miércoles, 4 de noviembre de 2009

Experimento de Rutherford.

Ernest Rutherford en 1906 comenzó bombardeando con rayos α delgadas laminas de oro. Los primeros bombardeos parecían desafortunados debido a que las laminas tenían un espesor de unos 2000 átomos y casi todas las partículas alfa atravesaban con facilidad la finísima película sin desviarse, siguiendo una trayectoria recta.


Rutherford recomendó a sus discípulos, Johanes Hans Wilhem Geiger y Ernest Marsden, bombardear con partículas α otras substancias. A Marsden le dijo “yo no espero nada interesante de sus experimentos, pero de todos modos observe”. El alumno descubrió que de todas maneras la mayoría de las partículas α seguía pasando en línea recta, como si no existiera la lamina. Muy pocas se desviaban, al penetrar en la delgada lamina, en 90° y ¡una de cada 20 000 rebotaba!.

Si los atomos fueran compactos, esferas de carga positiva, las partículas alfa no podrían pasar fácilmente. ¿Cómo explicar que solo unas cuantas rebotaban?

El propio Rutherford escribió más tarde:

“Este acontecimiento parece tan increíble como si se hubiera disparado con un proyectil de 15 pulgadas contra un papel de fumar y dicho proyectil rebotase y fuera a darle a usted”

Modelo atómico de Rutherford

E. Rutherford con base en su experimento propuso su modelo atómico como:

· Formado por un pequeño núcleo atómico en donde se encontraba concentrada la mayoría de la materia del átomo.
· Los electrones giran alrededor del núcleo de la misma manera que los planetas giran alrededor del Sol. (como un pequeño sistema planetario).
· La mayor parte del átomo corresponde a espacio vacío.

Las conclusiones de su modelo atómico, las obtuvo debido a que:

La mayoría de las partículas alfa atravesaban la substancia. (la mayor parte del átomo es espacio vacío).
2. Algunas radiaciones eran desviadas cierto ángulo (las partículas alfa al pasar cerca de los electrones eran atraídas por estos, pero según su velocidad, se desviaban un ángulo determinado).
3. Algunas partículas regresaban en el mismo sentido en que eran bombardeaban (aquellas partículas alfa que chocaban de frente a un núcleo por ser de igual carga que este, eran repelidas haciéndolas regresar por donde llegaron.

Rutherford siguió experimentando con rayos alfa. En 1916 escribió una carta a su amigo Niels Bohr donde le indicaba que con sus experimentos bombardear la materia con partículas alfa estaba tratando de romper el átomo y en consecuencia intentaba la primera reacción nuclear en el mundo.

Desintegración artificial del núcleo.

La primera reacción nuclear, hecha por el hombre la hizo Rutherford bombardeando nitrógeno con rayos α transmutándolo en oxigeno.

El aparato que uso Rutherford para la transmutación de nitrógeno en oxigeno.

Un recipiente, R, se llena con un gas (por ejemplo nitrógeno). En el interior se coloca una fuente F, emisora de partículas α. En la boca del recipiente se pone una lamina, L, de plata con el espesor adecuado para absorber los rayos α. Junto a la lamina, hacia el lado externo, se coloca una pantalla, P, de sulfuro de zinc. Mediante un microscopio, M, se observa el centello, muy breve, de las partículas α que pasan y chocan con la pantalla.

Cuando se llena con oxigeno, dióxido de carbono o vapor de agua no se observa señal alguna en la pantalla. Todos los rayos α son absorbidos tanto por el gas como por la lamina.

¡Ah! Pero cuando se llena con hidrogeno o nitrógeno se observa un centello más brillante distinto del producido por las partículas α. Esta radiación de alta energía son partículas que libera el nitrógeno al chocar con rayos α. Bajo un campo magnético estas partículas se desvían en el sentido de las cargas positivas y se encontró que son núcleos de hidrogeno o protones.

¿Por qué el nitrógeno si da el centello y las otras substancias no?.

La explicación es sencilla. Rutherford pensó que los rayos α son capaces de romper el núcleo de los átomos de nitrógeno, separándolos en un protón más un pedazo que ya no es de nitrógeno sino ahora es de otro elemento: oxigeno. Las otras substancias no producen el centelleo por que los rayos α no separan el núcleo. Logro la primera reacción nuclear artificial.

Si se acepta la existencia del núcleo atómico, se tiene la siguiente pregunta ¿En que son diferentes los núcleos atómicos de dos elementos?

