Clases y. Ejercicios Física Moderna I y II

Ejercicios y materia

1. Física Moderna Profesora Nancy Contalba Araya Octubre, 2016

2. Evolución del modelo atómico

3. Modelo de Dalton Fue el primer modelo atómico con bases científicas. Fue formulado en 1808 por John Dalton. Este primer modelo postulaba: La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos , que son indivisibles y no se pueden destruir. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos de los diferentes elementos tienen pesos diferentes. Los átomos permanecen sin división, aún cuando se combinen en las reacciones químicas. Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.

4. Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporcione distintas y formas más de un compuesto. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos. Este modelo desapareció ante el modelo de Thompson ya que NO explica los rayos catódicos, la radioactividad, ni la presencia de los electrones o protones.

5. Descubrimiento el electrón En 1897, se descubrió la primera de las partículas subatómicas, el electrón . Se descubrió realizando descargas eléctricas, en gases a baja presión, con aplicación de grandes voltajes. Los físicos los llamaron Rayos Catódicos, puesto que a simple vista se propagaban como una radiación. William Crookes

6. Las Principales característica TRC: Se propagan en línea recta. Atraviesan láminas de espesores pequeños. Transportan carga negativa. Son desviados por campos magnéticos y eléctricos.

7. Descubrimiento del Protón Eugen Goldstein (en 1886) utilizó un tubo de rayos catódicos con el cátodo perforado y observó otro tipo de rayos que procedían del ánodo; estos atravesaban las perforaciones del cátodo iluminando la zona posterior de éste. A estos rayos se les llamó rayos canales y tenían las siguientes propiedades: Sufren desviación por efecto de campos eléctricos y magnéticos. Transportan carga positiva. La razón carga/masa es mucho menor que el valor obtenido para los electrones y depende del gas contenido en el interior del tubo. A estas partículas se les llamó protones.

8. Modelo atómico de J.J Thomson El reconocimiento de electrones y protones como partículas fundamentales de los átomos, permitió a Thomson proponer una nueva teoría atómica, conocida como el modelo atómico de Thomson. Para explicar la formación de iones, positivos y negativos, y la presencia de electrones dentro de la estructura atómica, ideó un átomo parecido a un budín de pasas, donde una nube positiva contenía las pequeñas partículas negativas suspendidos en ella. El número de cargas negativas era adecuado para neutralizar la carga positiva. En caso de perder electrones, la estructura quedaría positiva, y si ganaba, la carga final sería negativa. Este modelo no daba explicación a la existencia de otras radiaciones

9. Modelo atómico de Rutherford En 1911, en el laboratorio Cavendish de Cambridge, Geiger y Marsden, bajo la supervisión de Rutherford crean un experimento que derrumba el modelo de JJ Thomson. Demostró que los átomos no eran macizos, como se creía, sino que están vacíos en su mayor parte y en su centro hay un diminuto núcleo . Dedujo que el átomo debía estar formado por una corteza con los electrones girando alrededor de un núcleo central cargado positivamente.

10. Rutherford y sus colaboradores bombardearon una fina lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio). Observaban, mediante una pantalla fluorescente, en qué medida eran dispersadas las partículas. La mayoría de ellas atravesaba la lámina metálica sin cambiar de dirección; sin embargo, unas pocas eran reflejadas hacia atrás con ángulos pequeños.

11. Modelo atómico de Bohr Estrictamente un modelo del átomo de hidrógeno tomando como punto de partida el modelo de Rutherford. Incorpora fenómenos de absorción y emisión de los gases, así como la nueva teoría de la cuantización de la energía desarrollada por Max Planck y el fenómeno fotoeléctrico observado por Albert Einstein. Postulaba: “El átomo es un pequeño sistema solar con un núcleo en el centro y electrones moviéndose alrededor del núcleo en órbitas bien definidas”

12. Postulados de Bohr Los electrones orbitan el núcleo del átomo en niveles discretos y cuantizados de energía, es decir, no todas las órbitas están permitidas, tan sólo un número finito de éstas. Los electrones pueden salta de un nivel electrónico a otro sin pasar por estados intermedios. Los electrones pueden saltar de una a otra orbita. Si lo hace desde una de menor a una de mayor energía absorbe un cuanto de energía (cantidad) igual a la diferencia de energía asociada a cada órbita. Si pasa de una de mayor a una de menor, pierde energía en forma de radiación (fotón. luz).

