teoriaatomicaV

LA TEORÍA ATÓMICA (V): LOS ESPECTROS ATÓMICOS Y LA RUPTURA CON LA FÍSICA CLÁSICA

A lo largo del último cuarto de del siglo XIX se desarrolló una técnica que hoy denominamos espectrosocpía de emisión atómica. Con ella, los científicos de aquel entonces, puderon descubrir elementos desconocidos como por ejemplo, los gases nobles. Sin embargo, la explicación de los espectros fueuna tarea ardua y difícil que desembocó en una ruptura con la física clásica y el advenimiento de una nueva teoría, la Física Cuántica

Las ondas electromagnéticas.

En 1865 el científico británico James ClerK Maxwell , desarrolló una serie de ecuaciones que demostraban que una campo electromagnético podía propagarse en forma de ondas. En 1885 Hertz, un físico aleman produjo y detectó las ondas predichas por Maxwell e, incluso, midió su velocidad que resultó ser muy próxima a la que calculó Maxwell, 300000 km/s. En realidad, Maxwell había producido y detectado lo que hoy llamamos ondas de radio. La medición de la velocidad de la luz por Foucault en 1862 había arrojado un valor muy próximo al de las ondas de Hertz y al valor predicho por Maxwell y esto llevó a considerar que las ondas electromagneticas eran un conunto de ondas muy diverso en su manifestación y sin embargo, en el fondo, se trataba del mismo fenómeno físico. En 1800 Herschel había descubierto que con la luz solar se transmitía otra radiación que ocasionaba un aumento de temperatura y que se desviaba más que la luz de color rojo al atravesar un prisma. Tal radiación se conoce con el nombre de infrarrojo y es una radiación electromagnética más. En 1801 detectó que al otro lado, más allá de la luz violeta, aunque no se viera, había una radiación capaz de ennegrcer las sales de plata. Esta radiación se denomina ultravioleta y es un componente más de las radiaciones electromagnéticas. En 1895, Röntgen descubre una radiación proviniente de un tubo de rayos catódicos que estaba tapado con una funda y que era capaz de producir luminiscencia en una sal de bario y era capaz de impresionar una placa fotográfica tapada y muy lejos del tubo der ayos catódicos. Esa radiación se denomina rayos X.

James Clerk Maxwell (1831-1879), físico británico que esclareció las leyes del electromagnetismoo. Predijo las ondas electromagnéticas de una forma teórica, como resultado de las ecuaciones que elaboró [23]

.

Ya hemos hablado de los rayos γ en el capítulo anterior como parte de la radiación electromagnética. Finalmente, las microondas serían el último componente que se descubrió perteneciente al conjunto de ondas electromagnéticas, están situadas entre las ondas de radio y el infrarojo.Una cosa nos debe quedar claro, se denominen como se denominen y causen los efectos que causen, todas las ondas electromagnéticas tienen la misma natualeza y son el mismo fenómeno físico. Porqué vemos la luz roja o porque una radiación γ produce tremendas quemaduras y cáncer, solamente tiene que ver con una constante característica de toda onda: su frecuencia y como consecuencia de ésta, la energía que puede transportar.

El espectro continuo de la luz.

Fue Isaac Newton quien observó y explicó porqué un prisma descompone la luz blanca (la luz emitida por el Sol) en distintas luces de colores. El fenómeno es el mismo que observamos al contemplar un arco iris; en este caso las gotas de lluvia hacen la vez de prismas. Al atravesar el prisma las distintas ondas electromagnéticas que forman el conjunto de la luz visible se separan entre si y forman el llamado espectro de la luz visible que no es otra cosa que todo el conjunto de frecuencias que van desde el rojo al violeta más oscuro, pasando por toda la gama de infinitos colores, pues desde el punto de vista físico, aunque nuestro ojo no pueda distinguirlo, cada color es simplemente una onda electromagnética dentro de ese conjunto caracterizado por un determinado valor de su frecuencia, por eso a este espectro se le denomina continuo ya que están todos los valores posibles de la frecuencia dentro de unos márgenes. En el caso que nos ocupa, la luz visible, las frecuencias van desde 3,40 10¹⁴Hz que corresponde al rojo más oscuro a 7, 89 10¹⁴Hz que correspondería al violeta más oscuro. Más allá de estos valores nuestros ojos no se impresionan con la luz y literalmente hablando, veríamos "negro".

