demostrar así su naturaleza ondulatoria.

Experiencias posteriores han demostrado que también los protones, los neutrones y todas las partículas subatómicas presentan este comportamiento ondulatorio.

De acuerdo con estos experimentos la materia, al igual que la luz, presenta un doble aspecto: uno ondulatorio, caracterizado por una longitud de onda λ y una frecuencia υ, y otro corpuscular, caracterizado por su energía E: h·υ y su cantidad de movimiento p= h/λ.

Interacción entre los componentes del átomo

Desde un punto de vista muy general, las “interacciones” que ocurren entre los diferentes componentes (por ahora conocidos) de los átomos, y que hace que estos tengan una estructura, son de cuatro tipos:

• Interacción gravitacional:

Afecta a todas las partículas, atrayéndose entre ellas. Su alcance es muy limitado (por sus pequeñas masas y las cortas distancias) y su origen es un misterio.

• Interacción electromagnética:

Actúa sobre las partículas que tienen carga eléctrica (atrayéndose o repeliéndose, según las cargas sean de diferente o igual signo). Su radio de acción es ilimitado, y su origen otro misterio.

• Interacción fuerte:

Llamada “interacción nuclear”, es la que une a los nucleones en el núcleo. Se transmite por medio de intercambio de mesones, y su radio de alcance es muy corto, del orden de 103cm. Su origen también desconocido.

• Interacción débil:

Tiene menor alcance que la fuerte (menos de 10-15cm), y su origen es aún mucho más misterioso.

En resumen, del átomo sólo se conocen algunos de sus componentes (pues presumiblemente aún quedan otros por descubrir), su estructura (hasta cierto punto) y la “descripción” de las interacciones (fuerzas, en algunos casos) que los mantienen unidos.

A pesar de los potentes medios tecnológicos disponibles, la naturaleza del átomo sigue presentando grandes incógnitas, lo cual supone en continuo reto para científicos y tecnólogos.

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2.2.3. La unión entre los átomos: cristales y moléculas

Todas las sustancias puras, sean elementos o compuestos, están formadas por agrupaciones de átomos, unidos entre sí por diversos tipos de “enlaces”: iónico, covalente y metálico.

La capacidad que tiene un átomo para unirse a otro (u otros) se denomina “valencia”. Ésta es el número de electrones que es capaz de ganar (electrovalencia negativa) o compartir (electrovalencia positiva) con el fin de alcanzar (el conjunto) una estructura estable (la última capa de electrones completa)

− El enlace iónico se da entre átomos que tienen facilidad para ganar o perder un electrón de su última capa, convirtiéndose así en iones negativos o iones positivos, respectivamente (átomos que les falta un electrón para completar la última capa, o que sólo tienen un electrón en ella)

Los iones formados, al tener carga eléctrica diferente, se atraen electrosticamente (fuerza de Conlomb) y así quedan unidos, enlazados.

Como cada ión crea un campo eléctrico a su alrededor tiende a rodearse de iones de signo contrario, por lo que no se forma una sola molécula, sino una red (red cristalina). Las fuerzas de enlace electroestáticas son relativamente altas, por lo que estos compuestos, además de ser sólidos, tienen una gran dureza. Existen relativamente pocas sustancias que presentan este tipo de enlace.

Na

Na+

Cl

Cl-

Nivel M

Nivel M

Subniv

el s

Subn

ivel s

Sub

nive

l p

Figura 2.11. Enlace iónico del cloruro sódico

48

− El enlace covalente consiste en la compartición de electrones de la última capa, de dos átomos, para conseguir en ambos una configuración estable.

Cada par de electrones comunes define un enlace. Los átomos están muy próximos entre sí (más que en el caso del enlace iónico) y las fuerzas de enlace son más intensas.

Como resultado de estos enlaces se forman “moléculas independientes” (y no redes, como era el caso del enlace iónico)

La unión entre estas moléculas independientes se establece por interacciones moleculares de tipo cohesivo (fuerzas de Van der Waals) y son muy débiles, o no existen en la práctica.

Como resultado, este enlace es el que presentan las sustancias líquidas y gaseosas a temperatura ambiente (algunos son sólidos, pero con un punto de fusión muy bajo)

Cuando los dos átomos que se unen son iguales la distribución de cargas eléctricas es simétrica, el enlace se llama homopolar, y la molécula resultante es eléctricamente neutra (figura 2.12)

Sin embargo, si la distribución de cargas no es simétrica, la molécula resultante es bipolar (dipolo), en la cual los centros de la cargas positivas y negativas están desplazados (figura 2.13)

Molécula de oxígeno

Figura 2.12. Enlace homopolar

Oxígeno

Hidrógeno

Hidrógeno

Mayor densidadelectrónica -

Menor densidadelectrónica +

Figura 2.13. Enlace bipolar

49

− El enlace metálico se caracteriza porque los átomos se agrupan formando redes cristalinas compactas (de tipo hexagonal, cúbica centrada en las caras y cúbica centrada en el centro), con los nudos ocupados por los átomos del metal.

Todos los átomos están ionizados positivamente (cationes), pues cada uno de ellos ha cedido uno o varios de sus electrones de valencia. Estos electrones cedidos son comunes a todos los átomos, comportándose como una “nube” o “gas” que los envuelve.

La red cristalina mantiene su estabilidad por medio de las acciones mutuas entre los iones metálicos y la “nube electrónica”.

(Esto explica la gran movilidad de los electrones en los metales y consecuentemente, su alta conductividad eléctrica)

2.2.4. La materia a nivel macroscópico

A nivel macroscópico, la materia puede presentarse en tres estados de agregación (en condiciones normales, no excitada): sólido, líquido y gaseoso.

La materia en estado sólido se caracteriza por tener una forma y un volumen propios, como resultado de las fuertes uniones entre sus moléculas (como se vio en el punto anterior, están formados por enlaces de tipo iónico, metálico y otros)

Los sólidos (a diferencia de los líquidos y los gases) poseen propiedades “direccionales”, “estructurales”. Así, pueden ser cristalinos (las moléculas que lo componen están ordenadas según ciertos direcciones espaciales regulares) y amorfos, no cristalinos.

Los primeros son anisótropos, de manera que propiedades como la dureza, elasticidad, conductividad eléctrica, etc., dependen de la dirección, mientras que los segundos son isótropos, con idénticas propiedades en todas direcciones.

La materia en estado líquido se caracteriza por poseer un volumen definido, pero no una forma definida (adopta la forma del recipiente donde se encuentra dos líquidos son perfectamente elásticos y extremadamente incomprensibles)

Las moléculas de un líquido, formadas por enlaces covalentes, se encuentran sometidos a débiles fuerzas de atracción entre ellas (atracción electroestática débil entre las moléculas bipolares, o pequeñas deformaciones

Movimiento molecular

Cualquiera que sea el tipo de enlace, los átomos (y las moléculas) no permanecen fijos en sus posiciones, sino que oscilan más o menos fuertemente alrededor de su posición de equilibrio.

