6.-AtomoCuantico_reviewLupe_Pizan [Modo de Compatibilidad]

7/28/2019 6.-AtomoCuantico_reviewLupe_Pizan [Modo de Compatibilidad]

1/51

El Atomo CunticoDra Lupe Pizan Toscano

Gymnase de Morges J.-C. Keller

-Referencia:Gymnase de Morges

JCKeller


2/51

Los Actores! Max Planck,premio Nobel en 1919

(mission dun corps noir)

Albert Einstein,premio Nobel en 1921(effet photolectrique)


Niels Bohr,premio Nobel en 1922( modle de latome dhydrogne)

Wolfang Pauli,premio Nobel en 1945(principe dexclusion)


3/51

Prsentation des acteurs (suite) !

Louis-Victor de Broglie,premio Nobel en 1929(relation quantit de mouvement onde)

Werner Heisenberg,

premio Nobel en 1932(principe dincertitude)

Erwin Schrdinger,


(quation donde)

Paul Dirac,premio Nobel en 1933(matire antimatire)

Richard Feynmann,premio Nobel en 1965(thorie de llectrodynamique quantique)


4/51

La Foto de familia!


y y muchosmuchos otrosotros msms ! !

J. Chadwick 1935C. Davisson 1937 G. Thomson 1937W. Lamb 1955

A. Compton 1927R. Millikan 1923E. Rutherford 1908


5/51

El inicio

A fines de XIXime siglo ?

La luz (rayos X, ultraviolet, visible, infrarojo) se

propagan a travz del espacio como una ondaelectromagntica; se puede observar los fenmenospropios de las ondas, como la reflexin, la refraccin,


, .

El electrn y el protn no son conocidos.

El neutrn no es conocido , ser descubierto slo en1932 por James Chadwick (1891-1974), premio

Nobel en 1935. La realidad del tomo es admisible,pero su estructura no es conocida precisamente.


6/51

1er Acto, octubre 1900:

Max Planck


Resuelve el enigma de la emisin

radiativa de un cuerpo negro. En la poca, el enigma es llamado

la catstrofe ultravioleta!


7/51

Que es un cuerpo negro ?

Es un cuerpo

que absorbe toda laenergia que recibe


La energa que emite enforma de brillo depende de

su temperatura!

Ejemplo:

El sol !


8/51

A fines de 19no siglo

Las teoras clsicas vigentes no llegan a explicar lasobservaciones hechas sobre la emisin de la energa

por un cuerpo negro. Las predicciones tericas:

Exista un gran problema !!


Segn la teora, la intensidaddel brillo debera crecercuando la longitud de onda

disminuye!


9/51

Las observaciones:


En los hechos, no seconfirman las teorasexistentes!!

Rango del IRRango del visibleRango del UV


10/51

A fines de 19no siglo

Las teoras clsicas vigentes no llegan a explicar lasobservaciones hechas sobre la emisin de la energa

por un cuerpo negro.Las observaciones: Las predicciones tericas:

Exista un gran problema !!


Segn la teora, la intensidaddel brillo debera crecercuando la longitud de onda

disminuye!

Pero en los hechos,

no sucede esto!!

Rango del IRRango del visibleRango del UV


11/51

Octubre de 1900: apoyndose en los

trabajos de Wien (ley de Wien), premioNobel en 1911, Max Planck encuentrauna ecuacin que explica las

observaciones

2

hc


====5

TkBeI


12/51

La Ecuacin de Max Planck

Temprature 1500 nergie

0.00000005 1.57564E-62

0.0000001 2.23786E-22

0.00000015 2.26579E-09

0.0000002 0.004714619

0.00000025 22.62815989

0.0000003 5443.916502

====

1

5

22 Tk

hc

B

e

hc

I

Temprature: 2000 nergie

0.00000005 1.06223E-41

0.0000001 5.81052E-12

0.00000015 0.019867367

0.0000002 759.6918571

0.00000025 331437.702

0.0000003 16120258.96


. .

0.0000004 3825413.015

0.00000045 30483809.46

0.0000005 151706644

0.00000055 538828739.8

0.0000006 1491703795

0.00000065 3419344973

0.0000007 6773209678

0.00000075 11959602710

0.0000008 19262790032

0.00000085 28799161321

0.0000009 40507303910

.