El espectro discontinuo de la luz emitida o absorbida por los átomos.

En 1859 el físico aleman Gustav Kirchhoff hace un descubrimiento de capital importancia tanto par el desarrollo futro de la Química como para el desarrollo de la Física. Examinando a través de un prisma la luz emitida por sustancias elementales que estaban en estado incandescente al calentarlas con la la llama de un mechero, observa que está formada por franjas muy estrechas o rayas de color. Además, cada elemento que emitía, lo hacía conforme a unas rayas distintas. Esto le permitió por ejemplo, descubrir nuevos elementos en concreto, el rubidio y el cesio, presentes en la Tierra en pequeñas cantidades. El helio que se decubrió al analizar la luz solar durante un eclipse en 1868 por Jansen y Lockier, tardó mucho tiempo en detectarse en la Tierra. En definitiva, el análisis de la luz emitida por un elemento casi se puede decir que es como encontrar sus huellas dactilares, una prueba inequívovca de su existencia.

La pregunta que se formulaban los físicos de finales del siglo XIX era muy simple, ¿porqué los átomos emiten luz en estado incaandescente en unas frecuencias determinadas y no en otras, o más aún , en todas las frecuencias de la luz visible?

A este tipo de espectros se le llamó discontinuo o discreto porque faltaban frecuencias características de determinados colores.

Paralelamente también se desarrolló la técnica contraria. En vez de analizar la luz emitida y duispersada por un prisma, se analizaba la luz absorbida, para ello se hacía pasar luz blanca a traves de una fina lámina de material (tan fina que debería ser translúcida) y posteriormente se hacía dispersar mediante un prisma la luz que había atravesado la muestra. Lo que se encontraba en el caso de las sustancias elementales es que parte de esa luz blanca había sido absorbida pues ene el espectro faltaban estrechas franjas (rayas) que correspondían a frecuencias determinadas y que aparecían como rayas negras en el mismo. Las frecuencias a las que aparecían estas rayas eran las frecuencias absorbidas por el elemento. Kirchhoff demostró que las frecuencias a las que un elemento emite son las mismas que absorbe lo cual tampoco tenía niguna explicación.

El espectro del hidrógeno

Uno de los elementos de los que mejor se conocía su espectro de emisión era el hidrógeno. En 1885 Balmer, fisico suizo, demostró que las frecuencias a las que emitía el hidrógeno en el rango de la luz visible, se podían calcular mediante una sencilla relación matemática:

f = R(1/4 - 1/m²)

donde f era la frecuencia a la que aparecía la raya, m era un número natural que adoptaba los valores 3, 4, 5, 6... y R era una constante cuyo valor daremos después.

Algún tiempo después, se comprobó que el hidrógeno podía emitir también en el ultravioleta y en el infrarrojo. A principios del siglo XX ya se conocía con bastante exactitud todas las frecuencias a las que emitía el hidrógeno. Rydberg demostró que todas ellas obdecían a la misma ecuación matemática:

f = R(1/n²- 1/m²)

donde n y m eran números naturales (1,2,3...) y siempre debe ser n<m. La constante R , llamada constante de Rydberg, tiene un valor aproximado de 3,2887 10¹⁵ Hz.

La razón de porqué el espectro de emisión del hidrógeno se ajustaba a esa fórmula y la presencia de los número naturales n y m en la citada ecuación era un misterio. Sin saberlo, los científicos habían encintrado la primera propiedad cuántica del átomo.