Estas oscilaciones se incrementan si a la sustancia se le comunica energía desde el exterior (por ejemplo, térmica, calentándola)

En general son muy pocas las sustancias que presentan enlaces iónicos o covalentes puros.

Lo más normal es que participen simultáneamente de ambos, lo que se conoce como “estructura resonante”. De esta forma, una misma molécula participa a la vez de las dos formas de enlace.

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instantáneas acaecidas en las moléculas no polarizadas, que las polarizan momentáneamente), dando lugar a una resistencia a la tracción (muy débil) y a la cizalladura (viscosidad)

También existe fuerza de atracción entre los líquidos y el medio circundante, dando lugar a los fenómenos de tensión superficial (atracción entre el líquido, el aire y las paredes del recipiente) y a la difusión (tendencia a esparcirse uniformemente por el sólido soporte)

La materia en estado gaseoso se caracteriza por carecer de forma y de volumen (adopta la forma del recipiente que lo encierra y lo ocupa en su totalidad)

Los gases son perfectamente elásticos y extremadamente comprensibles.

Las moléculas que componen los gases, con enlaces covalentes, se encuentran sometidos a fuerzas de atracción muy débiles, o inexistentes. Las únicas interacciones son los choques entre sí.

A un nivel medio más general, la materia se “agrupa” en “cuerpos celestes”, desde planetas, satélites, estrellas, sistemas solares, galaxias y sistemas de galaxias, sin olvidar la “materia difusa”, o “materia oscura” existente en el universo.

De esta forma queda íntimamente ligado lo “infinitamente pequeño” con lo “infinitamente grande”.

En el cuadro siguiente se expone una “visión comparativa” de los “tamaños” de la materia.

Las moléculas de los gases se encuentran en continuo movimiento, describiendo trayectorias rectilíneas (pero en direcciones aleatorias) hasta que chocan elásticamente entre ellas, o contra las paredes del recipiente que las contiene. Precisamente a este choque contra las paredes se las denomina “presión del gas”. Depende, del número de choques por unidad de tiempo (número relacionado con el número de moléculas presentes en el recipiente) y de la velocidad de tales moléculas (su energía cinética)

Este comportamiento de los gases explica la Ley de Boyle-Mariot, según la cual la presión del gas aumenta a medida que el volumen encerrado disminuye (suponiendo que no hay modificación de la temperatura). En efecto, al disminuir la distancia entre las paredes, y mantener las moléculas su velocidad, las distancias recorridas por estas son muy cortas, con lo cual el número de impactos (por unidad de tiempo) contra la pared se incrementa.

Figura 2.14. Aumento de la presión de un gas al disminuir el volumen

51

2.3. La energía


Para entender el concepto de energía en toda su profundidad es preciso relacionarla con la materia pues ambas, materia y energía, van indisolublemente unidas.

En este punto se verá la energía “asociada” a los átomos (tanto a sus capas de electrones como a su núcleo), así como la asociada a los enlaces químicos (cristales y moléculas)

A partir de este análisis se efectuará un estudio de la energía a nivel macroscópico, lo que podría denominarse “energía de la materia”.

2.3.2. Energía y átomos

En los átomos, la energía “está contenida” en los electrones y en el núcleo.

En el caso de los electrones, su energía está cuantizada, de acuerdo a los diferentes niveles en que cada uno se encuentra situado. Cuando al átomo se le comunica energía externa (por ejemplo, calentándolo en un tubo de des-carga) sus electrones son excitados, e incrementan sus niveles de energía (el diámetro de sus órbitas). Cuando cesa la energía exterior, los electrones regresan a sus posiciones originales, emitiendo en forma de radiación elec-

104 Gran Ciudad

106 Esfera terrestre

109 Dos esferas: Tierra y Luna

1012 Sistema solar

1015 Conjunto de sistemas solares próximos

1018 10.000 sistemas solares

1021 Vía Láctea

1024 Conjunto de galáxias

1027 Universo

101 Casa de 3 plantas

100 Niño

10-3 Grano de arena

10-6 Célula

10-9 Moléculas

10-12 Átomo (núcleo y electrón)

10-15 Núcleo (neutrones y protones)

10-18 Protón (3 quarks y gluones)

Figura 2.15. Los “tamaños” de la materia

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tromagnética (luz visible o no) la energía recibida. El espectro de emisión, no continuo, es típico de cada átomo.

La energía cedida (igual a la absorbida) viene dada por la expresión:

E=h·υ

Siendo h la constante de Planck 6,625·10-34J·S y υ la frecuencia de la onda de emisión.

El mecanismo de excitación puede ser variado, incluyendo una radiación electromagnética, como se comprueba en el efecto fotoeléctrico.

En este caso, al incidir la radiación electromagnética sobre una superficie metálica se desprenden electrones. Ello es debido a que la radiación electromagnética también está formada por “cuantos de energía”, que son los fotones.

Los fotones, de energía E=h·υ impactan sobre los electrones del átomo, le ceden su energía y los excita hasta el punto que escapan del metal a gran velocidad (la energía del fotón se emplea en “sacarlo” del metal e incrementar su energía cinética)

Igualmente ocurre en el caso de elementos no metálicos, que al ser excitados (suministrándole energía externa por cualquier procedimiento) pierden su electrón y se convierte en un ión positivo. La energía necesaria para que esto ocurra se denomina “energía de ionización”.

La energía encerrada en los núcleos de los átomos es mucho mayor que la contenida en sus electrones, como se demuestra el hecho de que se necesita suministrar ingentes cantidades de energía para excitar (para romper) los núclidos.

La energía correspondiente a ese “defecto de masa” es la que se precisa para separar los neuclones (romper el núcleo), y vienen dada por:

E=∆m·c2 (c = velocidad de la luz)

Se denomina “energía de empaquetamiento” o “energía de enlace”, y es enorme.

Para el nucleón del Níquel, por ejemplo esta energía vale 8,489·1014J/kg.

Al igual que ocurre con los electrones, los núcleos también cambian sus niveles de energía cuando son excitados (por potentes colisiones, radiaciones electromagnéticas u otros mecanismos). Cuando cesa la excitación regresan a sus posiciones de partida y devuelven la energía recibida mediante radiaciones electromagnéticas con sus correspondientes espectros.

Pero la absorción (y correspondiente emisión) de energía por los núcleos presenta características muy particulares en algunos elementos, los denominados radiactivos.

Estos núcleos están compuestos por una gran variedad de partículas subatómicas, como se vio al estudiar la materia. Cuando se mide con un espectrógrafo de masas la masa del núclido se ve que su valor es menor que la suma de las masas de los nucleones que lo forman. Es lo que se conoce como “defecto de masa”.