13. Las órbitas permitidas tienen valores discretos o cuantizados del momento angular orbital L de acuerdo con la siguiente ecuación:

14. Insuficiencias de modelo de Bohr Explica adecuadamente el espectro del átomo de hidrógeno, pero fallaba al intentar aplicarlo a átomos poliectrónicos y al intentar justificar el enlace químico. Sus postulados suponían una mezcla un tanto confusa de mecánica clásica y mecánica cuántica. El modelo no consigue explicar cómo los átomos individuales obran recíprocamente con otros átomos para formar los agregados de la sustancia que observamos.

15. Modelo de Scrödinger. Modelo actual Después de que Louis de Broglie propuso la naturaleza ondulatoria de la materia en 1924, la cual fue generalizada por Erwin Scrödinger en 1926, se actualizó el modelo del átomo. En el modelo de Scrödinger se abandona la concepción de los electrones como esferas diminutas con carga que giran en torno al núcleo, que es una extrapolación de la experiencia a nivel macroscópico hacia las diminutas dimensiones del átomo . Scrödinger describe a los electrones por medio de una función de onda, el cuadrado de la cual representa la probabilidad de presencia en una región delimitada del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce como orbital.

16. Cuerpo Negro

17. Cuantización de la energía

18. Espectros atómicos Espectro de emisión: El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento, en estado gaseoso, cuando se le comunica energía.

19. Espectro de absorción: El espectro de absorción de un material muestra la fracción de radiación electromagnética incidente que un material absorbe dentro de un rango de frecuencias. Es, en cierto sentido, el opuesto de un espectro de emisión. Cada elemento químico posee líneas de absorción en algunas longitudes de onda, hecho que está asociado a las diferencias de energía de sus distintas orbitales atómicos. Cuando la radiación atraviesa un gas, este absorbe una parte del espectro. El resultado es su espectro característico de absorción, donde faltan las bandas absorbidas, apareciendo en su lugar líneas negras.

20. Comparación

21. Espectro del hidrógeno: Se denomina espectro del hidrógeno a la emisión electromagnética propia de hidrógeno. Es conocido desde los trabajaos de Kirchhoff, Bunsen y Fraunhofer que todos los elementos tienen una emisión característica de ondas electromagnéticas dentro de todo el espectro electromagnético.

22. Series espectrales

23. Efecto fotoeléctrico (Mover electrones) Albert Einstein dio la explicación en 1905 “La luz está constituida por paquetes de energía (fotones), y su energía es proporcional a la frecuencia de la luz. Existe una cierta cantidad mínima de energía (dependiendo del material) que es necesaria para extraer un electrón de la superficie de una placa de zinc u otro cuerpo sólido. Si la energía del fotón es mayor que este valor, el electrón puede ser emitido.” Se obtiene la siguiente expresión. Donde Ecin: energía cinética máxima de un electrón h: constante de Planck 6, 6E-34 Js f: Frecuencia W: Trabajo

24. Leyes de la emisión fotoeléctrica Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dado, la cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incident e. Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, también conocida como “Frecuencia Umbral” Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente. El tiempo de retraso entre la incidencia de la radiación y la emisión del fotoelectrón es muy pequeña, menos de 1 ns.

25. En otras palabras…

26. Ejemplo de efecto fotoeléctrico

27. Efecto Compton Fue estudiado por el físico Arthur Compton en 1923. Consiste en el aumento de la longitud de onda de un fotón de rayos X cuando choca con un electrón libre y pierde parte de su energía. La frecuencia o la longitud de onda de la radiación dispersada depende únicamente de la dirección de dispersión. Constituyó la demostración final de la naturaleza cuántica de la luz tras los estudios de Planck sobre el cuerpo negro y la explicación de Albert Einstein del efecto fotoeléctrico.

28. A considerar…

29. Ejercitación

30. Estructura del Núcleo atómico Está formado por protones y neutrones (nucleones) que se mantienen unidos por medio de la interacción nuclear fuerte . La cantidad de protones en el mismo determina el elemento químico al que pertenece.

31. Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z . SIMBOLO DEL ELEMENTO Número Atómico NUMERO MASICO E A Z A es la suma del número de protones + neutrones Número atómico y másico

32. Numero atómico =Cantidad de protones en el núcleo = 79 Numero de masa = Suma Protones + Neutrones= 197 Neutrones =Numero de masa – Protones = 197-79=118 Cantidad de electrones = Cantidad de protones= 79 Recordemos que el átomo es eléctricamente neutro 79 p 118n Para el elemento que contiene ¿Qué elemento es?

33. Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico , pueden tener distinto número de neutrones. Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número de masa . ISÓTOPOS DEL HIDRÓGENO: Protio, 1H Deuterio 2H y Tritio 3H Isótopos

34. Ejemplo Todos los átomos de Carbono tienen 6 protones en el núcleo (Z=6), pero solo: El 98.89% de carbono natural tiene 6 neutrones en el núcleo A=12 Un 1.11% tiene 7 neutrones en el núcleo A= 13. Una cantidad aun menor 0.01% tiene 8 Neutrones A= 14 Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos en número atómico pero no en su masa atómica La masa atómica es el promedio de las masa de los isótopos que presenta un elemento de acuerdo con su abundancia en la Naturaleza Los isótopos de un elemento son átomos que tienen diferente número de neutrones y por tanto una masa atómica diferente.

35. A Recordar… Q U I M I C A

36. Cuatro Fuerzas fundamentales de la Naturaleza Fuerza Gravitacional. Fuerza electromagnética. Fuerza Nuclear Fuerte. Fuerza Nuclear Débil.

37. 1. Fuerza Gravitacional. Todos los cuerpos son atraídos por una fuerza que es directamente proporcional a sus masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. La fuerza gravitacional es la causante de que los cuerpos caigan y del movimiento  de los cuerpos celestes que se encuentran en el universo: planetas, satélites, estrellas, galaxias, cometas, entre otros.  Su partícula mediadora es el gravitón.  Posee un radio de acción infinito. Esta fuerza es la más débil, en cuanto a su intensidad, actúa a grandes distancias y siempre es atractiva.

38. 2. Fuerza electromagnética. Es considerada la fuerza que actúa sobre las partículas con carga eléctrica. Toda carga en movimiento produce un campo magnético a su alrededor y es de naturaleza atractiva o repulsiva, dependiendo de las cargas. La partícula mediadora es el fotón. Al igual que la interacción gravitacional, posee un radio de acción infinito.

39. 3. Fuerza Nuclear Fuerte.  Es la interacción más fuerte que existe y permite mantener los nucleones (protones y neutrones) ,  en interacción. Se refiere a la interacción que mantiene unidos a los quarks para formar hadrones, (protones, neutrones y mesones), por lo tanto permite mantener el núcleo unidos. Esta fuerza es la responsable de la estabilidad en toda la materia. La partícula mediadora en esta interacción es el gluón. “Son fuerzas de corto alcance, actúan sólo a distancias que tienen las dimensiones del núcleo atómico” Esta fuerza es sólo atractiva, manteniendo unidos los nucleones a pesar de la fuerza electromagnética (nula o repulsiva en el interior de los núcleos). Es la mas intensa de las cuatro fuerzas.

40. Quark En física de partículas, los cuarks o quarks, son los fermiones (es uno de los dos tipos básicos de partículas que existen en la naturaleza) masivos que interactúan fuertemente formando la materia nuclear. Junto con los leptones (junto a los quarks son parte de los fermiones), son los constituyentes fundamentales de la materia. Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas subatómicas como protones y neutrones.  Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales. Forman junto a los leptones, la materia visible. Hay seis tipos o sabores distintos de quarks que los físicos de partículas han denominado de la siguiente manera: up (arriba) Down (abajo) Charm (encanto) Strange (extraño) Top (cima) Bottom (fondo)

41. Hadrones son partículas formadas por quarks

42. 4. Fuerza Nuclear Débil Este tipo de fuerza es responsable de la desintegración beta de los núcleos de los átomos. Esta interacción es de corto alcance, es decir, distancias menores que las dimensiones del núcleo. “Es la interacción responsable de que un quark de un tipo se transforme en un quark de otro tipo como ocurre en la desintegración Beta de los núcleos”. La partícula mediadora son los bosones. El decaimiento beta es un proceso mediante el cual un nucleído o núcleo inestable emite una partícula beta (un electrón o positrón) para compensar la relación de neutrones y protones del núcleo del átomo. 

