EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL CONCEPTO MASADANIELA ESTRADA DANIELA MOLINA

MATERIA: El calor, la materia y nuestra vida PROFESOR: Eliécer Fajardo Olivieros

MAYO 2011

Contenido1. OBJETIVOS...........................................................................................................................3

1.1. Generales........................................................................................................................3

1.2. Específicos......................................................................................................................3

2. INTRODUCCIÓN................................................................................................................4

3. GLOSARIO.........................................................................................................................5

4. DESARROLLO DEL TEMA................................................................................................6

4.1. El átomo en la antigüedad...........................................................................................6

4.1.1. Empédocles490-430 A.C:....................................................................................6

4.1.2. Aristoteles(384  – 322 A. C.) :.............................................................................7

4.1.3. Leucipo – Demócrito 460 – 370 A.C:...................................................................7

4.2. Teoría atómica de John Dalton-1805 D.C...................................................................7

4.3. Teoría atómica de Joseph Thompson-1897 D.C.........................................................8

4.4. Teoría atómica de Ernest Rutherford-1911.................................................................9

4.5. Dualidad de la luz: partícula y onda..........................................................................11

4.6. Modelo atómico de Bohr-1913..................................................................................12

4.7. Modelo de Sommerfeld 1916:...................................................................................13

4.8. Modelo mecánico cuántico de la materia-1924.........................................................14

4.9. Erwin Schrodinger y los números cuánticos -1926..................................................14

4.10. Descubrimiento del neutrón James Chadwick-1932:.............................................15

4.11. El átomo y la tabla periódica..................................................................................15

4.12. Proliferación de otras partículas subatómicas.......................................................17

4.13. Modelo estándar: quarks y fuerzas........................................................................18

4.14. Teoría de las cuerdas............................................................................................21

5. CONCLUSIONES.................................................................................................................22

6. BIBLIOGRAFÍA.....................................................................................................................23

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1. OBJETIVOS

1.1. Generales Describir la evolución del concepto de masa a lo largo de la historia Analizar la influencia que ha tenido la evolución del concepto masa sobre la vida del ser

humano Averiguar sobre el problema de la dualidad de la materia

1.2. Específicos Organizar de manera cronológicamente los modelos atómicos Identificar a los creadores de los modelos atómicos Describir las características de cada una de las teorías atómicas Reconocer los aportes que los modelos atómicos dieron al entendimiento del concepto

masa Entender el proceso por el cual se llego a la conclusión de que toda la materia es onda

y partícula Explicar la relación entre el átomo y la tabla periódica Reconocer la estructura interna de los átomos Reconocer la estructura interna de las subpartículas Entender la teoría de cuerdas

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2. INTRODUCCIÓN

¿De qué está hecha la materia? Desde épocas antiguas esa ha sido una pregunta que ha intrigado al ser humano, muchos han incursionado en el mundo filosófico y científico tratando de hallar una respuesta. Este trabajo expone cronológicamente las diversas respuestas y modelos atómicos que se han expuesto a lo largo de la historia del ser humano.

Nos remontaremos a la época antes del nacimiento de Cristo donde nos encontramos con filósofos como: Empédocles, Aristóteles, Epicuro, Leucipo y Demócrito, después saltaremos al año 1850 D.C con la teoría atómica de John Dalton y describiremos de ahí en adelante los cambios que se dieron en menos de 200 años hasta llegar a la teoría de cuerdas. En este trabajo asociaremos la evolución del concepto de masa con la energía y el problema de la dualidad y explicaremos en detalle conceptos tales como átomo, elemento, electrón, protón, neutrón, quark, número cuántico, entre otros.

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3. GLOSARIO Cámara de niebla de Wilson: Consistían básicamente en un recinto lleno de aire

saturado con una sustancia semejante al vapor de alcohol. Cuando una partícula avanza en su interior arranca electrones a los átomos que encuentra a su paso: los ioniza. Si la cámara dispone de un pistón, que después de la ionización de los átomos comprime el recipiente, se produce una condensación alrededor de los átomos ionizados. El resultado es una estela de gotas visibles en la cámara a lo largo de la trayectoria seguida por la partícula. Si generamos un campo magnético en el interior de la cámara la trayectoria de la partícula estudiada se verá perturbada curvándose en función de su carga.

GeV: El electronvoltio (símbolo eV), es una unidad de energía equivalente a la energía cinética que adquiere un electrón al ser acelerado por una diferencia de potencial en el vacío de 1 voltio. Dicho valor se obtiene experimentalmente por lo que no es una cantidad exacta. 1 eV = 1,602176462 × 10-19 J.

Radiactividad: propiedad que poseen los átomos de emitir radiaciones, las cuales son partículas subatómicas.

Rayos alfa: son partículas formadas por dos protones y dos neutrones, por lo que poseen una carga positiva igual a dos veces la carga de un protón. Debido a que la masa y el volumen de las partículas alfa son relativamente elevados, estas radicaciones viajan a una velocidad baja.

Rayos beta-: se trata de haces de electrones, 7000 veces más pequeños que los rayos alfa, y que viajan a una velocidad cercada a la de la luz, y tienen una capacidad de penetración media.