0.0000004 1535584607

0.00000045 6286027513

0.0000005 18360349181

0.00000055 42167193124

0.0000006 81173238655

0.00000065 1.36822E+11

0.0000007 2.0824E+11

0.00000075 2.92618E+11

0.0000008 3.85937E+11

0.00000085 4.83728E+11

0.0000009 5.81684E+11

Emission radiative du corps noir

0

2E+11

4E+11

6E+11

8E+11

1E+12

1.2E+12

0 0.000002 0.000004 0.000006 0.000008

longueur d'onde

nergie


13/51

Diciembre 1900: Max Planck da unainterpretacin fsica de esta ecuacin:

Mtodo seguido por Boltzmann: Principio de equiparticin de la

Max Planck descubre que puede deducir su ecuacin a partir de lasideas de Boltzmann sobre el estado macroscpico de un gas(temperatura, presin) y de la probabilidad de obtener este estado

teniendo como base los movimientos de cada tomo que componeeste gas


libertad del systema. El estado mas probable es el que

puede obtenerse con el mayornumero de de combinaciones

diferentes a escala molecular.

Obtiene as una descripcin macroscpica a partir del

comportamiento estadstico de los elementos microscpicos.


14/51


Pero, hay una diferencia muy importante :

En este calculo, Planck: Debe considerar porciones de


energ a proporc ona es a afrecuencia y


15/51


Pero, hay una diferencia muy importante :Planck:

estas proporcionesno pueden ser maspequeas que un valorpreciso


Las porciones de energa que considera son proporcionalesa la frecuencia f y no pueden ser ms pequeos que el valor

hfcon h = 0,000000000000000000000000000006626 de Js!!

Image tire de La physique sansaspirine de J.P. Mc Evoy & O. Zarate

Image tire de La physique sansaspirine de J.P. Mc Evoy & O. Zarate


16/51

14 diciembre 1900:

Avec cette interprtation physique, MaxPlanck introduit lide rvolutionnaire quelnergie ne peut smettre que par de petites

portions dnergie, appeles QUANTA.

Avec comme valeur dun uanta: h f


f = frquence de londeh = 6,626 10-34 Js (constante de Planck)

h est une nouvelle constante !

La catstrofe ultraviolada no se da (para

los UV: f = 1015

a 1016

Hz) !!


17/51

Resumen acto 1: Que se sabe de nuevo ?

Un cuerpo negro iradia su energa porbocanadas y no de forma continua.

Podemos traducir esto con la analoga siguiente:

IMPOSIBLE !La emisin de energa es

discontinua y cada salto deenerga vale:


h f

Avec h = 0,000000000000000000000000000006626 Js

Planck piensa que estos saltos son una

propiedad "interna de los tomos y no del brillo

de la misma luz.


18/51

Acto 2, 1905:

Albert Einstein


El Efecto Fotolectrico

Veamos esto mas de cerca


19/51

Haz de luz

ultravioleta (UV)Placa Mtalica es

iluminada por el haz

Descripcin Efecto Fotolectrico


En estas condiciones, los electronesson arracados de la placa

Con este dispositivo, tenemos la

intensidad de flujo de los electrones y lavelocidad


20/51

Resumen acto 2: que sabemos de

nuevo a fines de 1905 ? La luz es emitida por la materia de modo discontinuo. La luz consta de paquetes de energa; la palabra fotn

aparece de hecho slo desde 1923. La luz es absorbida por la materia de modo discontinuo.La luz tiene pues un comportamiento MIXTO : que se

uede ex licar mu roseramente como esto:


Cuando "viaja", se comporta como una onda. Cuando interacta con la materia, se comporta como

partculas (= paquetes de energa).

h f

Avec h = 0,000000000000000000000000000006626 Js


21/51

En 1899, J.J. Thomson, premio Nobelen 1906, Llega a confirmarexperimentalmente la existencia delelectrn.

Que sucede en el entre acto?

Desviacin hacia arribapara las partculaspositivas


para las partculasnegativas

Rf. : Physique de E. Hecht p. 1101


22/51

En 1899, J.J. Thomson, premio Nobelen 1906, parvient confirmerexprimentalement lexistence dellectron.

Los fsicos procuran entonces comprender la


En esta poca el protn es ya conocido, en el ncleodel tomo de hidrgeno.


es ruc ura e omo. En 1902, Lord Kelvin (1824-1907) propone la

idea de una esfera de "helada" positiva conelectrones incrustados en el interior.


23/51


J.J. Thomson piensa que segn este modelo esfricolos electrones deben moverse dentro de la esfera.


En 1910 por un mtodo experimental, E. Rutherford va acondenar el modelo de la esfera "helada" !positiva!