La respuesta la dio el físico ingles Henry Moseley bombardeando muestras de los elementos con rayos X.
Moseley en 1913 hallo que la longitud de onda de los rayos X disminuía regularmente a medida que aumentaba el peso atómico del elemento emisor. A partir de la longitud de onda característica emitida se calculo la carga nuclear de los átomos de cada elemento.

La magnitud de la carga nuclea se denomino numero atómico.

Con el número atómico Moseley ordeno los elementos del aluminio al oro. Observo que en algunos casos el orden según los pesos atómicos era incorrecto. El cobalto, de mayor masa atómica que el níquel, pero con numero atómico 27 naturalmente debía colocarse antes que el Níquel, 28. Se demostró posteriormente que el Hidrogeno tenía una carga de +1, helio +2, litio +3, Berilio +4, etc. El criterio del número atómico es la clave del orden de la tabla periódica.


El numero atómico símbolo Z, expresa el número de protones de un núcleo. En un átomo eléctricamente neutro, el número de protones debe ser igual al número de electrones, debido a esto es más fácil manejar el numero de electrones de un átomo.

Para determinar la masa atómica se tuvieron que descubrir dos cosas: el neutrón y los isótopos.




Neutrón (tercera partícula de la estructura atómica)

En 1932 el físico James Chadwick, siguiendo el experimento de fisión de Rutherford bombardea con rayos α átomos de Berilio y encuentra que estos emiten una radiación muy penetrante. Algunos investigadores ya conocían este fenómeno y pensaban que eran rayos gamma, pues no se desviaban en un campo magnético. Recuerda que los rayos α y β en presencia de un campo magnético si se desvían y los gamma no. Suponiendo que esta radiación con rayos gamma la ley de la conservación de la energía del proceso de bombardeo del Berilio no se cumple.

Chadwick replanteo el problema y lo resolvió pensando que esta radiación no está formada por luz de alta energía (rayos γ) si no constituye con base en una partícula proveniente del interior del átomo, diferente de las dos conocidas. Esta partícula tiene casi la misma masa del protón pero no posee carga eléctrica. Ya que es eléctricamente neutra se le llamo neutrón.

Experimento de Chadwick.

Un diagrama del aparato usado por Chadwick es:

En un recipiente al vacio, R, se coloca un disco D, hecho de una fuente emisora de rayos α. En el mismo recipiente se encierra una muestra de Berilio. Con los rayos α el berilio emite la radiación muy penetrante observada.

En el experimento de Chadwick el recipiente con el berilio irradiado se coloca cerca de una cámara de ionización, I.

Cuando la cámara recibe directamente rayos γ se produce una señal. Para facilitar nuestra explicación supondremos que el mecanismo registrador traduce la señal en un número determinado de conteos o pulsos. Se observa que la señal disminuye si se interpone en el camino de los rayos algún material absorbente como una placa por ejemplo de plomo. Sin embargo cuando la radiación emitida por el berilio llega directamente a la cámara de ionización la señal producida consta de unos pocos conteos en cada minuto. Si ahora se interpone una placa de plomo (entre el detector y la fuente) esperaríamos una reducción en el numero de conteos; pero encontramos que no hay una reducción apreciable. Si ahora colocamos una placa de parafina (o de algún material que tenga muchos átomos de hidrogeno ) ¡oh sorpresa! El número de conteos aumenta.

¿Cómo resolvió Chadwick el problema?

En primer lugar la información sobre la radiación emitida por el berilio, bombardeando con rayos α indica que es diferente de las hasta entonces conocidas.
Al suponer que estos rayos consisten de una partícula subatómica nueva Chadwick descubre al Neutrón.

Con la hipótesis de una partícula de masa similar al protón pero sin carga, la ley de masa similar al protón pero sin carga, la ley de la conservación de la energía se cumple satisfactoriamente.

El neutrón, partícula neutra pesada fue bien recibido por los físicos. Con su descubrimiento desaparecía el difícil problema de la estabilidad del núcleo, ahora estaba claro que en el núcleo del átomo se encontraban los protones y neutrones (desde este momento ambos se llamaron nucleones). Los electrones fueron expulsados del núcleo mandándolos a la periferia como envolturas electrónicas, dichas envolturas electrónicas, dichas envolturas daban las características del comportamiento químico del átomo.

Isotopos


Los isotopos se detectaron debido que al fisionarse el uranio o el torio se obtenían docenas de productos de desintegración.