43. Radiactividad Es la propiedad que presentan los núcleos atómicos de ciertos isótopos de modificar espontáneamente su constitución emitiendo simultáneamente una radiación característica. La rapidez de desintegración radiactiva parece ser absolutamente constante, y no le afectan las condiciones externas, como las grandes o pequeñas presiones, ni las altas o bajas temperaturas, tampoco los campos magnéticos o eléctricos o reacciones químicas violentas. La radiactividad puede ser: Radiactividad natural: es la que manifiestan isótopos que se encuentras en la naturaleza. Radiactividad artificial o inducida: es la que ha sido provocada por transformaciones nucleares artificiales.

44. Partícula Alfa Partícula Beta menos (electrón) Antineutrino Partícula Beta más (positrón) Neutrino Rayo Gamma (Fotón) A, Z A, Z-1 A, Z+1 A-4, Z-2 A, Z A, Z A, Z A, Z DESINTEGRACIÓN ALFA DESINTEGRACIÓN BETA NEGATIVA DESINTEGRACIÓN BETPOSITIVA DESINTEGRACIÓN GAMMA Emisión de partículas y radiaciones por parte del núcleo de elementos que tienen un número muy elevado de protones y neutrones. Se transforman, en otros elementos nuevos, que pueden ser o no, a su vez, radiactivos. La emisión puede ser de partículas alfa (núcleos de Helio), beta (electrones), gamma (fotones alta frecuencia). Desintegraciones

45. Partícula Alfa A-4, Z-2 A, Z Trayectorias gruesas y rectilíneas Partícula alfa – Núcleo de Helio

46. Partícula β - Antineutrino A, Z+1 A, Z Trayectorias fina y erráticas Partícula beta – Electrón o positrón

47. Los rayos gamma son una forma de radiación electromagnética con energía extremadamente elevada. La radiación de rayos gamma tiene longitud de onda mucho más corta que la luz visible, por lo que los fotones de rayo gamma tienen muchísima más energía que los fotones de luz. Los rayos gamma se encuentran en el extremo más elevado de energía del espectro electromagnético. Los rayos gamma se producen a causa de transiciones nucleares , mientras que los rayos-X son resultado de la aceleración de electrones. Radiación gamma

48. ALFA α BETA β GAMMA γ NEUTRÓN Papel Cobre Hormigón Plomo Las distintas radiaciones tienen distinta capacidad de penetración en los medios materiales debido a las interacciones que intervienen en el proceso de frenado de las partículas y propiedades de las mismas partículas como masa, carga. ¿Qué son capaces de atravesar las radiaciones?

49. Leyes de la desintegración radiactiva Transmutación es la transformación del núcleo atómico de un elemento en un núcleo de otro elemento, que se efectúa cuando el número de protones aumenta o disminuye.

50. Las primeras leyes indican que cuando un átomo emite una radiación alfa o beta se transforma en otro átomo de un elemento diferente. Ese nuevo elemento puede ser radiactivo, transformándoos en otro, y así sucesivamente, dando lugar a las llamadas series radiactivas.

51. Vida media o semidesintegración La vida media o semivida es la cantidad de tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los átomos de una muestra. La vida media de un isótopo dado es siempre la misma . No depende de cuántos átomos se tengan o cuánto tiempo hayan estado allí. Gráfico radiactividad en función del tiempo: Ejemplo de vida media: Radio 226 = 1620 años (1 g de este isótopo decaerá a 0,5 g en 1620 años)

52. Energía Nuclear Es aquella que resulta del aprovechamiento de la capacidad que tienen algunos isótopos de ciertos elementos químicos ara experimentar reacciones nucleares y emitir energías en la trasmutación. Una reacción nuclear consiste en la modificación de la composición del núcleo atómico de un elemento, que muta y pasa a ser otro elemento como consecuencia del proceso. Este proceso se da espontáneamente entre algunos elementos y en ocasiones puede provocarse mediante técnicas como el bombardeo neutrónico.

53. La fisión nuclear es el proceso por el cual los núcleos pesados se dividen en dos o más núcleos de números de masa intermedios. Fisión Nuclear

54. Un reactor nuclear es un dispositivo que controla la fisión nuclear de material radiactivo, produciendo nuevas sustancias radiactivas y grandes cantidades de energía. Reactores nucleares

55. Fusión nuclear es la unión de núcleos ligeros para formar un solo núcleo pesado. La unión de nucleones produce una disminución en la masa (defecto de masa) y en la energía. Debido a que la energía debe conservarse, una pérdida de energía en el sistema nuclear significa una liberación de energía fuera del sistema. Fusión Nuclear

56. FIN