53

En ellos, la radiación emitida después de una excitación está compuesta no sólo por radiación electromagnética (onda fotón), sino también por partículas α (núcleos de helio) y β (electrones).

El resultado es que después de la emisión de las partículas α y β el elemento cambia de naturaleza, se “desintegra”, se “transmuta” en un átomo diferente.

La diferencia entre la energía contenida en el núcleo inicial y en el nuevo equivale a la contenida en las partículas α y β emitidas (energía de escape más cinética) y radiación electromagnética γ (correspondiente a su particular longitud de onda)

En algunos casos (con algunos materiales como el uranio), esta transmutación es mucho más profunda y violenta, la denominada “fisión nuclear”.

Cuando un núcleo de uranio , por ejemplo, es impactado por un neutrón lento, el átomo del uranio se rompe en dos mitades, cada uno de los cuales conforma el núcleo de un átomo de Kriptón. En la ruptura se liberan 3 neutrones y se desprende una gran cantidad de energía (en forma de partículas α y β fuertemente aceleradas y radiación γ)

2.3.3. Energía y cristales y moléculas

La formación de un enlace entre dos átomos es un proceso que implica una variación de la energía “contenida” en los átomos originarios. Si la energía de la sustancia resultante es menor que la de los originales, el enlace implica una emisión de energía y en caso contrario se necesitaría suministrar energía externa para que el enlace tenga lugar.

Esa diferencia de energía (positiva o negativa) constituye la “energía de enlace”. En el caso de enlaces iónicos (con la formación de redes cristalinas) la “energía de red” es la diferencia de energía entre la de los átomos originales y la de la red cristalina resultante. En estos casos, cuanto menor es la energía de red, más estable es el componente iónico.

(Por ejemplo, la formación de 1 mol de Cloruro Sódico, partiendo de sodio y cloro moleculares, implica un intercambio de energía de -787,4KJ, es decir, energía excedentaria, que se libera al exterior –se dice que la radiación es esotérmica-)

2.3.4. Energía y materia

En la medida que la materia, a nivel macroscópico (incluyendo en este concepto los planetas, estrellas y galaxias), está compuesta por moléculas, y éstas a su vez por átomos, todos los conceptos analizados hasta aquí son aplicables a la materia en sus diferentes estados de agregación.

Sin embargo, a escala macroscópica, o mejor, a escala de uso, la energía se “manifiesta” de cinco modos diferentes:

Energía gravitacional:

Es la energía que se manifiesta por la atracción de dos masas entre sí, sean dos cuerpos celestes (la Tierra y la Luna, por ejemplo), dos masas cualquiera, o dos neutrones.

La causa de esta atracción es aún un misterio.

Todos los cuerpos poseen la energía asociada a sus en-laces moleculares y a la de sus núclidos y nube de electro-nes. Se denomina “energía interna” U

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La realidad es que cada masa crea a su alrededor un “campo gravitatorio”, que atrae a cualquier otra masa que caiga en su campo de acción.

La fuerza con la que se atraen es directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. (Figura 2.16)

Un caso particular es la “energía potencial gravitatoria”, o sea, la atracción de la masa Tierra sobre cualquier otra masa en su cercanía (un satélite artificial) o en su superficie (en el caso de una persona, esta fuerza es el peso de la misma)

La energía potencial gravitatoria de un cuerpo de m kg de masa, situado a una altura de h metros, sobre la superficie terrestre, es:

Energía = fuerza x distancia

Energía potencial = peso x altura = m·g·h

viniendo w en Julios, m en kg, h en metros y g (aceleración de la gravedad) en m/s2.

Energía cinética:

Es la energía implícita en una masa en movimiento.

Para una masa m, que se desplaza a la velocidad v, la energía cinética vale la mitad del producto de la masa por el cuadrado de la velocidad. (Figura 2.17)

W = ½m V2

W viene en Julios, la masa en Kg y la velocidad en m/s.

Figura 2.16. Energía gravitacional.

221··

rMM

kF =

M1 M2

F21 F12

r

55

Un caso particular de la energía cinética en la energía térmica. Como se ha visto, todos los cuerpos están formados por conjuntos de moléculas, que según el grado de movilidad entre ellas pueden adoptar forma sólida, líquida o gaseosa.

En la forma gaseosa, las moléculas tienen total libertad para moverse. Cuando se les suministra energía se mueven más rápido (incrementan su energía cinética) y el gas se dice que está más caliente (que tiene más temperatura) (Figura 2.18)

En el caso de líquidos ocurre algo parecido al gas, aún cuando la movilidad de las moléculas por todo el volumen está más limitado.

En el caso de sólidos, la aportación de energía cinética (térmica) desde el exterior excita las moléculas, que se ponen a vibrar más o menos intensamente alrededor de la posición de equilibrio en la estructura original.

(La sensación de calor que se tiene cuando el aire está caliente se debe al choque de las moléculas de aire agitadas con las de la piel, las cuales también incrementan su energía cinética –oscilando más o menos intensamente alrededor de sus posiciones de equilibrio, puesto que la piel es sólida- produciéndose un aumento de la temperatura de la superficie corporal, dando lugar a la sensación de calor)

Si se toca un metal caliente, las fuertes vibraciones (energía cinética) de las moléculas de la superficie son transmitidas a la piel, haciendo que las moléculas de este se pongan a vibrar más intensamente (sensación de calor)

En todos los casos, la energía cinética se transfiere de las partículas más rápidas (de más energía) a las más lentas.

En el caso del calor, de la temperatura más alta a la más baja.

Cuando en un gas (o en un cuerpo cualquiera) sus moléculas no se mueven, se dice que la temperatura es de 0 grados Kelvin o “cero absoluto” (lo corresponde a – 273ºC)

Energía electroestática:

Es la energía que se manifiesta por la atracción (o repulsión) de dos cargas eléctricas entre sí.

(Si son de diferente signo se atraen y son del mismo signo se repelen)

Figura 2.17. Energía cinética

M v

2·21

VME=

Figura 2.18. Energía cinética en los gases

Gas poco caliente.(Movimiento molecularlento)

Gas muy caliente.(Movimiento molecularrápido)

El valor medio de la energía cinética de todas las par-tículas en movi-miento (moléculas que constituyen un cuerpo) es la “tem-peratura” del mis-mo.

El cero absoluto de temperatura co-rrespondería a un cuerpo en que to-das sus partículas estuvieran en re-poso.

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La causa de esta fuerza es también un misterio. La realidad es que un cuerpo cargado positivamente (o negativamente) crea a su alrededor un “campo eléctrico” que atrae (o repele) a cualquier otra carga eléctrica que se encuentre en su radio de acción.

Experimentalmente se ha comprobado que esta fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. (Figura 2.19)

La energía química (entendida como la que mantiene unidos entre sí a los átomos que conforman una molécula, o a varias moléculas entre sí formando cuerpos) no es más que una forma particular de la energía electroestática.