Frederick Soddy sugirió que en un mismo lugar de la tabla periodica podrían encontrarse más de un tipo de átomos. Debería haber mas de una variedad de uranio (Z= 92) y diferentes variedades de plomo en el numero 82, etc.

Soddy denomino a estas variedades atómicas que ocupaban la misma casilla en la Tabla periódica isótopos, de la palabra griega que significa “mismo lugar”.

Francis William Aston aplicando un campo magnético a iones de un elemento (en 1992 J.J. Thomson ideo este método) confirmo los resultados para otros elementos. Aston separo iones del mismo elemento con base a sus diferentes masas obteniendo así una imagen de manchas separadas o espectro de masas. Cada mancha corresponde a un isotopo.

El uso del espectrógrafo de masas permitió determinar con mayor exactitud la masa atómica de los elementos. Con la masa de cada isotopo y su porciento natural se obtiene una cantidad promedio llamada masa atómica del elemento.

La masa atómica para propósitos de enseñanza se redondea a un número entero, el cual coincide con el numero de masa. El número de masa se simboliza la suma de protones y de neutrones del núcleo atómico.

Cuando un isotopo es radioactivo se le llama radioisótopo.

Estructura electrónica.

Había algunos fenómenos físicos que el modelo atómico de Rutherford no podían explicar.
Se decía en la física clásica que si el electrón giraba alrededor del nucleo, inevitablemente caería en este aniquilándose. Conforme al modelo clásico la materia se debería desintegrar. La realidad enseña que esto no sucede, los átomos son eternos. Otro problema que no podía resolver la física clásica era la radiación de algunos cuerpos al calentarlos. Por ejemplo, el hierro al principio se pone al rojo, después naranja y así va cambiando de color, hasta ponerse blanco

Este problema lo resolvió Niels Bohr.

Espectro electromagnético.

El espectro electromagnético está formado por un conjunto de radiaciones electromagnéticas de diferente frecuencia, longitud de onda y energía.

Ecuación de Plank.


Max Karl Ernest Ludwis Plank estableció en 1900 una ecuación para calcular la energía de un cuanto de energía o fotón.

E = h v E= energía de un foton
v= frecuencia
h= constante de plank (6.62 x erg-s

La frecuencia se determina dividiendo la velocidad de la luz (3 x cm/s) entre la longitud de onda (


De la ecuación: = longitud de onda
v= frecuencia
v= c= velocidad de la luz (300 000 km/s)


Max Plank fue el primero que propuso que la energía se emite de manera discontinua, en forma de paquetes de energía.


Albert Einstein demostró el efecto fotoeléctrico que comprueba la ecuación de Plank. A los paquetes de energía se le denomino fotones.



Espectros ópticos.




A finales de la década de 1850, el físico alemán Gustav Robert Kirchhof, trabajando en colaboración con el químico alemán Robert Wilhelm Bunsen, coloco cristales de diversas sales en la llama y ardieron con luz de diferentes colores. Al pasar esta luz a través de un prisma se separaba e líneas luminosas.

Kirchhoff invento el método de obtener la “huella dactilar” de cada elemento mediante la luz que producía al calentarlo por ejemplo las sales de sodio colorean la flama del mechero de amarillo; las de bario, verde; estroncio, carmín, etc.



El producto del ingenio humano utilizado para analizar los elementos químicos se llamo espectroscopio.


Espectroscopio.


Actualmente existe una variedad muy amplia de espectroscopio
Hay dos tipos de espectros: de emisión y de absorción

· Espectros de emisión



Cada substancia al ser excitada (a la llama por ejemplo), emite cierta radiación característica que permite identificarla. Esta radiación al pasar a través de un espectroscopio nos da el espectro de emisión del compuesto.
Debido que no hay dos elementos diferentes que tengan el mismo espectro es la huella dactilar del elemento que sirve para identificarlo.


Los espectros de líneas se producen al exitar iones o átomos. Por ejemplo un elemento gaseoso que se excita por un alto voltaje.
Los espectros de franjas son producidas por elementos gaseosos moleculares. Por ejemplo H2, N2, O2, etc y compuestos.

· Espectros de absorción



Los espectros de absorción se obtiene pasando luz blanca sobre la sustancia a analizar. Se observa que la substancia absorbe una parte de esta radiación. La luz que sale del espectroscopio corresponde al espectro de absorción.

El espectro de absorción es un espectro colorido con líneas obscuras que pertenecen a la radiación que absorbió el elemento.