[24]

La descomposición de la luz blanca en su espectro por las gotas de lluvia (arco iris) o mediante un risma de cuarzo son el mismo fenómeno fñisico . [25]

El físico alemán Gustav Kirchhoff (1824-1877). Trabajó en los campos de la electricidad y de la espectroscopía. Descubrió que cada elemento tenía un espectro distinto. [26]

El espectro de la luz visible desde el rojo al violeta. En ambos extremos empiezan el infrarrojo y el ultravioleta que aparecen de color negro, pues no son perceptibles por el ojo humano. [27]

Espectro de emisión del fe . Se observan las rayas que corresponden a frecuencias qe van desde el rojo al violeta. [28]

Espectro de emisión del Na (imagen superior) y de absorción (inferior). En el de emisión se observan las rayas de luz correspondientes a las frecuencias de luz emitidas . En el de absorción se observan rayas negras que corresponden a las frecuencias de luz que han sido absorbidas. [29] [30]

Espectro de emisión del H perteneciente al visible , también denominado serie de Balmer. Se puede observar cuatro rayas la de la izquierda pertenenciente al rojo más pálido, la última perteneciente al violeta ya casi en la frontera del ultravioleta. [31]

La hipótesis de los "cuantos" de Planck

En 1900, basándose en trabajos suyos anteriores, el físico alemán Max Planck enunció un principio o hipótesis para explicar la absorción-emisión de la energía electromagnética por parte de la materia. En términos sencillos podemos enunciarlo asi:

-La materia absorbe o emite energía en valores que son múltiplos de una cantidad mínima o cuanto de energía que se puede calcular mediante la ecuación

E = hf

La constante h, denominada constante de Planck, tiene un valor de 6, 6207 10^-34Js y f es la frecuencia de la radiación electromagnética. A la cantidad hf se la denomina cuanto de energía de la radiación .

El principio enunciado por Planck, nos resulta un poco oscuro. En realidad, y de la forma más simple posible, lo que nos está diciendo Planck es que la materia en su conjunto, cuando absorbe o emite radiación electromagnética, no puede hacerlo en cantidades cualesquiera sino que tales cantidades de energía vienen condicionadas por dos factores:

-La frecuencia de la radiación.
-La cantidad total de energía será 1, 2, 3... cuantos ( hf ) de energía, pero nunca puede ser un número fraccionario.

De nuevo nos aparece un número natural 1,2,3... y además la energía se emite o se absorbe por parte de la materia en cantidades discretas no coontinuas.

La adopción de la hipótesis de Planck dió origen a la Física Cuántica y al modelo cuántico del átomo.

Max Planck (1858-1947), físico alemán precursor de la Teoría Cuántica. Obtuvo el Premio Nobel en 1821 [33]

La explicación de Einstein a los cuantos de Planck y la naturaleza dual de la luz

En 1905 Albert Einstei para explicar las leyes de un fenómeno físco conocido como efecto fotoeléctrico y cuya descripción pertenece más de un curso de Física que de Química, desveló el misterio de los cuantos de Planck. En concretó, Einstein mostró que si se pensaba que la luz no era una radiación continua de energía sino que estaba formada por "pequeños paquetes" de energía cuyo valor era el del cuanto de Planck, la emisión, absorción de la luz por parte de la materia en múltiplos del valor del cuanto era facilmente explicable. No se podría absorber-emitir una cantidad menor que un cuanto porque está era la cantidad más pequeña de energía que podía portar la luz y por tanto, la mínima que se podía abosrober o emitir. Del mismo modo, el número de cuantos siempre tenía que ser entero, nunca fraccionario, porque no existían en la luz cantidades inferiores a un cuanto.Albert Einstein llegó más lejos. Los paquetes de enrgía o cuantos de luz, tenían el caracter de partícula o corpúsculo, y hoy en día los denominamos fotones (del griego φωτός , luz) . Al pensar de esta manera, Einstein consideraba a la luz como un chorro de fotones y así podía explicar el efecto fotoeléctrico. Sin embargo otros fenómenos que sufre la luz (difracción, interferencias) solamente se pueden explicar suponiendo que la luz es una onda.

La Física Cuántica zanjó esta cuestión: la luz se comporta de las dos maneras, como ondas y como partículas y es las dos cosas a la vez, por lo que se dice que su naturaleza es dual. Tal dualidad se generaliza en la Física Cuántica, pues una partícula elemental por ejemplo, un electrón, se puede comportar como una onda como veremos posteriormente.