Cuando un combustible es quemado (reacciona con el oxígeno), la energía química de sus componentes se transfiere a energía química de otros componentes distintos (nueva distribución de las cargas eléctricas), y además, a estos se les imprime fuertes movimientos vibratorios (aumento de la temperatura) si la reacción es exotérmica.

Energía electromagnética:

Es la energía asociada a una carga eléctrica en movimiento.

Su origen es otro misterio, pero la realidad es que una carga eléctrica en movimiento (o un conjunto de estas formando una corriente eléctrica, por ejemplo), crean a su alrededor un campo “electromagnético”, que actúa no sólo sobre cargas eléctricas, sino también sobre imanes (cuerpos magnetizados)

Teniendo en cuenta que la materia está compuesta de electrones y estos están en movimiento, todos los cuerpos irradian energía electromagnética en más o menos cantidad (al tiempo que también la reciben, si se encuentran en equilibrio)

Figura 2.19. Energía electroestática

r

q1(+)

q2(-)

F21 F12

221··

rqq

kF=

Figura 2.20. Energía electromagnética

q(-)

v

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Los campos electromagnéticos tienen naturaleza ondulatoria, variando su intensidad tanto a lo largo del espacio como del tiempo (para un mismo punto del espacio)

La energía electromagnética recibe diversos nombres en función de la longitud de la onda portadora: microondas, ondas de radio, rayos x, infrarrojos, ultravioleta, luz visible (formada por un conjunto de frecuencias que van desde el rojo hasta el azul), etc.

Energía nuclear o energía atómica:

Es la energía almacenada en los núcleos de los átomos, en el momento de su formación.

Son los que mantienen unidos los protones y los neutrones (fuerzas nucleares fuertes y débiles), y también constituye otro misterio su existencia.

Figura 2.21. Esquema del espectro electromagnético

10 10 10 4·10 7·10 10 10 1 10 10-12 -10 -8 -7 -7 -4 -2 2 4

RayosGama Rayos X Ultravioleta Visible Infrarojo Microondas Ondas de Radio

LONGITUD DE ONDA EN METROS

LONGITUD DE ONDA EN NANOMETROS

400 nm 500 nm 600 nm 700 nm

Figura 2.22. Energía nuclear o atómica

Aún cuando las formas, las manifestaciones últimas de la energía en el universo, son las cinco mencionadas, en la práctica del lenguaje cotidiano (producto de la evolución del conocimiento y el uso de la energía), la energía recibe multitud de nombres, entre los que destacan: energía potencial, energía térmica (vulgarmente, y erróneamente, denominada “calorífica”), energía mecánica (suma de energía cinética y potencial de un cuerpo), energía eléctrica, etc.

58

2.3.5. Definición de energía

Por lo visto hasta ahora, en todos los procesos que suponen cambios en la materia (sea a nivel nuclear, atómico, molecular o macroscópico) está involucrada la energía, unas veces absorbiéndola (quedando “atrapada” dentro de la materia, que alcanza así un nuevo estado) y otras cediéndola al “exterior” (obviamente, a otra materia, como puede ser las moléculas del aire circundante), quedando la materia con un nivel energético más bajo.

Todo esto conduce a definir la energía como la “capacidad” que tiene un cuerpo o sistema para producir transformaciones, modificando su estado o su situación, o el estado o situación de otros sistemas con los cuales interactúa.

2.4. Las transformaciones de la materia y de la energía


Se ha visto que la energía es la capacidad que tiene la materia para realizar transformaciones, bien dentro de un mismo cuerpo, bien entre varios.

Estas transformaciones de la materia pueden ocurrir a nivel atómico (tanto en su núcleo como en los electrones que le rodean), a nivel molecular

Algunos de estos términos pueden considerarse correctos, desde el punto de vista de reflejar un auténtico “tipo de energía”, pero otros no lo son, debiendo considerarse más bien como una forma en que esta es transmitida desde un punto a otro; lo que se conoce “vector energético”.

En este contexto merecen una explicación adicional las que se conocen como energía “calorífica” y energía “eléctrica”.

La energía eléctrica no es más que el flujo de electrones en el seno de un conductor.

El origen del movimiento de los electrones puede ser un “generador eléctrico” (accionado por una fuente de energía externa), una pila eléctrica (a partir de una reacción química), una fuente de calor (termopar), etc.

A su vez, la energía transportada por tal corriente de electrones se transforma en otros tipos de energía, como puede ser electromagnética (iluminación), térmica (calefacción), mecánica (mover un motor eléctrico), etc.

En definitiva, la electricidad no es energía en sí misma, sino un medio para transportar la energía.

En cuanto a la “energía calorífica”, esta no es tal, sino mas bien el “flujo” de energía térmica (cinética) de un cuerpo a una cierta temperatura, a otro cuerpo a temperatura mas baja.

(Así como “lluvia” es el agua que cae de la nube sobre la tierra, y a nadie se le ocurre decir que un pantano tiene “ x m3 de lluvia”, el calor, que es el flujo de energía térmica, no puede conducir a decir que un cuerpo “contiene calor”)

Debe quedar claro que la diversidad de nombres no quiere decir que exista diversidad de energías.

Se trata de diversas “manifestaciones” del mismo “poder”; del mismo concepto.

59

(mediante lo que se conoce como reacciones químicas) o a nivel de estado de agregación (que implica sólo cambios físicos)

Transformaciones de la materia

Nivel Denominación Resultado

Atómico Transmutación

Ionización Nuevo átomo

Molecular Reacción química Átomo ionizado

Macroscópico Cambio de estado de agregaciónNueva sustancia

Nuevo estado de la misma sustancia

Todas estas transformaciones de la materia van acompañadas de transformaciones de la energía, incluyendo los pasos de esta de unos cuerpos a otros.

Sin embargo, tanto la materia (masa), como la energía, se conservan en todos los procesos, de manera que puede afirmarse:

“En toda transformación de la materia de tipo químico (reacción química) o físico (cambios de estado), la masa total se conserva (en una reacción química, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos”)

“La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma”

(Primer principio de la termodinámica)

2.4.2. Transformaciones de la materia y la energía en las reacciones químicas

Uno de los ejemplos más típicos de la transformación de la materia se da en las reacciones químicas.

En ellas, una seria de sustancias iniciales (denominadas genéricamente “reactivos”) se transforman en otra u otras finales (denominadas también genéricamente “productos”)

En paralelo a las transformaciones de la materia también se producen transformaciones energéticas, de manera que la diferencia de las energías asociadas a los productos y a los reactivos se intercambian con el medio en forma de energía térmica, energía electromagnética (luz visible o no), energía eléctrica (pila eléctrica), etc.

