sábado, 11 de febrero de 2012

Historia del átomo

HISTORIA DEL ÁTOMO
El concepto de átomo existe desde la Antigua Grecia propuesto por los filósofos griegos DemócritoLeucipo y Epicuro, sin embargo, no se generó el concepto por medio de la experimentación sino como una necesidad filosófica que explicara la realidad, ya que, como proponían estos pensadores, la materia no podía dividirse indefinidamente, por lo que debía existir una unidad o bloque indivisible e indestructible que al combinarse de diferentes formas creara todos los cuerpos macroscópicos que nos rodean. El siguiente avance significativo se realizó hasta en 1773 el químico francés Antoine-Laurent de Lavoisier postuló su enunciado: "La materia no se crea ni se destruye, simplemente se transforma."; demostrado más tarde por los experimentos del químico inglés John Dalton quien en 1804, luego de medir la masa de los reactivos y productos de una reacción, y concluyó que las sustancias están compuestas de átomos esféricos idénticos para cada elemento, pero diferentes de un elemento a otro.





MODELOS ATÓMICOS.


El estudio de la materia y de los atomos comenzo con Democrito, el 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.

JOHN DALTON
John Dalton continuó con la hipótesis acerca de los átomos propuesta por Democrito, y en 1808 concluyó con la siguiente teoría atómica:
1. La materia está dividida en unas partículas indivisibles e inalterables, que se denominan átomos. 
2. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí (presentan igual masa e iguales propiedades). 
3. Los átomos de distintos elementos tienen distinta masa y distintas propiedades. 
4. Los compuestos se forman cuando los átomos se unen entre sí, en una relación constante y sencilla.  




La hipótesis de Dalton, tuvo vigencia durante mucho tiempo, la cual manejó que el átomo era indivisible; sin embargo, los átomos permanecen indivisibles en los fenómenos químicos simples.

J.J. THOMPSON


Thompson introduce la idea de que el átomo puede dividirse en las llamadas partículas elementales:
        -Electrones, con carga eléctrica negativa
        -Protones, con carga eléctrica positiva
    -Neutrones, sin carga eléctrica y con una masa mucho mayor que la de        electrones y protones. 

    Thompson propone un modelo atómico conocido como el Pudín de ciruelas, en el cual considera al átomo como una gran esfera con carga eléctrica positiva, en la cual se distribuyen los electrones como pequeños granitos y los cuales tienen una carga negativa.

RUTHERFORD
 En 1911, Rutherford introduce el modelo planetario, que es el más utilizado aún hoy en día. Considera que el átomo se divide en:
    · Un núcleo central, que contiene los protones y neutrones (y por tanto allí se concentra toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo).
    · Una corteza, formada por los electrones, que giran alrededor del núcleo en órbitas circulares, de forma similar a como los planetas giran alrededor del Sol. 




    Los experimentos de Rutherford demostraron que el núcleo es muy pequeño comparado con el tamaño de todo el átomo: el átomo está practicamente hueco.

NIELS BOHR
Basándose en las ideas previas de Max Plank, que en 1900 había elaborado una teoría sobre la discontinuidad de la energía (Teoría de los cuantos), Bohr supuso que el átomo solo puede tener ciertos niveles de energía definidos. 
La teoría atómica de Bohr introduce mejoras sustanciales al modelo de Rutherford.
Aunque una descripción detallada del modelo de Bohr es compleja, las siguientes características son relevantes en relación al modelo que va a introducir la Mecánica Global:
  • Los electrones se sitúan en órbitas circulares estables; es decir, donde no emiten energía y no todas están permitidas.
  • Los electrones emiten o absorben un fotón al cambiar de órbitas atómicas, cuya energía coincide con la diferencia de energía de las órbitas y no necesitan pasar por estados intermedios.
  • En el átomo de Bohr, las órbitas de los electrones siguen las reglas de la Mecánica Clásica pero no así los cambios de órbita.



Sin embargo el modelo atómico de Bohr también tuvo que ser abandonado al no poder explicar los espectros de átomos más complejos. La idea de que los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas definidas tuvo que ser desechada. Las nuevas ideas sobre el átomo están basadas en la mecánica cuántica, que el propio Bohr contribuyó a desarrollar. 


SCHRÖDINGER
En el modelo de Schrödinger 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. En vez de esto, Schrödinger 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.