Continuar

Albert Einstein (1879-1955), fiísico nacido en Alemania, de la que huyó durante el dominio nazi ya que era judío, nacionalizándose estadounidense. Solamente ganó un Premio Nobel, el de Física en 1821. Cualquiera de las teorías que desarrolló, revolucionaron el pensamiento científico y filosófico y le debían haber concediddo alguno más. [33]

LA TEORÍA ATÓMICA (V): LOS ESPECTROS ATÓMICOS Y LA RUPTURA CON LA FÍSICA CLÁSICA A lo largo del último cuarto de del siglo XIX se desarrolló una técnica que hoy denominamos espectrosocpía de emisión atómica. Con ella, los científicos de aquel entonces, puderon descubrir elementos desconocidos como por ejemplo, los gases nobles. Sin embargo, la explicación de los espectros fueuna tarea ardua y difícil que desembocó en una ruptura con la física clásica y el advenimiento de una nueva teoría, la Física Cuántica
Las ondas electromagnéticas. En 1865 el científico británico James ClerK Maxwell , desarrolló una serie de ecuaciones que demostraban que una campo electromagnético podía propagarse en forma de ondas. En 1885 Hertz, un físico aleman produjo y detectó las ondas predichas por Maxwell e, incluso, midió su velocidad que resultó ser muy próxima a la que calculó Maxwell, 300000 km/s. En realidad, Maxwell había producido y detectado lo que hoy llamamos ondas de radio. La medición de la velocidad de la luz por Foucault en 1862 había arrojado un valor muy próximo al de las ondas de Hertz y al valor predicho por Maxwell y esto llevó a considerar que las ondas electromagneticas eran un conunto de ondas muy diverso en su manifestación y sin embargo, en el fondo, se trataba del mismo fenómeno físico. En 1800 Herschel había descubierto que con la luz solar se transmitía otra radiación que ocasionaba un aumento de temperatura y que se desviaba más que la luz de color rojo al atravesar un prisma. Tal radiación se conoce con el nombre de infrarrojo y es una radiación electromagnética más. En 1801 detectó que al otro lado, más allá de la luz violeta, aunque no se viera, había una radiación capaz de ennegrcer las sales de plata. Esta radiación se denomina ultravioleta y es un componente más de las radiaciones electromagnéticas. En 1895, Röntgen descubre una radiación proviniente de un tubo de rayos catódicos que estaba tapado con una funda y que era capaz de producir luminiscencia en una sal de bario y era capaz de impresionar una placa fotográfica tapada y muy lejos del tubo der ayos catódicos. Esa radiación se denomina rayos X.	James Clerk Maxwell (1831-1879), físico británico que esclareció las leyes del electromagnetismoo. Predijo las ondas electromagnéticas de una forma teórica, como resultado de las ecuaciones que elaboró [23] .
Ya hemos hablado de los rayos γ en el capítulo anterior como parte de la radiación electromagnética. Finalmente, las microondas serían el último componente que se descubrió perteneciente al conjunto de ondas electromagnéticas, están situadas entre las ondas de radio y el infrarojo.Una cosa nos debe quedar claro, se denominen como se denominen y causen los efectos que causen, todas las ondas electromagnéticas tienen la misma natualeza y son el mismo fenómeno físico. Porqué vemos la luz roja o porque una radiación γ produce tremendas quemaduras y cáncer, solamente tiene que ver con una constante característica de toda onda: su frecuencia y como consecuencia de ésta, la energía que puede transportar.
El espectro continuo de la luz. Fue Isaac Newton quien observó y explicó porqué un prisma descompone la luz blanca (la luz emitida por el Sol) en distintas luces de colores. El fenómeno es el mismo que observamos al contemplar un arco iris; en este caso las gotas de lluvia hacen la vez de prismas. Al atravesar el prisma las distintas ondas electromagnéticas que forman el conjunto de la luz visible se separan entre si y forman el llamado espectro de la luz visible que no es otra cosa que todo el conjunto de frecuencias que van desde el rojo al violeta más oscuro, pasando por toda la gama de infinitos colores, pues desde el punto de vista físico, aunque nuestro ojo no pueda distinguirlo, cada color es simplemente una onda electromagnética dentro de ese conjunto caracterizado por un determinado valor de su frecuencia, por eso a este espectro se le denomina continuo ya que