24/51

En 1910, Ernesto Rutherford (premio Nobelde qumica en 1908) bombardea una hojadelgada de oro (espesor cerca de 1/10000mm) con partculas alfa.

Que sucede en el entre acto?(continuacin)

Rutherford



25/51

En 1910, Ernesto Rutherford (premio Nobelde qumica en 1908) bombardea una hojadelgada de oro (espesor cerca de 1/10000mm) con partculas alfa.


Rutherford


?


26/51

En 1910, Ernest Rutherford (premio Nobel dechimie en 1908) bombarde une mince feuilledor (paisseur environ 1/10000 mm) avecdes particules alpha.


Con esta experiencia, puede confirmar unmodelo del tomo basado en un ncleo muy

e ueo rodeado de un "sistema lanetario"Rutherford


de electrones.


27/51

El problema es que en Fsica Clsica, Con este modelo, los electronesdeberan perder su energa por radiacin

en 10-8 sec ! eso, no sucede! Este el problema que


Rutherford


los siguientes protagonistas van atacar!

?


28/51

En 1913, Niels Bohrpropone un modelo para el tomo dehidrgeno (ncleo formado de unprotn con un electrn en rbita)

basado en el concepto de la

Acto 3, 1913 - 1920:


cuantificacin de la energa.Postewriormente otros fsicos (deBroglie, Pauli, Heisenberg,

Schrdinger) contribuyen mejorandola comprensin del comportamiento

de los electrones atmicos.


29/51

Cul es la idea de base de Niels Bohr?

Propone cuantificar las rbitas sobre lascuales el electrn nico del hidrgenopuede encontrarse segn su estado deenerga.

Define que estas rbitas deben satisfaceral criterio siguiente:



rbita en un estado estacionario cuandosu momento cintico es un enteromltiple de una constante.

m v R = n h/2 para n = 1, 2, 3,

n es el nmero cuanticoprincipal. Rf. : Physique tome 3 de A. Van de Vorst p. 121

C ti C l l id d b d Ni l B h ?


30/51

Continua Cul es la idea de base de Niels Bohr?

Cuando un electrn RECIBE energadel exterior (energa luminosa,lectrica, trmica, ), este salta hacia una orbita superior, quecorresponde a un incremento de n.

nergieextrieure

SAUT



Cuando un lectron PIERDE energa, lohace por salto y emite SIEMPRE unphoton :En principio un electrn no se quedaen un estado excitado, regresa a unestado energticamente ms bajoemitiendo un fotn cuya frecuencia esdefinida por la energa perdida igual ala

n (h/2) f

Emisin deun photon

E t d l it l l l l d l


31/51

Este modelo permite calcular el valor de lossaltos posibles de energa para el hidrgeno

En este calculo, tiene en cuenta:- Potencial electrostatico- La fuerza centripeta

- de m v R = n (h/2) f Con este modelo, se calcula que la

energa externa para arrancar un

Fsica clsica

Fsica cuantica

F


e ec r n e omo e y rogenoes 13,6 eV (este es el Fenmeno deionizacin).

La frecuencia que corresponde aesta energa es igual a 3,288 1015Hz.Esta es la frecuencia de los rayos X.

Este modelo permite calcular el valor de los


32/51


Ex erimentalmente, el hidr eno es

El electrnes

arrancado !


efectivamente ionizado cuando esilluminado por este tipo de rayos X.

Este modelo permite calcular el valor de los


33/51


Este calculo, tiene en cuenta:- Potencial electrostatico- La fuerza centripeta

- de m v R = n (h/2) f

physique classique

physique quantique

El modelo de

Bohr tiene unaambiguedad !

F


Mientras el electrn se queda sobre su rbita,obedece a las leyes de Newton (Fsica Clsica).

Pero cuando cambia de rbita, obedece a lasleyes de Planck y Einstein (Fsica Cuntica)!

Los fsicos no aceptan y atacan estaambigedad!


34/51

En 1923, Louis-Victor deBroglie da una idea genial !

Puesto que las ondas electromagnticas pueden serconsideradas como corpusculos que interactuan con la

La idea genial es la siguiente:


materiaPorque lo reciproco no puede ser verdad

!!!

Louis-Victor de Broglie propuso asociar a toda partcula demateria una onda de longitud definida por :

= h / (m v) De hecho, la partcula esasociada con un grupo (opaquete) de ondas cuyomximo de amplitud se

desplaza a la velocidad de lapartcula! Rf. : Physique tome 3 de A. Van de Vorst p. 33


35/51

Esta idea genial es confirmada

experimentalmente !