Este fenómeno puede entenderse mediante la siguiente analogía: el ladrón al robar se compara con una substancia que absorbe) y al regresar lo robado cuando lo agarra la policía (emisión).

Los espectros de emisión y absorción son complementarios (es decir al encimarlos se obtiene el espectro de luz blanca).

Cuando un espectro tiene todos los colores, se le llama espectro continuo (como el arco iris).
Cuando solo tiene algunas líneas coloridas se le llama espectro discontinuo de líneas, cuando se tienen franjas coloridas se le llama espectro discontinuo de bandas.



Modelo átomico de Bohr.


Los problemas objetados por la física clásica al modelo atómico de Bohr. En este modelo se supone que:

-los electrones giran alrededor del núcleo del átomo con energía, por eso no caen al núcleo.
-las orbitas son circulares y están cuantizadas en energía. Se clasifican en: K, L, M,N, etc.
-surgen los niveles de energía (aparece al primer número cuántico).
-los niveles cercanos al núcleo son de menor energía y los lejanos son de mayor energía.
-si un electrón absorbe fotones de energía, se puede promover a un nivel de mayor energía (estado excitado)
-cuando el electrón regresa a un nivel de menor energía emite fotones que equivalen a la diferencia de energía entre ambos niveles.


Este modelo explica la radiación de algunos cuerpos al ser calentados.

El modelo atomico de Bohr explica satisfactoriamente los espectros de emisión y absorción de cada elemento.

Cuando un elemento es excitado sus electrones ocupan niveles de mayor energía regresando inmediatamente. El elemento emite radiaciones que corresponden a la diferencia de la energía entre los niveles. Como posee niveles de energía diferentes, al saltar los electrones hacia los niveles más internos, estos saltos se observan como rayas y de esta manera cada elemento tiene una coloración o rayas características que permiten identificarlo como su “huella dactilar”

El modelo atomico de Bohr explica bien la posición de las rayas espectrales del átomo de hidrógeno , pero para estructuras atómicas con dos o más electrones, no.



En 1916 Alfred Arnold Sommerfeld da a conocer una teoría más exacta del origen de los espectros. Su teoría explica también las propiedades magnéticas y eléctricas de los átomos y de las moléculas.


Modelo atómico de Sommerfeld.

Este modelo aparece el segundo numero cuántico k, ya que sommerfeld propone subniveles de energía

Surge como una respuesta que trata de explicar los espectros finos de los elementos (cuando se usa un espectroscopio de mayo poder de resolución, lo que parecía una línea colorida resulta ser en realidad dos o mas líneas muy cercanas.

Sus enunciados fundamentales son:

-en los niveles de energía existen subniveles de energía
-Las orbitas no necesariamente deben ser circulares, podrían también ser elípticas con distintos grados de excentricidad.

La excentricidad = semieje menor/ semieje mayor

- Si n = 1, hay una órbita circular k = 1
- Si n = 2, hay una órbita circular k = 1 y una elíptica k = 2
- Si n = 3, hay una órbita circular k =1, una elíptica k = 2 y otra elíptica k= 3, con distinta excentricidad a la anterior, etc.

El interés del modelo de Sommerfeld reside en la introducción de un número cuántico secundario de la teoría cuántica.

martes, 3 de noviembre de 2009

MODELOS ATOMICOS




Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia.Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito consideró que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas. Por ello, llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles.Sin embargo las ideas de Demócrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filósofos de su época y hubieron de transcurrir cerca de 2200 años para que la idea de los átomos fuera tomada de nuevo en consideración como: John Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr. Quienes aportaron más acerca de modelos atómicos.


Científico

John Dalton

1808


La imagen del átomo expuesta por Dalton en su
teoría atómica, para explicar estas leyes, es la de minúsculas partículas esféricas, indivisibles e inmutables,iguales entre sí en cada elemento químico.

"MODELO ATOMICO"


Durante el s.XVIII y principios del XIX algunos científicos habían investigado distintos aspectos de las reacciones químicas, obteniendo las llamadas leyes clásicas de la Química.


Historicamente la primera particula subatomica que se manifesto fue el electròn. los efectos de su presencia fueron conocidos por los griegos en la electrizaciòn de la materia.

Tales de Mileto observò que el ambar de la resina natural se electrizaba al ser fortada y atraìa objetos ligeros. En griego electròn se dice àmbar, de ahì el origen de las palabras electròn y electricidad.


Julius Plucker.