Rayos beta +: son haces de partículas similares a los electrones pero con carga positiva, denominadas positrones, tiene las mismas propiedades de los rayos eta- en cuanto a masa, velocidad y capacidad de penetración. Cuando se choca con un electrón se aniquilan mutuamente, convirtiéndose en energía electromagnética.

Rayos gamma: son radiaciones electromagnéticas, no tienen masa y tienen una gran capacidad de penetración y gran contenido energético.

Valencia atómica: valencia, también conocida como número de valencia, es una medida de la cantidad de enlaces químicos formados por los átomos de un elemento químico.

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4. DESARROLLO DEL TEMA

4.1. El átomo en la antigüedad

Los filósofos griegos discutieron mucho acerca de la naturaleza de la materia y concluyeron que el mundo era más simple de lo que parecía. El orden cronológico en que evolucionaron sus ideas fue:

4.1.1. Empédocles490-430 A.C:1

Empédocles de Sicilia postuló la teoría de las cuatro raíces que explicaba que cualquier sustancia natural se hallaba formada por la combinación de cuatro elementos en las proporciones adecuadas. Esos elementos eran el agua de Tales de Mileto, el fuego de Heráclito, el aire de Anaxímenes y la tierra de Jenófanes . Cada una de esas raíces era eterna e imperecedera, pero al mezclarse entre sí daban lugar a la diversidad de seres y cambios que se observaban en el mundo. La mezcla de los elementos era producido por dos fuerzas cósmicas: el amor y el odio. El Amor tendía a unir a los elementos y el Odio los separaba.

Para Empédocles, los seres son mezclas en proporciones diversas de los cuatro elementos, y las diferencias cualitativas que se observan se explican justamente porque las cantidades que tienen de dichos elementos.

GRÁFICO 1

1Empédocles. http://es.wikipedia.org/wiki/Emp%C3%A9docles

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4.1.2. Aristoteles(384  – 322 A. C.) :

El filósofo griego Aristóteles retomó la teoría de Empédocles y llamó a esas cuatro raíces elementos. “Sostiene además que todos los cielos, y cada partícula de materia en el universo, estaban formados a partir de otro elemento, que era el quinto y que él llamó 'aether' (también designado como "éter"), el cual se suponía que no tenía peso, era invisible y era "incorruptible". Al éter también se lo llamaba 'quintaesencia'”2.

A diferencia de los cuatro elementos (agua, tierra, aire y viento), el éter era un elemento más ligero y perfecto. También pensaba que cada uno de los cuatro elementos que formaban la Tierra tenía una tendencia a juntarse. Por ejemplo, el humo está principalmente formado de aire, y era por eso que cuando se producía éste se elevaba puesto que así se podía poner contacto con el aire que formaba el cielo. Sólo era posible evitar esa tendencia a agruparse con otros elementos similares mediante la acción de alguna fuerza.

4.1.3. Leucipo – Demócrito 460 – 370 A.C3:

Al mismo tiempo que se formulaba la teoría de las raíces, se fundaba la teoría atomista. Sus creadores fueron Leucipo y a Demócrito de Abdera. Leucipo fue el primero que pensó en dividir la materia hasta obtener una partícula tan pequeña que no pudiera dividirse más. Demócrito llamó a esos trozos: átomos, donde “a” singnifica “sin” y “tomo” significa “división". De tal forma que habría átomos para cada clase de materia, por ejemplo, habría átomos de banano, de madera, de piedra, y así sucesivamente.

Estos atómos se caracterizaban por “ser eternos, indivisibles, homogéneos e invisibles y siempre en movimiento. Se diferencian en su forma y tamaño, y las propiedades físicas de la materia variaban según el agrupamiento de los átomos”4. Entre átomo y átomo habría espacios vacíos entre partícula y partícula. Y con este aporte dieron los primeros principios de cuantificación de la masa.

4.2. Teoría atómica de John Dalton-1805 D.C

John Dalton a través de su obra Nuevo sistema de la filosofía química retoma las ideas propuestas por los griegos Demócrito y Leucipo, y propone la primera teoría atómica dentro del marco de la química moderna. Su propuesta nace de la necesidad que existía para explicar las leyes químicas tales como ley de la conservación de la materia y la ley de las proporciones definidas. De tal forma que es Dalton el primero que verdaderamente establece una relación entre átomos y la idea de masa.