En 1927, Clinton Davisson(asistente de Germer) y George Thomson

DavissonThomson


Reciben el premio novel en1937, Probaron la de Broglie

observando la difraccin deelectrones sobre un blancopolycristalino (cristal deNquel).

Resumiendo


36/51

Resumiendo

N. Bohr propone cuantificar las orbitaselectrnicas e imagina los electrones atomicospueden perder la energa slo por paquetes ycambian de rbita emitiendo un fotn.

Aseste mdelo es ambiguo: combina fsicaclsica y fsica cuantica.

Rf. : Physique tome 3 de A. Van de Vorst p. 121


que cada partcula elemental tiene propiedadesondulatorias. Introduce as una condicin entrela velocidad de los electrones y una longitud deonda asociada, aquel qu fija las emisionesposibles!

Esto permite coger mejor la idea de rbitaestacionaria con una emisin que escuantificada.La circunferencia debe ser un entero mltiple de.... Rf. : Physique de E. Hecht p. 1150

Rf. : Physique tome 3 de A. Van de Vorst p. 33

La idea de Niels Bohr es entonces validada!


37/51

La idea de Niels Bohr es entonces validada!

La figura al lado presenta losdiferentes saltos posibles deenerga para el electrn del

Los estudios de espectros confirman que los electronesatomicos ganan y pierden energa por saltos entre

orbitales, cada orbita corresponde a un nivel de energa


.

Cada nivel corresponde a unvalor del nmero cunticoprincipal.

Todos estos niveles deenerga pudieron serobservados en el espectro deemisin del tomo dehidrgeno.


Espectro solar dentro del rango visible


38/51

Espectro solar dentro del rango visiblereferencia: http://bass2000.obspm.fr/solar_spect.php

H H


H (656 (656 (656 (656 nm)

H HH

Longitud de onda de laslineas de Balmer:

H 656 nm

H 486 nm

H434 nm

H 410 nm


39/51

Un 2do nmero Cuntico


40/51

Un 2do nmero Cuntico

Para completar, se introduce 2do numero cuantico, dell

Los estudios detallados de los diferentes espectros obligan a loscientficos a tener en cuenta otros parmetros mas.Para cada valor del nmero cuntico principal, debido a que paracada rbita hay varias formas posibles. Lo que corresponde asubniveles de energa.


Este numero lllldebe respetar la regla siguiente :llllpuede valer de 0 a n-1 ( n = numero cuantico principal)

Ejemplo:

si el numero cuantico principal n tiene 3 valoresllll

puedetener los valores 0, 1 et 2.

3er nmero cuntico


41/51

3 nmero cuntico

En 1896, Peter Zeeman verifica unaanomalia dentro del spectro de emisin Vapor de Sodio, anomala que se produce

en presencia de un campo magnticoexterno.

Este efecto se le conoce como EfectoZeeman (Zeeman premio Nobel en 1902).

Esta anomalia se manifiesta por la aparicin

Sin campomagntico

1 linea

Con campomagntico

3 lineas!


espectro. Si existen lineas suplmentarias dentro del espectro de la luz,existe niveles intermedios de energa supplementarios por loselectrones que emiten esos fotones !

Para completar este efecto, se introduce 3er numero cuantico, denombre m, numero cuantico magntico orbital.

Estudios muestran que : m puede tomar valores de llll + llll Ejemplo: si llll=2; m valores: -2, -1, 0, +1, +2


Finalmente, se introduce la nocin de spin !


42/51

Finalmente, se introduce la nocin de spin ! Estudiando el efecto Zeeman (con un campo magntico), se

encuentra en 1897 que las rayas del sodio se separaban en unconjunto de rayas todava ms complicado que las del efectoZeeman.

Este fenmeno fue conocido como el efecto Zeeman anmalo.

En el marco de este fenmeno, un estudio muy detallado de losespectros pone de manifiesto 2 niveles intermediariossuplementarios de energa cuyo valor es : + - 1/2 (h/2) f

Para tenerlo en cuenta, hay que introducir la idea que el electrn es


porta or e un momento magn t co, ama o e .

(Contina) se introduce la nocin de spin !


43/51

(Contina) se introduce la nocin de spin ! En 1925, 2 fsicos, Jorge Uhlenbeck y Samuel Goudsmit, sugirieron

la idea de spn (del ingls to spin = hacer girar). El SPIN es el cuarto numero cuantico. puede tomar solo dos valores: -1/2 y +1/2

Los niveles de energa de los electrones atmicospueden ser definidos con estos 4 nmeros:


En 1924 con el principio de e cl sin


44/51

En 1924, con el principio de exclusin,

Wolfgang Pauli dar un aporte decisivo aledificio del tomo cuntico !