La forma más usual de intercambio de energía entre los reactivos, los productos y el medio es de tipo térmico. En este contexto, las reacciones son “exotérmicas” o “endotérmicas”. En las primeras, la energía de los reactivos es mayor que la de los productos, y el exceso de energía se trasfiere al medio, en forma de calor.

60

En las reacciones “endotérmicas” ocurre lo contrario, y hay que suministrar energía térmica desde el exterior a los reactivos, para que la reacción tenga lugar.

Desde el punto de vista del aprovechamiento energético, una de las reacciones más importantes son las denominadas “de combustión”. En ellas, un combustible (butano, propano, alcohol, etc.) se une a un carburante (el oxígeno del aire) para producir anhídrido carbónico (si la combustión es completa) y agua (ésta en forma de vapor)

Por ejemplo, la combustión del butano:

2C4H10 + 13O2 8CO2 + 10H2O

Estas reacciones son fuertemente exotérmicas, y es precisamente este tipo de energía, la energía térmica, la que se aprovecha para producir un trabajo útil, convirtiéndola en energía mecánica.

La energía térmica transferida al medio no es más que la energía cinética de las partículas del CO2 y el agua, vibrando violentamente.

(También se transfiere al medio una pequeña parte de energía en forma electromagnética, en ciertas franjas del espectro, incluyendo luz visible)

2.4.3. Transformaciones de la materia y la energía en los cambios de estado

Las otras transformaciones de la materia que también son muy usuales se refieren a los cambios en los “estados de agregación”, es decir, los pasos de sólido a líquido, de éste a gas, y viceversa.

Estas transformaciones tienen lugar suministrándole a la sustancia energía térmica desde el exterior, o sustrayéndosela.

En el caso de sólidos (en los cuales sus moléculas, aún vi-brando alrededor de sus posi-ciones de equilibrio, se man-tienen formando una estruc-tura cristalina), al suministrar energía térmica (por ejemplo, mediante el impacto sobre sus moléculas de las molécu-las de CO2 y del vapor de agua fuertemente aceleradas como resultado de la combustión de un combustible cualquiera), se consigue aumentar tanto la vibración de las moléculas que terminan por romper la estructura cristalina, pasando el sólido al estado líquido.

Si se sigue aumentando el su-ministro de energía térmica, Figura 2.23. Cambios de estado de agregación

Gas

Líquido

Sólido

Vaporización

Sublimación

Fusión Solidificación

Condensación

Condensacióna sólido

Abs

orci

ón d

e en

ergí

a té

rmic

a Cesión

de energía térm

ica

61

las oscilaciones de las moléculas del líquido aumentan aún más, venciendo las fuerzas de cohesión entre las mismas, y la sustancia se transforma final-mente en un gas.

Obviamente, los pasos contrarios también se dan así, “sustrayendo” energía térmica a una sustancia en forma de gas (frenando los movimientos de las moléculas), puede pasarse a líquida, y de ésta, sustrayendo más energía térmica a estado sólido.

2.4.4. Conversiones energéticas

En los ejemplos anteriores se han visto transformaciones de la materia que llevan asociadas ciertos intercambios y transformaciones energéticas pero, en cuanto a estas últimas, es preciso profundizar algo más para alcanzar el auténtico significado de las mismas.

El caso más sencillo es el de un péndulo, de masa m, concentrada en su extremo.

Cuando está en reposo, la masa m se encuentra en el punto más bajo, y su energía potencial gravitatoria es nula. También lo es su energía cinética. Si se suministra a la masa una energía externa, colocándola en la posición más alta, la energía potencial será máxima, y la energía cinética nula. Si ahora se suelta el péndulo (y en el supuesto de que no haya transferencia de energía al medio, como puede ser calentamiento del aire por rozamiento), este descenderá (disminuyendo su energía potencial) y su movimiento se incrementará (aumentando su energía cinética). En el punto más bajo, su energía cinética será máxima y su energía potencial nula. Lo contrario ocurrirá en el tramo de subida. El movimiento de vaivén continuará indefinidamente, y la energía mecánica, suma de su energía cinética y potencial, se mantendrá constante (y será igual a la suministrada inicialmente, desde el exterior, para elevar al péndulo la primera vez)

Otro ejemplo típico de transformación energética se da en el paso de energía potencial gravitatoria a energía térmica como es el caso del mecanismo de la figura (formado por un peso, una polea, y un hilo de masa despreciable, unas paletas giratorias y una masa de agua térmicamente aislada (no intercambia energía térmica con el medio circundante)

La energía potencial gravitatoria en el extremo superior es U1 y en la parte más baja U2.

Pues bien, cuando la masa cae, disminuye su energía potencial y se incrementa la energía cinética (de la masa que cae y de la paleta que gira)

Figura 2.24. Conversiones de la energía mecánica

(1) (2) (3)

Figura 2.25. Conversión de la energía potencial em térmica

��

��

��

��

Aislamiento térmico

62

El giro de las paletas golpea las moléculas de agua, y las excita, haciendo que se incremente su energía térmica (y con ella, su temperatura)

Esta excitación puede ser tan fuerte que parte del agua se convierte en vapor.

Cuando la masa está en la posición U2, su energía potencial será nula, y toda la energía U1 se habrá convertido en energía térmica de la masa de agua (en realidad, energía cinética de sus moléculas)

El caso contrario también puede darse (figura 2.26). La energía térmica contenida en vapor de agua recalentado de un recipiente térmicamente aislado (energía que obviamente se incorporó desde una fuente de energía externa) puede convertirse en energía mecánica, con un mecanismo como el de la figura.

En este caso, las moléculas del gas, moviéndose rápidamente en todas direcciones en el interior del recipiente, se escapan por la tobera tan pronto se abra la válvula.

Esta moléculas golpean con las paletas haciéndolas girar (en realidad se transfiere la energía cinética de las moléculas del gas a energía cinética de la rueda de paletas). Por medio del hilo y la polea la energía cinética de la polea se transfiere a energía potencial de la masa. Al llegar al punto más alto, toda la energía térmica se ha transformado en energía potencial gravitatoria.

2.4.5. Reversibilidad de las conversiones energéticas

Otro aspecto importante a analizar en las transformaciones energéticas se refiere a la reversibilidad de las mismas.

En el caso del péndulo anteriormente analizado, y siempre que no hayan transferencias de energía al medio circundante, la energía potencial se intercambia con energía cinética, y esta posteriormente con energía potencial, por tiempo indefinido.

Sin embargo, las transferencias de energía térmica entre dos sustancias, aún cuando estén perfectamente aisladas (no intercambian energía con el exterior), no son “reversibles”, o dicho de otra manera, “tienen dirección única”.

(La energía térmica pasa de cuerpos a alta temperatura a otros de menor temperatura, y nunca al revés. Esta situación la explica perfectamente la teoría cinético-molecular de la materia)

Figura 2.26. Conversión de la energía térmica en potencial

��

��

�

��

��


Figura 2.27. Transferencia de energía térmica.Conversión de la energía térmica en potencial

T1 T2


Energía transferidaal cuerpo 1

63

En la figura 2.27 se observan dos cuerpos idénticos en contacto a través de una pared común, térmicamente aislados en su conjunto.