La teoría de Dalton tiene tres postulados básicos:

2 http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_aristot%C3%A9lica3 http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo4 http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema4/index4.htm

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a. “La materia está constituida por átomo, los cuales son partículas indivisibles e indestructibles.b. Los átomos que componen una sustancia elemental son semejantes entre sí en relación a la

masa, tamaño, propiedades químicas y cualquier otra característica, y difieren de aquellos que componen otros elementos.

c. Los átomos se combinan para formar entidades compuestas. En esta combinación los átomos de cada uno de los elementos involucrados están presentes en proporciones definidas y enteras. Así mismo dos o más elementos pueden unirse en diferentes proporciones para formar diferentes compuestos.”5

GRÁFICO 2 Ejemplo de átomos de John Dalton

4.3. Teoría atómica de Joseph Thompson-1897 D.C6

4.3.1. AntecedentesLa construcción del modelo atómico de Thompson nace a partir del descubrimiento de una partícula subatómica (electrón) puesto que eso destruye la idea de que el átomo es una partícula indivisible. El físico inglés William Crooks descubrió los rayos catódicos en 1879 cuando se encontraba realizando un experimento alrededor de un dispositivo cuyo nombre era tubo de rayos catódicos (Ver GRÁFICO 3). Éste consiste en un tubo de vidrio provisto de dos electrodos que están herméticamente soldados en los extremos de éste y a través de los cuales pasa una corriente eléctrica. Él observó que cuando se retiraba el aire presente en el interior del tubo, aparecía un resplandor que nacía en el electrodo negativo (cátodo) y viajaba en dirección hacia el electrodo positivo (ánodo), por lo que esos haces de luz debían estar cargados negativamente, y los denominó rayos catódicos. Posteriormente en 1895 Joseph Thompson llega a la conclusión de que los rayos son partículas negativas más pequeñas que los átomos, y los nombra electrones.

5 Química Inorgánica. Editorial Santillana Bogotá 2005 p. 366 Química Inorgánica. Editorial Santillana Bogotá 2005 p. 37http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo#Modelo_de_Thomson

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GRÁFICO 3 Tubo de rayos catódicos

4.3.2. Modelo atómico de Thompson Ya en 1904 Thompson establece su modelo atómico. Éste consiste en una parte positiva que se encuentra distribuida uniformemente por todo el volumen del átomo y en la cual están inmersos los electrones. Thompson describía esta situación como “como las pasas de un pudín” (Ver GRÁFICO 4) en donde la cantidad de cargas positivas debía ser igual a la negativa, por lo que el átomo era neutro. Este modelo permitía explicar la formación de iones. En el caso de que el átomo perdiera un electrón, el átomo sería un ion positivo; y si ganaba, la carga final sería negativa por lo que sería un ion negativo.

GRÁFICO 4 ÁTOMO DE THOMPSON

4.4. Teoría atómica de Ernest Rutherford-19114.4.1. Antecedentes 7

7 Química Inorgánica. Editorial Santillana Bogotá 2005 p. 38-39

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El descubrimiento de la radiactividad en 1896 con Henri Bequerel fue decisivo para la elaboración de este modelo. Este científico descubrió que los minerales de uranio eran capaces de velar una placa fotográfica en ausencia de luz externa, y concluyó que estos poseían la propiedad de emitir raciones de forma espontánea. Rutherford le interesó mucho este tema y fue el descubridor de tres de las cuatro tipos de radiaciones (rayos alfa, beta y gamma).

Esos descubrimientos fueron importantes porque Rutherford utilizo los rayos alfa, emitido por el polonio (elemento radiactivo), para golpear una delgada lámina de oro. Rutherford observó que no todas las partículas alfas atravesaron la lámina de oro, algunas de ellas rebotaban hasta el punto de revertir completamente la dirección de su trayectoria (Ver GRÁFICO 5).

GRÁFICO 5 Experimento de la lámina de oro

4.4.2. Modelo-1911 D.C8

Su modelo atómico consistía en que el átomo debía tener un concentración de carga positiva en el centro del átomo y ahí se concentraba el 99.95% de la masa atómica, lo cual denomino núcleo atómico y donde posteriormente ubico a los protones. Él llego a esa conclusión puesto que las partículas alfa eran positivas y éstas eran rechazadas al chocar contra los “núcleos” de los átomos. También estableció que el radio del átomo era diez mil veces mayor que el núcleo mismo, por lo que los electrones debían mantenerse en constante movimiento en torno al centro del átomo y a una cierta distancia del mismo. Como no todas las partículas alfas rebotaron y cambiaron su dirección, si no que de hecho algunas atravesaron la lámina de oro llegó a la conclusión de que gran parte del volumen del átomo era espacio vacío. Por último postula, al igual que Thompson, que el átomo era neutro debido a que las cargas negativas de los electrones contrarrestaban la carga positiva de los protones ubicados en el núcleo.

8 Modelo atómico de Rutherford. http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Rutherford

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Este modelo era físicamente inestable según los postulados de la física clásica, la cual dictamina que toda partícula cargada y acelerada que emite energía, en la forma de radiaciones electromagnéticas, la va perdiendo a medida que pasa el tiempo. El electrón era una partícula con carga negativa y acelerada que giraba alrededor del núcleo; en consecuencia y siguiendo los postulados de la física clásica, el electrón debería perder energía continuamente hasta terminar precipitándose sobre el núcleo, lo que daría lugar a un colapso atómico”, pero lo anterior no sucedía.