SOMMERFIELD
Con la evolución, en el modelo de Sommerfeld se incluyen subniveles dentro de la estructura del átomo de Bohr, se descartan las órbitas circulares y se incorpora en cierta medida la Teoría de la Relatividad de Einstein.
El modelo de Sommerfeld también configura los electrones como corriente eléctrica y no explica por qué las órbitas han de ser elípticas, yo creo que son elipsoides y que Sommerfeld lleva razón en que el electrón es un tipo especial de onda electromagnética, al que la Mecánica Global denomina ondón.












PRINCIPALES TEORÍAS CUÁNTICAS

La teoría cuántica es una de los pilares fundamentales de la física actual. Las ideas que sustentan la teoría cuántica surgieron como alternativa al tratar de explicar el comportamiento de sistemas en los que el aparato conceptual de la física clásica se mostraba insuficiente.
El desarrollo de esta teoría durante la década de 1920 es el resultado de las contribuciones de destacados científicos entre los que destacan Einstein, Planck, de Broglie, Bohr, Schödinger y Heisenberg. 
El modelo actual del átomo se basa en la mecánica cuántica ondulatoria, la cual esta fundamentada en cuatro números cuánticos, mediante los cuales puede describirse un electrón en un átomo, éstos números son:


NÚMERO CUÁNTICO PRINCIPAL (n)
Representa los niveles energéticos. Se designa con números enteros positivos desde n=1 hasta n=7 para los elementos conocidos. Para calcular el número máximo de electrones que acepta cada nivel se calcula con la formula: e-=2n2
El valor de n determina el volumen efectivo.


NÚMERO CUÁNTICO SECUNDARIO O AZIMUTAL (l)
Determina el subnivel y se relaciona con la forma del orbital. Se designa con números que van de cero a n-1, y los cuales se identifican con las letras s, p, d y f. A continuación se muestra la forma de las 4 subniveles s, p, d y f: 


Cada subnivel acepta un número máximo de electrones:
s= 2e-
p=6e-
d=10e-
f=14e-


NÚMERO CUÁNTICO MAGNÉTICO (m)
Representa los orbitales presentes en un subnivel. Se designa con los siguientes números dependiendo del tipo de orbital:
s= 0
p=-1,0,+1
d=-2,-1,0,+1,+2
f=-3,-2,-1,0,+1,+2,+3
Cada orbital acepta un máximo de dos electrones.


NÚMERO CUÁNTICO POR SPIN (s)
Se relaciona con el giro del electrón sobre su propio eje. Al estar juntos en un mismo orbital, un electrón gira hacia la derecha y otro hacia la izquierda. Se le asignan los números fraccionarios: -1/2 y +1/2.


NUEVAS PARTÍCULAS


Muy arbitrariamente se pueden distinguir cuatro etapas en la historia de las partículas elementales. En la primera de ellas, que terminó en 1932, seis partículas elementales fueron descubiertas que son: el fotón, el electrón, el protón, el neutrón, el positrón y el neutrino (aunque el descubrimiento de éste último era solo teóricamente.
La segunda comenzó en 1935, cuando quedó claro que las partículas existentes no eran suficientes para explicar la naturaleza de las fuerzas nucleares. Durante este periodo se descubrieron nuevas partículas que fueron nombradas: muones y los mesones cargados en 1947 y los mesones neutros en 1950.
La tercera fase comprende un basto espacio de tiempo, desde 1949 hasta 1964, a lo largo del cual extrañas partículas fueron descubiertas, la existencia del neutrino 
electrónico y el neutrino muónico fueron confirmadas experimentalmente. Muchas de estas partículas no existen en nuestro mundo observable ya que son muy inestables y tiene una vida media muy corta transmutandose en otras partículas pasando un tiempo.
Actualmente se conocen muchas partículas de las denominadas elementales, entre las que se encuentran los leptones, hadrones, bariones, hiperones, quarks y antiquarks, gluones, gravitones, entre otros.
En nuestros días, con el perfeccionamiento de la tecnología, se abren más puertas para determinar con mayor precisión la composicieón completa de los átomos, por ello es necesario estar en constante investigación para enterarse sobre los nuevos descubrimientos.










