Teoría cuántica y estructura atómica

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Es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento, en estad gaseoso, cuando se le comunica energía. El espectro de emisión de cada elemento es único y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuesto desconocido.

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Es un modelo clásico del átomo, pero fue el primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización a partir de ciertos postulados. Fue propuesto en 1913 por el físico danés Niels Bohr, para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos.Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para hacer el modelo que lleva su nombre. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción discretos que se observan en los gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo atómico de Bohr partía conceptualmente del modelo atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre cuantización que habían surgido unos años antes con las investigaciones de Max Planck y Albert Einstein. Debido a su simplicidad el modelo de Bohr es todavía utilizado frecuentemente como una simplificación de la estructura de la materia.

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En 1913, Niels Bohr desarrolló su célebre modelo atómico de acuerdo a tres postulados fundamentales:

-Primer postulado: Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo del átomo sin radiar energía.

-Segundo postulado: El átomo radia cuando el electrón hace una transición desde un estado estacionario a otro, es decir toda emisión o absorción de radiación entre un sistema atómico esta generada por la transición entre dos estados estacionarios. La radiación emitida (o absorbida) durante la transición corresponde a un cuanto de energía (fotón) cuya frecuencia esta relacionada con las energías de las órbitas estacionarias por la ecuación de Planck.

-Tercer Postulado: El electrón solo emite o absorbe energía en los saltos de una órbita permitida a otra.

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El físico alemán Arnold Sommerfeld, crea en 1916, el modelo atómico que lleva su nombre, para dar algunas mejoras al modelo atómico de Bohr, ayudándose de la relatividad deAlbert Einstein. Llegó a la conclusión, de que este comportamiento de los electrones se podía explicar, diciendo que dentro de un mismo nivel de energía existían distintos subniveles energéticos, lo que hacía que hubiesen diversas variaciones de energía, dentro de un mismo nivel teóricamente, Sommerfeld había encontrado que en algunos átomos, las velocidades que experimentaban los electrones llegaban a ser cercanas a la de la luz, así que se dedicó a estudiar los electrones como relativistas.Fue en 1916 cuando Sommerfeld perfeccionó el modelo atómico de Bohr, intentando solucionar los dos defectos principales de ese modelo. De este modo, hizo dos básicas modificaciones:Los electrones describían órbitas cuasi- elípticas.Velocidades relativistas.

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Según Bohr, os electrones giraban exclusivamente en modo circular. Una orbita céntrica dio lugar a un nuevo número cuántico, que se denominaría como número cuántico Azimutal, que definiría la forma de los orbitales, y se representaría con la letra l, tomando valores variables desde 0 hasta n-1.Así, las órbitas con:

l=0 serían los posteriormente conocidos como orbitales S.l=1 se llamaría orbital 2p u orbital principal.l=2 se conocería como d, u orbital diffuse.L=3 sería el orbital llamado f o fundamental.

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La Teoría Cuántica es uno de los pilares fundamentales de la Física actual. Se trata de una teoría que reúne un formalismo matemático y conceptual, y recoge un conjunto de nuevas ideas introducidas a lo largo del primer tercio del siglo XX, para dar explicación a procesos cuya comprensión se hallaba en conflicto con las concepciones físicas vigentes.

Las ideas que sustentan la Teoría Cuántica surgieron, pues, como alternativa al tratar de explicar el comportamiento de sistemas en los que el aparato conceptual de la Física Clásica se mostraba insuficiente. Es decir, una serie de observaciones empíricas cuya explicación no era abordable a través de los métodos existentes, propició la aparición de las nuevas ideas.

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Louis de Broglie, era un aristócrata francés que ganó el premio Nobel de Física de 1929 por una tesis doctoral que elucidaba las propiedades ondulatorias de los orbitantes electrones.

El punto de partida que tuvo de De Broglie para desarrollar su tesis fue la inquietante dualidad en el comportamiento de la luz, que en ciertos fenómenos se manifiesta como onda, en otros como partícula. Este desconcertante aspecto doble de la luz, estrechamente vinculado con la existencia.