4.4.3. Descubrimiento del protón 1918Rutherford siguió experimentando con los rayos alfa y en 1918 “tras bombardear gas nitrógeno con partículas alfa, observó que el gas emitía núcleos de hidrógeno. Rutherford concluyó que los núcleos de hidrógeno procedían de los núcleos de los mismos átomos de nitrógeno. El hidrógeno con una masa atómica de 1, lo llevó a afirmar que los núcleos de hidrógeno eran partículas más pequeñas que los átomos a los cuales llamo protones, estos tenían una carga positiva y hacían parte de todos los núcleos atómicos” 9. Además llego a la conclusión de que el protón tiene una masa 1.836 veces superior a la de un electrón. Debido a que la masa atómica de los átomos era superior a la que se contabilizaba sólo contando los protones, él supuso la existencia de una tercera partícula subatómica que debía ser neutra.

4.5. Dualidad de la luz: partícula y onda10

El modelo atómico de Rutherford tampoco explicaba los espectros atómicos. Estos se relacionan con la luz, la cual era considerada como una onda electromagnética que podía propagarse en el vacío. La naturaleza ondulatoria de la luz había sido establecida por Maxwell en 1861; sin embargo, esa naturaleza no podía explicar el efecto fotoeléctrico. A continuación se explicara como Max Plank y Albert Einstein resolvieran este acertijo, y cómo sus teorías ayudaron indirectamente a la postulación de un nuevo modelo atómico.

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por una placa metálica cuando se hace incidir sobre ella radiaciones electromagnéticas. De acuerdo con la naturaleza ondulatoria de la luz, estos electrones sólo se desprenderían de sus átomos al recibir una cantidad de energía suficientemente grande. Sin embargo se observaba que los electrones se desprendían inmediatamente después de ser estimulados por la luz, y que el color de la luz empleada tenía una relación con el fenómeno.

Max Plank se puso a analizar que pasaba cuando aplicaba diferentes tipos de luces (ultravioletas, azules, rojas), es decir con luces que tienen diferente frecuencia, sobre una placa metálica. Y se dio cuenta que dependiendo de la frecuencia de la luz que utilizaba los electrones salían con un vector de velocidad diferente. Después quiso saber que pasaba si aumentaba la intensidad de la luz y encontró que aun con más intensidad la cantidad de energía con que salían los electrones era la misma. Lo que si cambiaba era el número de electrones que salían disparados, a mayor intensidad mayor número de electrones que salían.

9 Protón. http://es.wikipedia.org/wiki/Prot%C3%B3n10 Química Inorgánica. Editorial Santillana Bogotá 2005 p. 46-48

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Max propuso en 1900 que la radiación no se presentaba de manera continua, sino en forma de cantidades discretas de energía. El tamaño de cada una sería directamente proporcional a la frecuencia de la radiación emitida o absorbida y la magnitud de energía intercambiada debería ser un múltiplo de esta unidad. La formula de esto es: E=h∗f donde E es la energía, f

la frecuencia y h es una constante ( 6.6*10−34 julios∗s).

Posteriormente, en 1905 Albert Einstein utilizo la teoría de Plank para sugerir que la luz estaba formada por paquetes de energía a los que llamo cuantos, cada uno de los cuales poseía una energía igual a hf. De lo anterior se deduce que la luz de alta frecuencia tiene cuantos más energéticos que los de baja frecuencia. Einstein considero el efecto fotoeléctrico como el choque de dos partículas: un fotón y un electrón, en el cual, un electrón sólo sería expulsado por un fotón suficientemente grande. Con lo anterior se estableció que la luz también era una partícula, es decir que la luz era dual. Por este aporte recibió en 1921 el Premio Nobel de Física.

Albert Einstein desde la Teoría Relativista estableció la equivalencia entre la materia y energía, la cual formula como11:

E=m∗c2

La fórmula establece la relación de proporcionalidad directa entre la energía E de un cuerpo en reposo y la masa m, siendo la velocidad de la luz c elevada al cuadrado la constante de dicha proporcionalidad. Este tipo de energía es distinta de la energía cinética o potencial, es simplemente la "energía en reposo". Una de las implicaciones de esta teoría es la creación de energía nuclear puesto que es posible la transformación de masa en energía. Entonces, E puede tomarse como la energía liberada cuando una cierta cantidad de masa m es desintegrada, o como la energía absorbida para crear esa misma cantidad de masa. En ambos casos, la energía (liberada o absorbida) es igual a la masa (destruida o creada) multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz. El proceso por el cual se calcula la energía nuclear es a través de la fisión de un núcleo atómico. Estos conceptos fueron utilizados para desarrollar la bomba atómica.

4.6. Modelo atómico de Bohr-1913

El modelo atómico del físico danés Niels  Bohr utilizo ideas del modelo atómico de Rutherford y lo complemento con los descubrimientos hechos por Max Planck y Albert Einstein.

En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana posible al núcleo. Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas. Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante. Este número

11 Albert Einstein. http://es.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein

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"n" recibe el nombre de “Número Cuántico Principal” y describe el nivel energético. Este modelo lo aplico al átomo de hidrógeno.