Si se le suministra energía térmica al 1 (por medio de una resistencia eléctrica actuando mediante un tiempo limitado, por ejemplo), su temperatura se eleva a T1ºC.

La energía cinética de estas moléculas golpean contra la pared, excitan las moléculas de ésta, que a su vez excitan las moléculas de 2, elevando su temperatura a T2ºC.

En un tiempo indefinido, puede ocurrir que se alcance un equilibrio, siendo T1=T2.

En este momento se pararía la transferencia de la energía del cuerpo 1 al 2. Obviamente, el proceso contrario no podría llevarse a cabo (pues exigiría que T2 fuese mayor que T1)

El hecho de que sea precisa una cierta diferencia de temperatura para que pase energía térmica (calor) entre dos cuerpos y siempre en la dirección de mayor o menor temperatura, implica que estos procesos de intercambio energético en forma de calor no son reversibles.

En el esquema de la figura 2.28 se ha presentado la conversión de una energía potencial U1 (energía mecánica) a energía térmica acumulada en una sustancia 1, que alcanza la temperatura T1.

Si esta energía térmica quiere trasladarse y acumularse en una sustancia 2, la temperatura de esta debe se menor (T2<T1), con la cual la energía acumulada en la sustancia 2 es menor (se supone un tiempo limitado para la transferencia energética. Es más, cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas T1 y T2, más grande será la energía transferida entre 1 y 2 en la unidad de tiempo)

El resultado final es que la energía potencial que puede obtenerse, U2 (energía mecánica), es menor que la U1.

Figura 2.28. Conversión energía potencial - térmica1- térmica2 -potencial

Energíapotencial 1

Energíapotencial 2

Energíatérmica

Energíatérmica

(T1)

(T2)

Energía potencial 2 < Energía potencial 1

T1 > T2

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Evidentemente, si los sistemas que acumulan o transfieren energía térmica no están “térmicamente aislados”, o en las conversiones de energía mecánica se incluyen los rozamientos (que implican la transformación de una parte de esa energía a energía térmica), etc., parte de esa

Para comprender mejor la complejidad de los procesos asociados a las transferencias de energía puede analizarse la cadena de intercambios energéticos que tienen lugar cuando una persona eleva una masa de 50Kg a 10m de altura.

La energía radiada por el Sol es absorbida por la planta, a través de sus hojas verdes. Por el fenómeno de la fotosíntesis, el anhídrico carbónico (CO2) contenido el aire, y el agua, se combinan transformándose en moléculas complejas de hidratos de carbono, que forman las hojas, tallo y raíces de la planta.

En este proceso se libera energía térmica, que se transfiere a las moléculas del aire circundante.

Cuando una persona ingiere la planta, por los fenómenos de digestión el cuerpo absorbe la energía de ésta, quedando almacenada en las células de su cuerpo en forma de moléculas aún más complejas y en particular en las células de los músculos.

La digestión no es más que un conjunto de reacciones químicas en las que se producen transformaciones en los alimentos, además de elevar la energía cinética de los productos resultantes (energía térmica). Mediante la respiración (aire caliente) y el sudor, esta energía térmica se transfiere al aire circundante, calentándolo.

La energía (química=electroestática) almacenada en los tejidos de los músculos se transforma mediante los movimientos de éstos en energía potencial, elevando la masa de 50kg, 10 metros. El movimiento de los músculos se consigue por medio de otro conjunto de reacciones químicas, también exotérmicas, que eleva la temperatura de la masa muscular. Esta energía térmica es

P

Energía del Sol

Vegetales(productores primarios)

Alimentación

Trabajo

Figura 2.29. Intercambios energéticos

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transferida al medio circundante (la atmósfera, en este caso), mediante el sudor.

El esquema de la figura 2.30 muestra los pasos del proceso, desde el punto de vista energético.

La figura 2.30 muestra un “balance energético” de este proceso.

En este balance, el tamaño del cuadro (A) es igual a la suma de B y el B’. A su vez, el B es igual a la suma de C más el C’. Finalmente, el C es igual al D más el D’.

En otras palabras, el cuadro A es igual al D más el B’ el C’ más el D’.

En resumen, la energía procedente del Sol (energía electromagnética) se ha ido transformando en energía de la planta (energía química), energía de la persona (energía química), para terminar como energía potencial (masa de 50kg a 10 m. de altura) y energía térmica (aire calentado)

No se ha “consumido” (o “perdido”) la energía que llega del Sol. Se ha ido transformando en diferentes tipos de energía, “almacenada” en otros “medios”.

energía térmica (o toda) se transfiere al aire circundante, que eleva su temperatura, resultando prácticamente imposible su recuperación. Como corolario de todo lo expuesto puede afirmarse que en la práctica no existe ningún proceso de conversión energética que sea reversible, o lo que es igual, en todo proceso de conversión energética, una parte de la energía no es recuperable.

Este axioma constituye el Segundo Principio de la Termodinámica.

2.5. Conversión energética y eficiencia: rendimiento

Ya se ha visto que los procesos de conversión energética mediante los cuales la energía cambia su naturaleza (química a térmica, por ejemplo) no son reversibles.

La eficiencia (o rendimiento) de un proceso de cambio energético es el cociente entre la energía utilizable (después del cambio) y la energía inicial.

Así, por ejemplo, en un motor eléctrico, el 90% de la energía eléctrica se transforma en energía mecánica, mientras que en un motor de combustión

Figura 2.30. Transferencias energéticas

Energíade laplanta

Energíade la

persona

Energíade la

carga elevada

A B

B‘

C

C‘

D

D‘

Energíasolar

Atmósferacalentada

Atmósferacalentada

Atmósferacalentada

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interna, sólo el 20% de la energía del combustible se transforma en energía mecánica. El 80% restante se pierde a la atmósfera en forma de calor (gases de escape y aire calentado) (Figura 2.31)

Figura 2.31. Rendimiento de un motor de gasolina

Motor degasolina

Gasolina100

O2

aire

Trabajomecánico

20

Calor a laatmósfera

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LECTURA: NATURALEZA DE LA LUZ

En la actualidad y después de muchas teorías sobre la interpretación de “qué es la luz” dos son los modelos que se han dado para interpretar los fenómenos luminosos:

− El que considera a la luz como una partícula material (modelo corpuscular)

− El que considera a la luz como una onda de propagación (modelo ondulatorio)

Estos modelos se han considerado antagónicos pero, sin embargo, en la actualidad se ha llegado a una situación que en ciertos aspectos engloba ambas concepciones y las ideas que han surgido en este campo, además de interpretar todos los fenómenos luminosos, han abierto un nuevo panorama en la interpretación del mundo físico.

