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Modelo mecánico cuántico: principio de incertidumbre

Actividad Nº 31



1- ¿Qué investigaciones dieron origen al modelo atómico actual?

Para poder describir el átomo, se ha observado una evolución de modelos, sin embargo, el que describe al átomo hoy, se basa en una interpretación teórica, basando sus ideas en complejas expresiones matemáticas y relacionando la química con la física.

Este modelo, recibe el nombre de modelo mecano-cuántico, cuyos antecedentes se han originado a partir de antecedentes que los sostienen.

El primer antecedente, que basa en las inconsistencias presentadas por el modelo propuesto por Rutherford, el cual, describe el átomo como una partícula que presenta un núcleo donde hay carga positivo, y alrededor girando se encuentran los electrones, en órbitas elípticas. Sin embargo, lo que Rutherford no contempló es que toda partícula que tiene carga y que se mueve aceleradamente, como ocurre en el caso del electrón debería perder energía continuamente por emisión, lo que haría que cada vez se acercara más al núcleo, precipitándose y estrellándose sobre él, lo que produciría inestabilidad en el átomo.

 

mecano_cuantico_1.jpg (204×202)

 

Pero la realidad demuestra que lo que describe el modelo de Rutherford no ocurre, lo que llevó a la búsqueda de un nuevo modelo, que permitiría explicar el comportamiento del átomo de una manera distinta.

Otro antecedente que captó la atención de los científicos, fue que bajo ciertas condiciones experimentales, diferentes elementos que se encontraban en estado gaseoso, eran capaces de emitir luces con una longitud de onda característica, que si era separada a través de métodos ópticos, se observan diferentes radiaciones, cada una de las cuales tiene asociada una frecuencia distinta.

En una placa fotográfica, estas frecuencias, generan distintas bandas de colores, que están separadas por regiones negras, que son longitudes de onda que están ausentes en la luz emitida por el elemento. Estas frecuencias que se observan reciben el nombre de espectro de líneas o espectro de emisión, y contiene solo algunas longitudes de onda.

mecano_cuantico_2.jpg (589×141)

Es también posible conocer el espectro de absorción de un elemento, en el cual, se visualizan longitudes de onda, que no son absorbidas.

 

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Es posible definir los espectros de un elemento, como los registros de las radiaciones absorbidas o liberadas por los átomos que lo componen cuando se encuentran en estado gaseoso.

A través, del análisis de los espectros de un elemento, permite reconocer e identificar distintos elementos, pero además, han permitido comprender como se distribuyen los electrones alrededor del núcleo.

Por otra parte, la propuesta del científico Max Planck, en base a la teoría cuántica, permitió también establecer que las partículas que componen la materia se mueven y emiten energía en forma de radiación electromagnética, siendo otro importante antecedente que contribuyó al desarrollo del modelo atómico actual.

Esta emisión o absorción de energía se da en cantidades de energía discretas, también llamadas paquetes de energía o cuantos. La energía de un cuanto, según lo que plantea Planck, es proporcional a la frecuencia de la radiación emitida.

Albert Einstein, también contribuyó al desarrollo del modelo mecano-cuántico, dado que, basándose en los estudios propuestos por Planck, explicó el denominado efecto fotoeléctrico, que es un fenómeno, por el cual se liberan electrones de un material a causa de la radiación. Para que se liberen electrones, la luz que incide sobre la superficie debe tener una frecuencia superior a la denominada frecuencia umbral, de manera, que se liberen fotones, es decir, energía en forma de luz.

 

mecano_cuantico_4.jpg (266×253)

 

A partir de la propuesta de Einstein, se demostró que los fotones de energía emitidos o liberados por un electrón son proporcionales a la frecuencia de la luz o radiación que se hace incidir.

Finalmente, basándose en el modelo de Rutherford, Niels Bohr, a partir de las investigaciones de Planck y Einstein, y de la interpretación de los espectros del átomo de hidrógeno, planteó un nuevo modelo atómico.

En él, Bohr explica que las líneas espectrales en el átomo de hidrógeno se explican cómo saltos del electrón de un nivel de energía a otro, es decir, los electrones se encontraran girando alrededor del núcleo en órbitas circulares definidas, cuyas distancias al núcleo están determinadas.

 

Bohr_modelo

 

Por lo tanto, mientras el electrón se encuentre en el nivel de energía que le corresponda, es decir, en estado basal o fundamental, no emite ni absorbe energía. Sin embargo, cuando los electrones saltan a niveles de energía inferiores, emiten energía en forma de fotones de diferentes longitudes y frecuencia, lo que se describe en el espectro de emisión del elemento. Mientras que, al pasar de un nivel de energía más alto, va a absorber energía, pasando a un estado excitado.

El modelo propuesto por Bohr, explica el origen de los espectros atómicos, de manera correcta, ya que, el electrón solo puede absorber o emitir energía en forma de ondas electromagnéticas al pasar de un nivel de energía a otro. Además, entrega una explicación razonable, respecto a por qué los electrones no se precipitan sobre el núcleo.

Sin embargo, la principal limitación que surge de este modelo es que solo es correcto para el átomo de hidrógeno, no pudiendo explicar los espectros de otros átomos que presenten más electrones en su estructura.

Por esta razón, nace un nuevo modelo, denominado modelo mecano-cuántico.

 
2- Modelo mecánico cuántico
 
Entre 1925 y 1929, con los aportes de los científicos como Bohr, Heisenberg, Schrödinger, De Broglie, Dirac, etc., se desarrolló una nueva teoría denominada mecánica ondulatoria o cuántica. Este modelo asocia funciones matemáticas a las partículas subatómicas y se basa en los siguientes principios: la dualidad onda- corpúsculo, el principio de incertidumbre o de indeterminación y la ecuación de la onda.
 
- En 1929, Louis de Broglie (1892- 1977) concluyó que las ondas se comportan como partículas y que estas muestran propiedades ondulatorias. Toda partícula en movimiento lleva asociada una onda. Por tanto, el movimiento del electrón se debe explicar como partícula y como onda.
 
- Como consecuencia de la naturaleza dual del electrón, Werner Heisenberg, en 1927, estableció el principio de incertidumbre. Según este principio, no se pueden determinar simultáneamente y con total precisión la posición y la velocidad de un electrón. Mientras más exacta sea la determinación de una de las variables, más inexacta será la otra.
 
- Dado que no se puede precisar con exactitud la posición del electrón, Edwin Schódinger, en 1926, desarrolló la ecuación de ondas que lleva su nombre para calcular la energía de los electrones y la probabilidad de encontrar el electrón en un punto determinado del espacio denominado orbital.
 

El aporte de estos tres científicos, permite explicar satisfactoriamente hoy, el átomo, basándose en principios relacionados con la física cuántica.

 
El modelo atómico actual considera que el átomo tiene un núcleo y una nube electrónica. El núcleo es la zona central donde se encuentran los protones y los neutrones; allí se concentra la mayor parte de la masa del átomo. La nube electrónica es el espacio que se encuentra alrededor del núcleo; allí los electrones se mueven sin una trayectoria definida en distintos niveles de energía.
 

 

 

 

Creado por Portal Educativo. Fecha: 2015-08-10. Se autoriza uso citando www.portaleducativo.net


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