GRÁFICO 6 Número cuántico principal

“Cuando un átomo emite energía en forma de radiación, y los electrones pasan de una órbita externa a otra inferior o más cercana al núcleo. Si se absorbe energía, el electrón pasa a una órbita mayor. La cantidad de energía necesaria para pasar de un nivel a otro esta cuantizada por la ecuación de Plank. Esto resolvía el problema de Rutherford porque un electrón no puede

descender más allá de un nivel de energía mínimo” 12.

4.7. Modelo de Sommerfeld 191613:

El modelo atómico de Bohr no explicaba el porqué se podía observar electrones en un mismo nivel energético con distinta energía. En 1916, Arnold Sommerfeld perfecciona el modelo atómico de Bohr al decir que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles, es decir, energías ligeramente diferentes para un nivel energético dado, esos subniveles eran órbitas casi-elípticas para los electrones. Eso dio origen a al número cuántico secundario que determina la forma de los orbitales, se lo representa con la letra l y toma valores que van desde 0 hasta n-1. Los valores que puede tomar son:

l = 0 se denominarían posteriormente orbitales s 

l = 1 se denominarían p 

l = 2 se denominarían d 

l = 3 se denominarían f 

12 Química Inorgánica. Editorial Santillana Bogotá 2005 p. 4913 Modelo atómico de Sommerfeld http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Sommerfeld

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4.8. Modelo mecánico cuántico de la materia-1924En 1924, el físico francés, Louis-Victor de Broglie formuló una hipótesis en la que afirmaba que:

Toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico14.

De Broglie se preguntó el por qué una partícula no podía mostrar el mismo comportamiento que una onda. De tal forma que tras muchas investigaciones llego a relacionar la longitud de onda con la cantidad de movimiento de la partícula, mediante la fórmula:

donde λ es la longitud de la onda asociada a la partícula de masa m que se mueve a una velocidad v, y h es la constante de Planck. A medida que la masa del cuerpo o su velocidad aumentan, disminuye considerablemente la longitud de onda. Podría decirse entonces que los cuerpos macroscópicos, como los seres humanos, también tienen asociada una onda, pero, dado que su masa es muy grande, la longitud de onda resulta tan pequeña que en ellos se hace imposible apreciar sus características ondulatorias.

Fue después de esto que se comprobó que el electrón es tanto partícula como onda con el experimento de la doble rendija, y posteriormente se estableció que la ecuación de De Broglie se podía aplicar a toda la materia.

4.9. Erwin Schrodinger y los números cuánticos -192615

Erwin Schrodinger considero que la trayectoria definida del electrón planteada por Bohr, debía sustituirse por la probabilidad de hallarlo en una zona del átomo. Esa probabilidad también es conocida como nube de carga electrónica, en aquellas que tengan una alta densidad electrónica habrá una mayor probabilidad de encontrar un electrón. Ya que no se puede decir dónde estará el electrón en un momento t, sino cual es la probabilidad de que dicha partícula se encuentre en la zona observada en ese momento.

Erwin describe los orbitales retomando los números cuánticos de Bohr y Sommerfeld, y determina dos adiccionales16:

Número cuántico principal “n”

Toma valores enteros: 1,2,3... A mayor n más lejos se encuentra del núcleo la región de mayor densidad electrónica. A mayor n el electrón tiene mayor energía y se encuentra menos “atado” al núcleo.

  Número cuántico del momento angular ó azimutal ó secundario  : "l  "

14 Dualidad onda corpúsculo. http://es.wikipedia.org/wiki/Dualidad_onda_corp%C3%BAsculo15 Química Inorgánica. Editorial Santillana Bogotá 2005 p. 50-5116 Los números cuánticos. http://web.educastur.princast.es/proyectos/jimena/pj_franciscga/ncuanticos.htm

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Define la forma del orbital Depende de “n” y toma valores enteros  de 0 a (n-1) . Así para n=1 sólo hay un valor

posible 0. Para n=2 hay dos valores de l: 0 y 1. Para n=3 hay tres valores posibles: 0, 1 y 2.

Generalmente el valor de l se representa por una letra en vez de por su valor numérico:

 

  El número cuántico magnético “ml”

El valor del número cuántico magnético depende de l . Toma valores enteros entre -l y l , incluyendo el 0. Para cierto valor l hay (2 l +1) valores de ml

Describe la orientación del orbital en el espacio.  

El número cuántico espínUn orbital puede albergar como máximo 2 electrones. Dichos electrones se diferencian entre sí por el sentido de giro sobre su eje. Cuando dos electrones ocupan el mismo orbital, sus sentidos de giro son opuestos. Como sólo es posible dos sentidos de giro, el número cuántico de espín puede tener dos valores +1/2 o -1/. 

4.10. Descubrimiento del neutrón James Chadwick-193217:

Este personaje bombardeo placas de berilio con partículas alfa, estas placas emitieron unas partículas, que a su vez se hicieron chocar contra un bloque de parafina, ocasionando un desprendimiento de protones de éste. Este hecho hizo pensar que su masa debía ser similar a la de los protones pero como no se desviaban por la presencia de campos eléctricos, debían ser neutras. Chadwick las llamo neutrones y su masa es de 1.675 * 10 ^-24 gramos.