Las primeras teorías sobre la naturaleza de la luzLas primeras teorías sobre la naturaleza de la luz probablemente fueron debidas a Euclides (330 a 275 a. d C.), que suponía que la luz era una especie de tentáculo lanzado por el ojo hacia la cosa vista.

Esta teoría se mantuvo hasta que alrededor del año 1.000 de nuestra era el árabe Alhacen, como resultado de sus estudios de óptica desde el punto de vista físico y filosófico afirmó, en contraposición a las teorías griegas, que la luz se dirige desde la fuente externa que la emite hasta nuestros ojos, después de ser reflejada por los objetos que vemos.

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Más tarde Newton hizo notables descubrimientos sobre la teoría del color y los fenómenos de dispersión luminosa, proponiendo una nueva hipótesis para explicar la propagación de la luz. Newton era favorable a una teoría corpuscular según la cual la luz es un flujo de partículas proyectadas por el cuerpo luminoso que eran capaces de atravesar los cuerpos transparentes y ser reflejados por los materiales opacos. Esta idea en realidad partió del modelo mecanicista propuesto por Descartes en 1637 para explicar el fenómeno de la refracción de la luz.

Al mismo tiempo, otros científicos, entre los que destacaron Christian Huygens y Robert Hooke, optaban por una teoría ondulatoria con lo cual interpretaban el hecho de que los dos haces luminosos se cruzan sin perturbarse, cosa difícil de entender dentro de la teoría corpuscular. Pero para poder explicar que la luz atraviesa el vacío tuvieron que imaginar la existencia de un éter sutil que llenaba todo el espacio, propagaba las ondas y, sin embargo, no obstaculizaba el movimiento de los planetas.

Huygens (1629-1695) desarrolló en profundidad una teoría ondulatoria de la luz, pero suponiendo que, como las ondas acústicas, eran ondas longitudinales: Hooke sin embargo mantuvo la idea de una propagación por ondas transversales.

A finales del siglo XVII había pues tres hipótesis sobre la naturaleza de la luz: la corpuscular, la de ondas longitudinales y la de ondas transversales. Las tres estaban dentro del espíritu mecanicista de la época y cada una tenía sus ventajas e inconvenientes.

La existencia de sombras nítidas (prueba de que la luz viaja en línea recta) tenía una explicación lógica dentro de la teoría corpuscular y Newton impuso el peso de toda su autoridad contra toda teoría ondulatoria a causa de que en ella no veía explicación posible a dicho fenómeno. Su objeción, muy importante en la época, era: si las ondas sonoras son capaces de rodear esquinas, ¿por qué no ocurre lo mismo con las ondas luminosas?

Hoy sabemos que este fenómeno por el que una onda se aparta de su propagación rectilínea, la difracción, también lo sufren las ondas luminosas, pero es muy difícil de observar con objetos macroscópicos.

A pesar de estas dificultades, la teoría ondulatoria tenía también sus seguidores, pues explicaba las diferencias de color como diferencias de frecuencias y preveía los fenómenos de interferencia.

Triunfo de la teoría ondulatoria: ondas electromagnéticasLa teoría ondulatoria volvió a resurgir en el siglo XIX gracias a los trabajos de los científicos inglés Thomas Young (1773-1829), su colega francés Agustín Fresnel (1788-1827) y J.B.L, Foucault (1819-1868)

Young consiguió una buena confirmación de la teoría ondulatoria salvando la principal objeción que se le imponía en la época de Newton. Su línea de actuación fue la siguiente: es cierto que las ondas sonoras se difunden en todas direcciones cuando, por ejemplo, atraviesan un orificio, fenómeno que se conoce con el nombre de difracción, y también es cierto que dicho fenómeno es más pronunciado en ondas de baja frecuencia (gran longitud de onda) que en las de mayor frecuencia (menor longitud de onda)

Si la luz es de naturaleza ondulatoria debe tener difracción, pero puede ocurrir que si la longitud de onda es muy pequeña esta difracción sea muy difícil de observar. Imaginó entonces un ingenioso experimento con el que obtuvo tres importantes resultados: consiguió mostrar la difracción de la luz; puso de manifiesto el fenómeno de interferencias; y, por último, logró estimar la longitud y frecuencia de las ondas luminosas.

Si la luz se propaga por vibraciones longitudinales forzosamente existe esta simetría, pero si se trata de un movimiento ondulatorio transversal las vibraciones pueden ser verticales, horizontales o en cualquier dirección, siempre que estén en el plano perpendicular a la dirección de propagación. Estos razonamientos llevaron a Young y a Fresnel a reconsiderar la idea de Hooke de que las ondas luminosas son transversales, esto es, las vibraciones de éter tienen lugar en direcciones perpendiculares a la de avance de las ondas.

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La teoría ondulatoria transversal estaba bastante bien establecida a mediados del siglo XIX, pero aún tenía un importante problema por resolver referente al medio, éter, que por seguir dentro de los modelos mecanicista, los científicos se veían obligados a admitir.

Esta gran dificultad fue resuelta cuando se aceptó para la luz la teoría electromagnética ideada por Maxwell en 1873. Según Maxwell el paso de un tren de ondas luminosas implica fluctuaciones periódicas de campos eléctricos y magnéticos más que vibraciones materiales.

Esta teoría era de gran importancia filosófica, puesto que es la primera señal de abandono de la creencia de que la naturaleza puede ser explicada exclusivamente en términos de materia (en sentido clásico) y movimiento, como venía ocurriendo insistentemente desde el siglo XVII.

El pleno significado de la teoría maxwelliana no se alcanzó sin embargo hasta un poco más tarde cuando Hertz, utilizando un circuito oscilante de pequeñas dimensiones, conseguía producir ondas electromagnéticas cuyas propiedades coincidan con las de la luz, quedando establecido que las ondas luminosas son ondas electromagnéticas con diferentes longitudes de onda incorporadas y que se propagan en el vacío con la velocidad de 3·108ms-1 (más precisamente: 2,99793·108m-1)

Las ondas luminosas son una parte muy pequeña del conjunto de ondas electromagnéticas o espectro electromagnético. Dichas ondas se generan cuando se aceleran cargas eléctricas y todas se propagan con la misma velocidad. Las diferencias entre los distintos tipos de ondas electromagnéticas se deben a sus frecuencias y longitudes de ondas, señalándose en el espectro electromagnético distintas zonas que se conocen con nombres diferentes: espectro visible, ondas de radio, ondas de radar, rayos X, rayos γ, microondas y otras.

El ojo humano, es sensible a la radiación electromagnética comprendida aproximadamente en el intervalo de longitudes de onda entre 4·10-7m (luz violeta) y 7,5·10-7m (luz roja); sin embargo se suele llamar también luz a las ondas electromagnéticas próximas a estos límites: ultravioleta, con luz de onda menor de 4·10-7m e infrarroja con longitudes de onda mayores de 7,5·10-7m.