RADIACTIVIDAD.
El fenómeno de la radiactividad fue descubierto casualmente por Henri Becquerel(a la izquierda) en 1896. Estudiaba los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia, para lo cual colocaba un cristal de Pechblenda, mineral que contiene uranio, encima de una placa fotográfica envuelta en papel negro y las exponía al sol. Cuando desenvolvía la placa la encontraba velada, hecho que atribuía a la fosforecencia del cristal. Los días siguientes no hubo sol y dejó en un cajón la placa envuelta con papel negro y con la sal de Uranio encima. Cuando sacó la placa fotográfica estaba velada, y no podía deberse a la fosforescencia ya que no había sido expuesta al sol. La única explicación era que la sal de uranio emitía una radiación muy penetrante. Sin saberlo Becquerel había descubierto lo que Marie Curie llamaría más tarde radiactividad.
Mme. Curie junto a su esposo Pierre Curie, empezaron a estudiar el raro fenómeno que había descubierto Becquerel. Estudiaron diversos minerales y se dieron cuenta de que otra sustancia el torio, era "radiactiva", término de su invención. Demostraron que la radiactividad no era resultado de una reacción química, sino una propiedad elemental del átomo. El fenómeno de la radiactividad era característico de los núcleos de los átomos. En 1898 descubren dos nuevas sutancias radiactivas: el radio y el polonio, mucho más activas que el uranio. Pierre estudiaba las propiedades de la radiación, y Marie intentaba obtener de los minerales las sustancias radiactivas con el mayor grado de pureza posible. Pierre probó el radio sobre su piel, y el resultado fue una quemadura y una herida, pronto el radio serviría para tratar tumores malignos. Era el comienzo de las aplicaciones médicas que Mme. Curie daría a la radiactividad. En 1903 recibieron el premio Nobel de física junto con Becquerel por el descubrimiento de la radiactividad natural.
Al poco tiempo murió Pierre Curie en un accidente debilitado como estaba por el radio. Mme. Curie siguió trabajando y fue la primera mujer que ocupó un puesto en la Universidad de la Sorbona en Paris. Siguió investigando junto a Ernest Rutherford, quien encontró que la radiación que emitían las sustancias radiactivas, tenía tres componentes que denominó:alfa, beta y gamma.
Mme. Curie siguió estudiando el fenómeno de la radiactividad durante toda su vida, prestando especial atención a las aplicaciones médicas de la radiactividad junto con los rayos X, recien descubiertos. Agotada, casi ciega, los dedos quemados y marcados por su querido radio, Mme Curie murió a los 60 años de leucemia en 1934. Su hija Irene continuó su trabajo con la misma pasión junto a su marido, con el que descubrió la radiactividad artificial y por lo que recibieron el premio Nobel.


FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR.

Existen dos modos de obtener la energía almacenada en los núcleos de los átomos:

                          • La fisión nuclear. 
                          • La fusión nuclear. 

En ambos casos, la energía se obtiene de cierta cantidad de masa  que desaparece en los procesos de fisión y de fusión.
La equivalencia entre masa y energía es una consecuencia de la teoría especial de la relatividad de Einstein, enunciada a principios del s. XX: 

La masa es una forma de energía “condensada”. La relación entre la masa y la energía se resume en la famosa fórmula de Einstein.


donde  "m"  es la masa,  E la energía asociada a la misma y c la velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/s).

Fisión nuclear.

La fisión nuclear consiste en que un núcleo 


pesado, normalmente de uranio 235, se rompe(se 

fisiona) en otros núcleos más ligeros(normalmente 


en dos).



En el proceso se pierde masa; este defecto de masa se convierte en energía calorífica.
Por cada gramo de uranio fisionado se puede obtener hasta 820.000 kJ de energía (la energía obtenida al quemar una bombona de butano de unos 13,5 kg, ronda los 670.000 kJ). 
Para fisionar el núcleo, se le bombardea con neutrones (como podríamos romper una sandía bombardeándola con una bala). 
Además de los dos núcleos ligeros, también se obtienen 2 o 3 neutrones que sirven como proyectiles para fisionar otros núcleos de uranio, iniciándose así una reacción en cadena.
La fisión se aprovecha actualmente en las centrales nucleares para producir energía eléctrica y, desgraciadamente, también constituye el fundamento de las armas nucleares.

Fusión nuclear.



Consiste en que  dos núcleos ligeros, normalmente uno de deuterio y otro de tritio, los isótopos pesados del hidrógeno, se “unen” para formar un núcleo más pesado, de helio.
En el proceso se pierde masa; este defecto de masa se convierte en energía calorífica. 
La fusión nuclear es el proceso que tiene lugar en las estrellas y del que obtienen la enorme cantidad de energía que emiten. 
Por cada gramo de helio formado, se pueden obtener unos 500 millones de kJ de energía. 
Es el proceso físico en el que más energía se libera en relación a la masa implicada, por lo que se investiga como una alternativa en la generación de energía eléctrica.

Equipo 8:
Arredondo Hernández Eva Adriana
Fuentes Esparza Mario Alberto
Paniagua González Alan Emanuel
Sáenz Morales Carlos Giovanni


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