4.11. El átomo y la tabla periódica18

Los átomos con un mismo número atómico constituyen un elemento. Se podía decir que en ese momento la materia estaba formada básicamente por protones, electrones y neutrones puesto que estos constituían a los átomos, los cuales a su vez constituían a los elementos y estos a su vez formaban toda la materia. Desde finales del siglo XVIII el hombre empezó a tratar de organizar de manera clara y consistente los elementos químicos que había descubierto.

17 Química Inorgánica. Editorial Santillana Bogotá 2005 p. 4018 Tabla periódica http://www.mcgraw-hill.es/bcv/tabla_periodica

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Comenzó buscando semejanzas en sus propiedades físicas y químicas, y a medida que se descubrió más sobre la estructura interna del átomo, el criterio de clasificación fue evolucionando hasta el que tenemos hoy en día.

Aunque en 1913 Henry G.J. Moseley sugirió que los elementos se ordenaran de acuerdo con su número atómico en forma creciente. Hoy se acepta que la ordenación de los elementos en el sistema periódico está relacionada con la estructura electrónica de los átomos de los diversos elementos, a partir de la cual se pueden predecir sus diferentes propiedades químicas. Además, ésta también brinda información sobre las propiedades físicas (relacionadas principalmente con el número de protones o número atómico) sobre los 118 elementos que se conocen.

Las columnas verticales de la tabla periódica se les conocen como grupos y se designan con los números romanos I a VIII. Los grupos se encuentran divididos en los subgrupos A, B y Tierras raras, que no se enumeran. El número romano representa la valencia del grupo o el número de electrones en el último nivel. Todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen la misma valencia atómica, y por ello, tienen características o propiedades similares entre sí.

Las filas horizontales son conocidas como períodos y se designan con números arábigos. Cada periodo indica la iniciación del llenado de un nuevo nivel energético y termina con aquellos elementos cuyos tres orbitales p del nivel principal más externo están llenos con 6 electrones. La tabla periódica se puede también dividir en bloques de elementos según el orbital que estén ocupando los electrones más externos. Los bloques se llaman según la letra que hace referencia al orbital más externo: s, p, d y f.

GRÁFICO 7 Elemento hidrógeno

A su vez cada elemento brinda información específica sobre la estructura de su átomo y sus características (Ver GRÁFICO 7). Cada átomo tiene igual número de protones, y es lo que se denomina numero atómico (Z). Dada que la carga de un átomo es nula, el número de protones debe ser igual al número de electrones, por lo que Z también indica cuántos electrones posee un átomo. Por otro lado el número de masa (A) hace referencia a la suma de protones y neutrones presentes en el núcleo. Vale la pena mencionar que los Isotopos son átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tiene el mismo número de protones pero difieren en el número de neutrones por lo que su masa atómica es diferente.

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Número atómico (Z) Masa atómica (A)

Símbolo

Punto de ebullición °C

Punto de fusión °C

Densidad (g/ ml)

Estructura atómica

Valencia

4.12. Proliferación de otras partículas subatómicas19

La mayor parte de los descubrimientos de partículas elementales hasta 1930, se originó en el estudio de los rayos cósmicos. Parte de la energía cinética de los rayos cósmicos se convierte en masa y se crean partículas cuyas colisiones generan otras partículas en un efecto cascada. A partir de ese fenómeno natural se construyeron las primeras cámaras de niebla de Wilson para la detección de partículas. Este instrumento permitía determinar la masa, la energía y la carga de la partícula.

A partir de los años 30 empezaron a diseñarse las primeras máquinas para acelerar partículas y bombardear con ellas núcleos. Hoy la tecnología permite conseguir colisiones frontales de chorros de partículas a enormes energías y los modernos detectores detectan automáticamente la presencia de nuevas partículas.

Los aceleradores de partículas son grandes túneles bajo tierra con longitudes de varias decenas de kilómetros. En un acelerador de partículas se aceleran partículas mediante campos magnéticos hasta acercarlas a velocidades muy próximas a la de la luz, para finalmente hacerlas chocar entre sí. Uno de los mayores laboratorios de física de partículas del mundo es el CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear).

Los aceleradores son muy importantes por dos razones. En primer lugar, dado que todas las partículas se comportan como ondas, los físicos utilizan los aceleradores para incrementar la velocidad de las partículas; de este modo la disminución de la longitud de onda es suficiente como para que puedan usarlas como proyectiles. En segundo lugar, la energía de las partículas rápidas es utilizada para crear las partículas que los físicos quieren estudiar. Eso a razón de que hay dos tipos de aceleradores: los que hacen chocar entre sí electrones con positrones y los que hacen chocar entre sí protones y antiprotones.

El positrón fue descubierto en 1932 por Carl David, esta partícula tiene la masa del electrón pero con carga positiva y se simboliza como e+. Se había descubierto la primera partícula hecha de antimateria. Desde entonces se ha ido descubriendo que cada partícula posee su correspondiente antipartícula. Las décadas posteriores al desarrollo de los aceleradores, entre 1950 y 1970, se descubrieron más de 200 partículas, y eso desemboco a lo que hoy se conoce como “zoológico de partículas” elementales.