están todos los valores posibles de la frecuencia dentro de unos márgenes. En el caso que nos ocupa, la luz visible, las frecuencias van desde 3,40 10¹⁴Hz que corresponde al rojo más oscuro a 7, 89 10¹⁴Hz que correspondería al violeta más oscuro. Más allá de estos valores nuestros ojos no se impresionan con la luz y literalmente hablando, veríamos "negro". El espectro discontinuo de la luz emitida o absorbida por los átomos. En 1859 el físico aleman Gustav Kirchhoff hace un descubrimiento de capital importancia tanto par el desarrollo futro de la Química como para el desarrollo de la Física. Examinando a través de un prisma la luz emitida por sustancias elementales que estaban en estado incandescente al calentarlas con la la llama de un mechero, observa que está formada por franjas muy estrechas o rayas de color. Además, cada elemento que emitía, lo hacía conforme a unas rayas distintas. Esto le permitió por ejemplo, descubrir nuevos elementos en concreto, el rubidio y el cesio, presentes en la Tierra en pequeñas cantidades. El helio que se decubrió al analizar la luz solar durante un eclipse en 1868 por Jansen y Lockier, tardó mucho tiempo en detectarse en la Tierra. En definitiva, el análisis de la luz emitida por un elemento casi se puede decir que es como encontrar sus huellas dactilares, una prueba inequívovca de su existencia. La pregunta que se formulaban los físicos de finales del siglo XIX era muy simple, ¿porqué los átomos emiten luz en estado incaandescente en unas frecuencias determinadas y no en otras, o más aún , en todas las frecuencias de la luz visible? A este tipo de espectros se le llamó discontinuo o discreto porque faltaban frecuencias características de determinados colores. Paralelamente también se desarrolló la técnica contraria. En vez de analizar la luz emitida y duispersada por un prisma, se analizaba la luz absorbida, para ello se hacía pasar luz blanca a traves de una fina lámina de material (tan fina que debería ser translúcida) y posteriormente se hacía dispersar mediante un prisma la luz que había atravesado la muestra. Lo que se encontraba en el caso de las sustancias elementales es que parte de esa luz blanca había sido absorbida pues ene el espectro faltaban estrechas franjas (rayas) que correspondían a frecuencias determinadas y que aparecían como rayas negras en el mismo. Las frecuencias a las que aparecían estas rayas eran las frecuencias absorbidas por el elemento. Kirchhoff demostró que las frecuencias a las que un elemento emite son las mismas que absorbe lo cual tampoco tenía niguna explicación. El espectro del hidrógeno Uno de los elementos de los que mejor se conocía su espectro de emisión era el hidrógeno. En 1885 Balmer, fisico suizo, demostró que las frecuencias a las que emitía el hidrógeno en el rango de la luz visible, se podían calcular mediante una sencilla relación matemática: f = R(1/4 - 1/m²) donde f era la frecuencia a la que aparecía la raya, m era un número natural que adoptaba los valores 3, 4, 5, 6... y R era una constante cuyo valor daremos después. Algún tiempo después, se comprobó que el hidrógeno podía emitir también en el ultravioleta y en el infrarrojo. A principios del siglo XX ya se conocía con bastante exactitud todas las frecuencias a las que emitía el hidrógeno. Rydberg demostró que todas ellas obdecían a la misma ecuación matemática: f = R(1/n²- 1/m²) donde n y m eran números naturales (1,2,3...) y siempre debe ser n<m. La constante R , llamada constante de Rydberg, tiene un valor aproximado de 3,2887 10¹⁵ Hz. La razón de porqué el espectro de emisión del hidrógeno se ajustaba a esa fórmula y la presencia de los número naturales n y m en la citada ecuación era un misterio. Sin saberlo, los científicos habían encintrado la primera propiedad cuántica del átomo.	