El fisico Julius Pl"u"cker usò unos tubos al vacìo elaborados por su ayudante Heinrich Gelssier. En 1858 descubre los rayos catòdicos en un tubo de Geissier al vacìo sellado con dos electrodos, como las lamparas de mercurio y neòn actuales.

Al pasar electricidad de alto voltaje el interior del tubo se ilumina con un color caracteristicos segun el gas. Cuando el vacìo es casi 0.001 mm Hg, la luz desaparece, pero el tubo despide una luz verdosa en la zona del ànodo, proveniente del càtodo.




William Crookes

El fìsico y quìmico William Crookes construyo un tubo a un vacìo mayor (tubo de Crookes o de descarga) para estudiar mejor los fenomenos luminosos. Por lògica la corriente electrica se origina en el càtodo y viaja hacia el ànodo donde choca con el vidrio y produce luz. Esto lo demostrò Crookes poniendo un objeto metàlico en el tubo formàndose una sombra en el vidrio en la regiòn opuesta al càtodo.

Eugen Goldstein.

Con la evidencia experimental disponible los fìsicos de 1880 no sabìan si el fenòmeno se debìa a ondas de luz o partìculas. En 1876, el Fìsico alemàn Eugen Goldstein llamò a este flujo rayos catòdicos.





Demostró que dentro de los átomos hay unas partículas diminutas, con carga eléctrica negativa, a las que se llamó electrones.

Propone un modelo atómico que se puede relacionar con un pudín con pasas.



De este descubrimiento dedujo que el átomo debía de ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones.



Mediante tubos de alto vacìo y campo elèctrico estudia la desviaciòn de los rayos catòdicos con un aparato, la placa positiva atrae lo rayos catòdicos subiendo el punto luminoso de la escala.



La fuerza magnètica actùa en direcciòn contraria y se mide la que anula a la electrica cuando la trayectoria vuelve a ser recto.

Con este experimento Thomson concluye que los rayos catòdicos son un flujo de partìculas con carga negativa.

Robert Andrews Millikan




En 1911 el fìsico americano Robert Andrews Millikan por medio de su experimento de la gota de aceite midiò con gran exactitud la carga elèctrica que podìa transportar una partìcula. Esta carga unitaria es la màs pequeña del Universo.

Se agrega aceite, por aspersiòn en el compartimento superior, algunas gotas bajan y una sola pasa a travès de las placas inferiores quedando bajo un campo elèctrico opuesto a la caìda. Como el aire del compartimento se ionoza con rayos X una carga negativa se adhiere a la gota y controlando el campo elèctrico de las placas. para suspender en el aire la gota, Millikan midiò la carga de la primera partìcula subatòmica.

Ernest Rutherford.




Pensó que la partícula mas pequeña de los rayos positivos, con masa igual al hidrógeno. era la unidad funadamental de carga positiva. En 1919 al bombardear nitrogeno con rayos alpha, primera reacción nuclear. Enontró la evidencia experimental y en 1920 propuso que dicha partícula positiva se llamara protón. pronton en griego significa el "primero". Se dice que históricamente fue la segunda particula subatomica gracias a Rutherford. El proton es un átomo de hidrogeno sin su electrón.


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.




Radiactividad y estructura atòmica.


En 1896 Antoine Henry Becquerel pensò que habìa relaciòn entre la fluorescencia de los rayos X y la de otros materiales fluorescentes. Envolviò en un papel negro una pelicula fotogràfica y le colocò una sal fosforescente de uranio. Observò que el rollo se velaba, y , al repetir el experimento, aunque la pelicula con el cristal de oranio no se expusieran a la luz, de todos modos se velaba.





Marie Sklodowska Curis.

La primera mujer cientifica de renombre internacional, llamò radiactividad al fenòmeno descubierto por Becquerel y encontrò con ayuda de su esposo que la radiaciòn tambien la emitìan algunos materiales como el uranio y el torio puros.


En 1899 Rutherford observò que la radiaciòn descubierta no constaba de un solo tipo de rayos. Al pasar a travès de un campo magnètico perpendicular, unos rayos se desvian en un sentido. Otros en el sentido contrario y, en 1900 Paul Villar descubriò otros, que no eran afectados, Rutherford les llamò rayos alfa, beta y gamma.




Los rayos gamma no son afectados por un campo magnètico. Son una radiaciòn semejante a la luz, como los rayos X, pero de mayor energia. Los rayos beta se desvian en el mismo sentido que los rayos catòdicos, por lo que Becquerel determinò, a partir de como lo hizo Thomson, que son electrones rápidos.