Para encontrar tablas completas con las partículas descubiertas visitar las siguientes páginas: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/profesores/prof35b.htmlhttp://debates.coches.net/showthread.php?t=86453

4.13. Modelo estándar: quarks y fuerzas20

19 Partículas elementales. Aceleradores. http://www.particleadventure.org/spanish/accels.html

20 Modelo estándar http://www.particleadventure.org/spanish/standard_models.html

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Murray Gell-Man simplificó totalmente el zoológico de partículas que se habían descubierto anteriormente al proponer la existencia de unos componentes de la materia aún más fundamentales que las partículas elementales, a los que bautizó con el nombre de quarks, y fue por ese aporte que realizó que en 1969 que se le concedió el Premio Nobel de Física.

Es en ese momento en se da el nacimiento al modelo estándar, el cual plantea que hay dos tipos de partículas elementales que componen todas las partículas que se conocen, estás son los leptones y los quarks. Y que hay cuatro fuerzas que explican las interacciones que se dan entre las partículas de materia.

Respecto a las partículas de materia se puede decir que hay seis tipos de leptones. Tres de ellos tienen carga eléctrica negativa: el electrón (e), muón (µ) y la partícula tau ( ), estos dos últimos son esencialmente electrones, pero de masa mucho mayor. Los otros tres son llamados neutrinos ( ) que no tienen carga eléctrica y su masa es muy pequeña. Existe un tipo de neutrino para cada tipo de leptón cargado eléctricamente, de ahí que en la GRÁFICO 8 se coloren los pares de leptones con el mismo color. Para cada uno de los seis leptones hay un leptón de antimateria (antileptón), de igual masa pero de carga opuesta. Los leptones pueden existir sin necesidad de la compañía de otras partículas.

GRÁFICO 8 Tabla de leptones

Por otra parte se hallan los quarks, estos se encuentran en pares: Up/Down, Charm/Strange, y Top/Bottom ( Ver GRÁFICO 9). Para cada uno de estos quarks hay un correspondiente quark de antimateria o antiquark. Los quarks tienen la característica de tener carga eléctrica fraccionaria, de valor +2/3 ó -1/3. Los quarks también transportan otro tipo de carga llamada carga de color. Existen tres cargas de color, y las correspondientes tres cargas de anticolor. Los quarks cambian constantemente su carga de color mientras intercambian gluones con otros quarks.

GRÁFICO 9 Tabla de quarks

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Los quarks forman partículas compuestas llamadas hadrones. La suma de las cargas eléctricas de los quarks, que constituyen un hadrón, es siempre un número entero.

Hay dos clases de hadrones: Bariones: Los bariones están constituidos por tres quarks (qqq). Por ejemplo:

Neutrón

Quark Up Down Down

Carga electrónica +2/3 -1/3 -1/3

Protón Quark Up Up Down

Carga electrónica +2/3 +2/3 -1/3

Mesones: Los mesones contienen un quark ( ) y un antiquark ( ).

Hay cuatro tipos de fuerzas y cada una tiene partículas portadoras de esa fuerza. La primera es la fuerza gravitacional aunque no está incluida en el Modelo Standard porque sus efectos son muy diminutos en los procesos entre partículas. Aún cuando la gravedad actúa sobre todas las cosas, es una fuerza muy débil, a menos que haya grandes masas involucradas. Los físicos predicen la existencia de esta partícula y la llaman el "gravitón" pero todavía no han comprobado científicamente su existencia. La segunda fuerza es la Fuerte sus partículas son llamadas gluones, y su función es unir a los los quarks entre sí. Es importante notar que sólo los quarks y lo gluones tienen carga de color. Los hadrones (por ejemplo los protones y los neutrones) son de color neutro, igual que los leptones. Por esta razón, la fuerza fuerte sólo actúa al nivel realmente pequeño de las interacciones entre quarks.

También existe la interacción fuerte residual que es la fuerza que explica cómo se mantiene unido el núcleo, ya que es lo suficientemente fuerte para contrarrestar la repulsión electromagnética entre los protones. Los protones y neutrones, igual que todos los hadrones,

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son objetos de color neutro. Los hadrones están compuestos por quarks, cargados de diferentes colores, y así, los quarks con cargas de color de un protón pueden "pegarse" con los quarks con cargas de color de otro protón, aunque los propios protones sean de color neutro.

Las interacciones electromagnéticas y las interacciones débiles están combinadas en una interacción única llamada electro débil. Las partículas portadoras de la fuerza electromagnética son los fotones ( ). De acuerdo a cuál sea su energía, se los denomina rayos gama, luz, microondas, ondas de radio, etc. La última interacción es la responsable de que todos los quarks y leptones más pesados decaigan, para producir quarks y leptones más livianos. Ésta es la razón por la cual la materia estable que nos rodea contiene sólo electrones y los dos quarks más livianos (up y down).

Cuando un quark o un leptón cambian de tipo (por ejemplo un muón cambiando a un electrón) se dice que cambia de sabor. Todos los cambios de sabor son producidos por la interacción débil. Las partículas portadoras de las interacciones débiles son los bosones W+, W-, y Z. Los W's están cargados eléctricamente, en tanto que el Z es neutro.