En un tomo neutro, existen tantos electronesalrededor de ncleos como de protones en el ncleo

Recordando:


Estos electrones pueden ocupar niveles de energaque son definidos por 4 nmeros (n, l, m y el espn).

Puede tenerse un solo electrn por "nivel" (o estado)de energa; es decir un solo electrn por grupo devalores de los 4 nmeros cunticos.

El principio de exclusin de W. Pauli, enuncia en

1924:

Con estos 4 numeros cuanticos, se puede comnstriuir


45/51

el modelo par alos electrnes atmicos

n = 2

n = 3etc

l=1 valeurs possibles de m: -1, 0, +1

l=0 valeurs possibles de m: 0

l=0 ; m= 0

l=2 ; m= -2, -1, 0, +1, +2l=1 ; m= -1, 0, +1



LithiumBryliumCarboneBoreAzoteOxygneFluorNon

Los diferentes orbitales aparecen en orden (valores de numerocuantico principal).

Los diferentes orbitales apararecen ordenados ( valores de numerocuantico principal).

aqui la explication de esta representacin :

Sobre cada raya representada, puede tener all slo 1 o 2electrones, si hay 2, entonces su spnes son opuestos

Las diferentes orbitales parecen all ordenados ( valores delnmero cuntico principal).

n = 1, =0, m=0

HydrogneHlium

Con estos 4 numeros cuanticos, se puede comnstriuirl d l l l i


46/51

el modelo par alos electrnes atmicos

n = 2

n = 3etc

Rf. : Physique de E. Hecht p. 1162Rf. : Physique de E. Hecht p. 1159


LithiumBryliumCarboneBoreAzoteOxygneFluorNon

En primera approximacin, la regla de ocupacin de los diferentesniveles es simple. Los electrones ocupan los diferentes lugaressucesivamente desde el nivel de energa mas bajo hasta el ms

elevado.

n = 1, =0, m=0

HydrogneHlium

Los niveles de energa electrnica estn reprsentados con el

esquema de la derecha

La ocupacin de los diferentes niveles de energa


47/51

por los electrones no es tan simple!

Ejemplo el carbono :

Los 4 electrones de los niveles


superiores de energa puedenarreglarse de 3 modos diferentes.




48/51

Uno de 2 electrones del orbital 2s2puede fcilmente pasar sobre

orbital superior (le hace falta slo2eV energa).El carbono puede pues tambin


Ejemplo el carbono :


presen arse con e ec rones

solitarios.Los 4 electrones forman 1 par y hay2 electrones que quedan solitarios.Los electrones del par son de espn

opuesto.

Los 4 electrones forman 2 pares.Los electrones de cada par son de

espn opuesto. Rf. : Physique de E. Hecht p. 1162



49/51


En esta situacin, el carbonopuede "compartir" sus 4electrones solitarios para hacerenlaces con carbono y\o otros

tomos.Por ejemplo para formar del CH4(metano)..


n esta s tuac n, e car ono

puede "compartir" sus 2electrones solitarios para crearenlaces con carbono y\o otrostomos.

En esta situacin, el carbonopuede procurar completar lassubcapas del nivel superior paracrear enlaces con carbono y\ootros tomos. Rf. : Physique de E. Hecht p. 1162

La ocupacin de los diferentes niveles de energal l d h h i l !


50/51

En realidad, es todava mucho ms queesto.

Cuando un tomo est en contacto con

otros tomos, los niveles de energa deorbitales atmicos cambian.

Hablamos entonces de orbitales

por los electrones no es de hecho tan simple !


moleculares y los electrones que participan

en los enlaces son ms o menoscompartidos entre los tomos. Hablamosde hibridacin de los orbitales.

Si uno de estos electrones de enlace "esacaparado" por uno de 2 tomos, entoncesla molcula formada se polariza. Es el casopara la molcula de agua. El oxgeno seacapara el electrn de cada hidrgeno.


Interacciones


51/51

onda electromagntica materia:

Rayos X


Ultravioleta

Visible

Infrarojo

Micro-ondas

6.-AtomoCuantico_reviewLupe_Pizan [Modo de Compatibilidad]

Documents

Transcript of 6.-AtomoCuantico_reviewLupe_Pizan [Modo de Compatibilidad]