Efecto fotoeléctricoHacia 1900 la teoría ondulatoria de la luz parecía tener bases inquebrantables, pero un nuevo fenómeno luminoso que por ironía observó incidentalmente Hertz en las experiencias que confirmaron la teoría electromagnética, hizo necesaria una revisión de dicha teoría ondulatoria, revisión que llevó a un cambio fundamental en las estructuras del mundo físico.

Hertz, en su investigación con circuitos oscilantes (1887), se dio cuenta de que la chispa entre dos electrodos con una alta tensión aumentaba si dichos electrodos se exponían a una radiación ultravioleta.

Este efecto, conocido con el nombre de efecto fotoeléctrico, fue estudiado posteriormente por otros investigadores llegando a la conclusión de que ciertas sustancias, principalmente metales, emiten electrones cuando sobre ellas incide la luz u otra radiación de pequeña longitud de onda.

Al flujo de cargas a través del tubo se le llama corriente Fotoeléctrica y a los electrones emitidos fotoelectrones.

También se observa que para cada metal el efecto fotoeléctrico sólo se presenta si la frecuencia de la luz incidente es igual o superior a un valor γ0 característico del metal y que se llama frecuencia umbral.

Para la mayoría de los metales la frecuencia umbral está en la zona de la radiación ultravioleta, pero para algunos, como el cesio y el potasio, es de 5,6·104 hertz que corresponde a la radiación de color verde, y si se ilumina su superficie con naranja (de frecuencia menor), por muy intensa que ésta sea, no arrancará ningún electrón de este del metal.

Además se comprueba que la intensidad de la corriente de saturación fotoeléctrica es directamente proporcional a la intensidad de la radiación incidente, y también que para una

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determinada frecuencia, la energía cinética máxima de los fotoelectrones no depende de la intensidad de la luz incidente.

Finalmente se observó que aún cuando la luz incidente sea de intensidad muy baja, siempre que su frecuencia sea superior al valor umbral, el efecto fotoeléctrico se produce instantáneamente.

Teoría fotónica de la luz. Teoría cuánticaLa interpretación del efecto fotoeléctrico dentro de la teoría ondulatoria de la luz presentaba serias dificultades. Era inexplicable que dicho efecto fuera instantáneo; si la intensidad luminosa fuera menor, debería tardarse más tiempo en acumular la energía necesaria para arrancar el electrón; por otro lado la energía de los fotoelectrones debería aumentar al aumentar la intensidad de la luz incidente en contra de lo que expresa la ley y, por último, no había ninguna razón por la que para ciertas frecuencias hubiera efecto fotoeléctrico y para otras no.

La solución a estos problemas que planteaba la hipótesis ondulatoria fue propuesta en 1.905 por Albert Einstein en un trabajo que llevaba por título: “Sobre un punto de vista heurístico relativo a la generación y transformación de la luz”. En este trabajo Einstein hacía notar que la teoría de Maxwell, válida para explicar los fenómenos puramente ópticos (reflexión, refracción, interferencias, polarización y difracción) se refería a la propagación de la luz a través del espacio y los cuerpos materiales donde podían medirse intervalos de tiempo relativamente grandes, pero que no había sido establecida para interpretar problemas relativos a la interacción momentánea entre luz y materia como era el caso del efecto fotoeléctrico. Por esto era compatible una teoría ondulatoria que explicara los fenómenos de propagación de la luz, con una nueva teoría que interpretase las interacciones de la luz con la materia.

La hipótesis de Einstein consistía en admitir que la energía de la luz no estaba distribuida de un modo uniforme sobre el frente de onda, como se pensaba en la imagen clásica, sino que se concentraba en pequeñas regiones (en “bolsas o paquetes” de luz)

Para hacernos una idea de la hipótesis imaginemos que fuera aplicable a las ondas de un estanque; entonces, si sobre la superficie del agua hubiese muchos objetos flotantes, al paso de la onda sólo oscilarían parte de ellos, aquellos donde llegase un “paquete” de energía.

Teoría cuántica de Planck

La idea de Einsten tiene su fundamento en la teoría cuántica del físico alemán Max Planck (1858-1947). Dicha teoría, que marca el nacimiento de la Física moderna, fue dada para interpretar el siguiente hecho experimental.

Se sabe que los cuerpos calientes emiten energía radiante en forma de ondas electromagnéticas, aunque esta energía sólo corresponde al espectro visible (luz) si el cuerpo alcanza una cierta temperatura (carbón al rojo, filamento de una bombilla). Por otra parte, los cuerpos también absorben parte o toda la radiación electromagnética que incide sobre ellos.

Analizando la energía radiada por un cuerpo negro en función de su temperatura (espectro de radiación) se encontraron unas leyes que la termodinámica clásica era incapaz de explicar. En 1900 Planck, en un informe ante el Congreso de la Sociedad Alemana de Física, sugirió que la explicación de espectro de radiación era clara, admitiendo que la emisión de energía no es continua sino que se hace por “paquetes” o cuantos de acción, siendo la energía de unos de estos cuantos igual a:

E=h·γ

Con γ frecuencia de la radiación y h una constante determinada por él igual a:

h=6,6256·10-34J·s

llamada constante de Planck.

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Teoría fotónica de la luz

Eisnten extendió el concepto de la cuantos a la energía de la luz emitida por un foco, llamando fotones a estos cuantos de luz y siendo hγ la energía asociada a cada uno de ellos. En su modelo, toda onda que parte de un foco luminoso se considera como una superficie cubierta de fotones cuya densidad superficial va disminuyendo al propagarse la onda; algo así como si el frente de onda fuese un globo que se va hinchando a la velocidad de la luz y sobre él hubiese unos puntos que son los fotones.

En los fenómenos hasta entonces conocidos: reflexión, refracción, etc., hay tantos fotones por unidad de superficie del frente de onda que no se nota cada fotón individual, y la energía parece que está distribuida en forma continua, pero en el efecto fotoeléctrico, donde una partícula tan pequeña como el electrón es la que transforma la energía luminosa en energía cinética, la individualidad de los fotones aparece clara y, por tanto, la distribución discontinua de la energía.

Es decir: Einstein considera a la luz no como una radiación de frecuencia γ sino como una corriente de fotones (corpúsculos) de energía hγ. Sin embargo admite que la teoría ondulatoria sigue siendo válida para tratar la mayoría de los problemas de óptica, todos los que impliquen propagación, mientras que en los problemas de interacción con la materia era preciso recurrir a las teorías cuánticas. Aparece así en la luz una doble naturaleza de onda y fotón, hecho que se suele recoger con el término dualidad onda-corpúsculo.

Física C.O.U.

M.A. Olarte y otros

Mezclas: Homogéneas Heterogéneas Sustancias puras: Elementos Compuestos

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