[24] La descomposición de la luz blanca en su espectro por las gotas de lluvia (arco iris) o mediante un risma de cuarzo son el mismo fenómeno fñisico . [25] El físico alemán Gustav Kirchhoff (1824-1877). Trabajó en los campos de la electricidad y de la espectroscopía. Descubrió que cada elemento tenía un espectro distinto. [26] El espectro de la luz visible desde el rojo al violeta. En ambos extremos empiezan el infrarrojo y el ultravioleta que aparecen de color negro, pues no son perceptibles por el ojo humano. [27] Espectro de emisión del fe . Se observan las rayas que corresponden a frecuencias qe van desde el rojo al violeta. [28] Espectro de emisión del Na (imagen superior) y de absorción (inferior). En el de emisión se observan las rayas de luz correspondientes a las frecuencias de luz emitidas . En el de absorción se observan rayas negras que corresponden a las frecuencias de luz que han sido absorbidas. [29] [30] Espectro de emisión del H perteneciente al visible , también denominado serie de Balmer. Se puede observar cuatro rayas la de la izquierda pertenenciente al rojo más pálido, la última perteneciente al violeta ya casi en la frontera del ultravioleta. [31]
La hipótesis de los "cuantos" de Planck En 1900, basándose en trabajos suyos anteriores, el físico alemán Max Planck enunció un principio o hipótesis para explicar la absorción-emisión de la energía electromagnética por parte de la materia. En términos sencillos podemos enunciarlo asi: -La materia absorbe o emite energía en valores que son múltiplos de una cantidad mínima o cuanto de energía que se puede calcular mediante la ecuación E = hf La constante h, denominada constante de Planck, tiene un valor de 6, 6207 10^-34Js y f es la frecuencia de la radiación electromagnética. A la cantidad hf se la denomina cuanto de energía de la radiación .
El principio enunciado por Planck, nos resulta un poco oscuro. En realidad, y de la forma más simple posible, lo que nos está diciendo Planck es que la materia en su conjunto, cuando absorbe o emite radiación electromagnética, no puede hacerlo en cantidades cualesquiera sino que tales cantidades de energía vienen condicionadas por dos factores: -La frecuencia de la radiación. -La cantidad total de energía será 1, 2, 3... cuantos ( hf ) de energía, pero nunca puede ser un número fraccionario. De nuevo nos aparece un número natural 1,2,3... y además la energía se emite o se absorbe por parte de la materia en cantidades discretas no coontinuas. La adopción de la hipótesis de Planck dió origen a la Física Cuántica y al modelo cuántico del átomo.	Max Planck (1858-1947), físico alemán precursor de la Teoría Cuántica. Obtuvo el Premio Nobel en 1821 [33]
La explicación de Einstein a los cuantos de Planck y la naturaleza dual de la luz En 1905 Albert Einstei para explicar las leyes de un fenómeno físco conocido como efecto fotoeléctrico y cuya descripción pertenece más de un curso de Física que de Química, desveló el misterio de los cuantos de Planck. En concretó, Einstein mostró que si se pensaba que la luz no era una radiación continua de energía sino que estaba formada por "pequeños paquetes" de energía cuyo valor era el del cuanto de Planck, la emisión, absorción de la luz por parte de la materia en múltiplos del valor del cuanto era facilmente explicable. No se podría absorber-emitir una cantidad menor que un cuanto porque está era la cantidad más pequeña de energía que podía portar la luz y por tanto, la mínima que se podía abosrober o emitir. Del mismo modo, el número de cuantos siempre tenía que ser entero, nunca fraccionario, porque no existían en la luz cantidades inferiores a un cuanto.Albert Einstein llegó más lejos. Los paquetes de enrgía o cuantos de luz, tenían el caracter de partícula o corpúsculo, y hoy en día los denominamos fotones (del griego φωτός , luz) . Al pensar de esta manera, Einstein consideraba a la luz como un chorro de fotones y así podía explicar el efecto fotoeléctrico. Sin embargo otros fenómenos que sufre la luz (difracción, interferencias) solamente se pueden explicar suponiendo que la luz es una onda. La Física Cuántica zanjó esta cuestión: la luz se comporta de las dos maneras, como ondas y como partículas y es las dos cosas a la vez, por lo que se dice que su naturaleza es dual. Tal dualidad se generaliza en la Física Cuántica, pues una partícula elemental por ejemplo, un electrón, se puede comportar como una onda como veremos posteriormente. Continuar	Albert Einstein (1879-1955), fiísico nacido en Alemania, de la que huyó durante el dominio nazi ya que era judío, nacionalizándose estadounidense. Solamente ganó un Premio Nobel, el de Física en 1821. Cualquiera de las teorías que desarrolló, revolucionaron el pensamiento científico y filosófico y le debían haber concediddo alguno más. [33]