La siguiente tabla resume lo dicho anteriormente:

4.14. Teoría de las cuerdas-197421

21 Teoría de las cuerdas http://www.cienciapopular.com/n/Ciencia/La_Teoria_de_Cuerdas/La_Teoria_de_Cuerdas.php

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Gravity

0

G0

2

Gravitón

La Teoría de Cuerdas formulada por Jöel Scherk y John Schwuarz afirma que los componentes básicos de la materia (átomos y partículas subatómicas) no son puntos ni esferas, sino hilos vibrantes de energía denominados cuerdas. Las cuerdas vibran de forma específica a cada partícula de sus propiedades únicas, tales como la masa y la carga. Si oscila de cierta manera veremos un electrón u otro leptón, si oscila de otra veremos un de los tipos de quark, y también dependiendo de la oscilación veremos las partículas de fuerza como el fotón, el gluon o los bosones. De verificarse la teoría de cuerda, el mundo entero estaría hecho solo de cuerdas.

GRÁFICO 10 Teoría de cuerdas

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5. CONCLUSIONES

En síntesis, el concepto de masa ha evolucionado fuertemente en los últimos 200 años ya que antes de 1850 y durante más de 2200 años se creyó que la masa estaba compuesta de partículas indivisibles llamadas átomos. Ahora no sólo sabemos que los átomos están compuestos por partículas subatómicas (protón y neutrón en el núcleo, y unos electrones que giran alrededor del núcleo) sino que los protones y neutrones están formados por una combinación de quarks y que los electrones de hecho son leptones. Además, hay una nueva teoría que estable que las partículas que observamos son realmente hilos y que dependiendo de la vibración que tenga vemos algo diferente. También nos dimos cuenta de que la materia tiene propiedades duales es decir que se puede comportar como partícula o como onda, y que ésta es igual a la energía gracias a la ecuación de Einstein.

Las diferentes teorías atómicas han tenido un gran impacto en la vida del hombre. La comprensión de la estructura de la materia ha permitido utilizar los materiales de una mejor manera, y eso nos ha traído progreso puesto que nuestro desarrollo siempre ha estado ligado al uso y perfeccionamiento de los materiales. Cuando vimos la relación entre la tabla periódica y el átomo nos dimos cuenta de que las características de los electrones es lo que nos permite distinguirlos e identificar las propiedades físicas y químicas de los mismos. Muchos de los diseñadores de nuevos materiales ocupan sistemas de simulación de computadores para combinar átomos, calcular su estructura molecular y deducir sus propiedades químicas y físicas, y es a partir de ahí que elaboran los prototipos reales de aquellos modelos que producirán materiales con mejores propiedades que satisfagan las necesidades del ser humano.

Por ejemplo, la creación de polímeros, de sartenes que no se pegan, envases biodegradables, tornillos biocompatibles para cirugías de huesos, entre otros. No podemos predecir qué impacto tendrá la teoría de cuerdas, seguramente impactará la nanotecnología y esos conocimientos utilizados responsable y éticamente traerán muchos beneficios para el ser humano.

Todos esos avances mencionados anteriormente han impactado diferentes campos como el óptico, el eléctrico, las comunicaciones, entre otros; y eso no se hubiera podido logran sin hombres como Albert Einstein, Max Plank, Rutherford, Niels Bohr, entre otros de los que nombramos anteriormente, que unieron su creatividad e innovación con el desarrollo científico y tecnológico de su época para crear las diferentes teorías atómicas explicadas anteriormente. Fueron seres humanos seguros de sí mismo, curiosos, unos pioneros que rompieron diferentes paradigmas y que se atrevieron a ir más allá de los límites y conocimientos establecidos.

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6. BIBLIOGRAFÍA

Albert Einstein http://es.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein Aristóteles http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_aristot%C3%A9lica Átomo http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo Dualidad onda corpúsculo. http://es.wikipedia.org/wiki/Dualidad_onda_corp%C3%BAsculo El átomo http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema4/index4.htm Empédocles. http://es.wikipedia.org/wiki/Emp%C3%A9docles Los números cuánticos.

http://web.educastur.princast.es/proyectos/jimena/pj_franciscga/ncuanticos.htm Modelo atómico de Rutherford. http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at

%C3%B3mico_de_Rutherford Albert Einstein. Modelo atómico de Thompson http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo#Modelo_de_Thomson

Modelo atómico de Sommerfeld http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Sommerfeld

Modelo estándar http://www.particleadventure.org/spanish/standard_models.htmlPartículas elementales. Aceleradores. http://www.particleadventure.org/spanish/accels.html

Protón. http://es.wikipedia.org/wiki/Prot%C3%B3n Química Inorgánica. Editorial Santillana Bogotá 2005 Tabla periódica http://www.mcgraw-hill.es/bcv/tabla_periodica Teoría de las cuerdas

http://www.cienciapopular.com/n/Ciencia/La_Teoria_de_Cuerdas/La_Teoria_de_Cuerdas.php

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