Planck realizó varios experimentos para probar su teoría, con los cuales logro estableces que la energia de estos cuantos o fotnes es directamente proporcinal a la frecuencia de la radiación que los emite, estableciendo asi la formula que decia que la energia(E) es igual a la constante de Planck(h) por la frecuencia de la radiación(f).

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El principio de la dualidad descansa sobre el efecto fotoeléctrico, el cual plantea que la luz puede comportarse de dos maneras según las circunstancias y el tema a estudiar, y son1.- Luz como una Onda: esta es usada en la física clásica, sobre todo en óptica, donde los lentes y los espectros visibles requieres de su estudio a través de las propiedades de las ondas.2.- Luz como Partícula: Usada sobre todo en física cuántica, según los estudios de Planck sobre la radiación del cuerpo negro, la materia absorbe energía electromagnética y luego la libera en forma de pequeños paquetes llamados fotones, estos cuantos de luz, tienen de igual manera una frecuencia, pero gracias a éstos, se pueden estudiar las propiedades del átomo.

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Este principio propone que existen ciertos pares de magnitudes físicas, como la posición y la cantidad de movimiento o la energía y el tiempo, que no pueden conocerse simultáneamente con una gran precisión cuanto mejor se conoce una, peor se conoce otra (más o menos, lo que enunció años antes Bohr).- El producto de las indeterminaciones de las medidas debe ser mayor o igual a h/2.- Este principio no niega que una magnitud no se pueda conocer con la precisión con la que se desee niega que se puedan conocer las dos simultáneamente.- Este es el límite de la Física Clásica: esta indeterminación no se tiene en cuenta. Hay un impedimento teórico que anula toda práctica que se haga. Este principio de incertidumbre no afecta a todos los cuerpos.

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UN COCHE UN ELECTRÓN- De esta forma, se puede comprobar que el principio de Incertidumbre de Heisenberg es únicamente válido en el mundo microscópico, ya que esa indeterminación es despreciable en el mundo macroscópico. Esta incertidumbre interrelaciona los valores de posición y velocidad en cuanto a la exactitud de sus valores reales.Por eso, no tiene sentido la vieja idea de los electrones que se mueven en sus órbitas con velocidades dadas (teniendo en cuenta que la órbita de un núcleo de hidrógeno es de 10-10 m de radio, su velocidad no se conocerá con una precisión mayor de 1.000.000 m/s).x . p " h/2E . t " h/2Masa coche: 1000 kgx . v " h/2mx . v " 10-37 m2/sMasa e-: 10-30 kgx . v " h/2mx . v " 10-4 m2/s

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El desarrollo de la física cuántica a introducido nuevas formas de comprender los fenómenos que rodean el comportamiento de las partículas elementales. Se ha visto que las ondas electromagnéticas poseen cualidades de partículas energéticas, así como los electrones poseen propiedades de ondas, es decir, es posible asignarles una frecuencia angular y una contante de movimiento determinada, pero además es imposible establecer un punto exacto del espacio donde se encuentra la partícula. La fusión definitiva que cuantifica estas ideas, a sido conseguida gracias a estudios científicos desarrollados por Erwin Schrodinger, llamádola ecuación de onda, la cual incluye en comportamiento ondulatorio de las partículas y la fusión de la probabilidad de su ubicación.

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POSTULADOS DE LA ECUACION DE ONDA DE SCHRODINGER:

1. - Cada partícula del sistema físico se describe por medio de una onda plana descrita por una funcio denotada por Y(x, y, z, t); esta función y sus derivadas parciales son continuas, finitas y de valores simples.

2. - Las cantidades clásicas de la energía (E) y del momentum (P), se relacionan con operadores de la mecánica cuántica definida de la siguiente manera.

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3. - La probabilidad de encontrar una partícula con la función de onda en el espacio viene dada por: