Download Estructura de la materia. Teorías y modelos

INSTITUCIÓN EDUCATIVA NUESTRA SEÑORA DEL PILAR.
ESTRUTURA DE LA MATERIA.
1. ORIENTACIÓN DIDÁCTICA.
LEA DETENIDAMENTE LOS DOCUMENTOS TEMÁTICOS DEL PRESENTE TALLER Y APÓYESE EN NOTAS DE CLASE,
LIBROS DE CONSULTA O ARCHIVOS DE INTERNET PARA RESOLVER LAS ACTIVIDADES PROPUESTAS.
Este taller lo debes presentar y sustentar.
2. COMPETENCIAS.
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DOCUMENTACIÓN PARA PLANTEAR Y RESPONDER PREGUNTAS.
APLICACIÓN DE CONOCIMIENTOS EN LA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS.
EXPLICACIÓN DE SITUACIONES CON AYUIDAS DE MODELOS
REFLEXIÓN ARGUMENTADA SOBRE LAS CONSECUENCIAS POSITIVAS O NEGATIVAS DE LOS AVANCES EN
CIENCIA Y TECNOLOGÍA
3. LOGROS.
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De soluciones lógicas a problemas reales o hipotéticos de las ciencias naturales.
Valore el estudio de la química para la comprensión de la constitución de la materia viva e inerte.
Aplique fórmulas matemáticas y físicas en la cuantificación e interpretaciones de los fenómenos naturales.
Tenga conciencia para la conservación ambiental y la paz mundial.
Comprenda la estructura de la materia.
4. CONTENIDOS.
Estructura de la materia. Teorías y modelos atómicos
ESTRUCTURA DE LA MATERIA
(Tomado de Wikipedia)
Concepto físico
En física, se llama materia a cualquier tipo de entidad que es parte del universo observable,
tiene energía asociada, es capaz de interaccionar, es decir, es medible y tiene una localización
espaciotemporal compatible con las leyes de la naturaleza.
Clásicamente se considera que la materia tiene tres propiedades que juntas la caracterizan: ocupa
un lugar en el espacio, tiene masa y perdura en el tiempo.
En el contexto de la física moderna se entiende por materia cualquier campo, entidad, o
discontinuidad traducible a fenómeno perceptible que se propaga a través del espacio-tiempo a una
velocidad igual o inferior a la de la luz y a la que se pueda asociar energía. Así todas las formas de
materia tienen asociadas una cierta energía pero sólo algunas formas de materia tienen masa.
Materia másica
Los constituyentes básicos de la materia másica conocida son los fermiones como los "quarks" (púrpura) y "leptones" (verde). Los
bosones (rojo) son "materia no-másica".
La materia másica está jerárquicamente organizada en varios niveles y subniveles. La materia másica puede
ser estudiada desde los puntos de vista macroscópico y microscópico. Según el nivel de descripción adoptado
debemos adoptar descripciones clásicas o descripciones cuánticas. Una parte de la materia másica,
concretamente la que compone los astros subenfriados y las estrellas, está constituida por moléculas, átomos,
e iones. Cuando las condiciones de temperatura lo permite la materia se encuentra condensada.
El nivel microscópico de la materia másica puede entenderse como un agregado de moléculas. Éstas a su vez
son agrupaciones de átomos que forman parte del nivel microscópico. A su vez existen niveles microscópicos
que permiten descomponer los átomos en constituyentes aún más elementales, que sería el siguiente nivel son:

Electrones: partículas leptónicas con carga eléctrica negativa.

Protones: partículas bariónicas con carga eléctrica positiva.

Neutrones: partículas bariónicas sin carga eléctrica (pero con momento magnético).
A partir de aquí hay todo un conjunto de partículas subatómicas que acaban finalmente en los constituyentes
últimos de la materia. Así por ejemplo virtualmente los bariones del núcleo (protones y neutrones) se mantienen
unidos gracias a un campo escalar formado por piones (bosones de espín cero). E igualmente los protones y
neutrones, sabemos que no son partículas elementales, sino que tienen constituyentes de menor nivel que
llamamos quarks (que a su vez se mantienen unidos mediante el intercambio de gluones virtuales).
Macroscópicamente, la materia másica se presenta en las condiciones imperantes en el sistema solar, en uno de
cuatro estados de agregación molecular: sólido, líquido, gaseoso y plasma. De acuerdo con la teoría cinética
molecular la materia se encuentra formada por moléculas y éstas se encuentran animadas de movimiento, el cual
cambia constantemente de dirección y velocidad cuando chocan o bajo el influjo de otras interacciones físicas.
Debido a este movimiento presentan energía cinética que tiende a separarlas, pero también tienen una energía
potencial que tiende a juntarlas. Por lo tanto el estado físico de una sustancia puede ser:

Sólido: si la energía cinética es menor que la potencial.

Líquido: si la energía cinética y potencial son aproximadamente iguales.

Gaseoso: si la energía cinética es mayor que la potencial.

Plasma: si la energía cinética es tal que los electrones tienen una energía total positiva.
Bajo ciertas condiciones puede encontrarse materia másica en otros estados físicos, como el condensado de
Bose-Einstein o el condensado fermiónico.
La manera más adecuada de definir materia másica es describiendo sus cualidades:

Presenta dimensiones, es decir, ocupa un lugar en un espacio-tiempo determinado.

Presenta inercia: la inercia se define como la resistencia que opone la materia a modificar su estado de
reposo o movimiento.

La materia es la causa de la gravedad o gravitación, que consiste en la atracción que actúa siempre entre
objetos materiales aunque estén separados por grandes distancias.
Una gran parte de la energía del universo corresponde a formas de materia formada por partículas o campos
que no presentan masa, como la luz y la radiación electromagnética, las dos formada por fotones sin masa.
Junto con estas partículas no másicas, se postula la existencia de otras partículas como el gravitón, el fotino y
el gravitino, que serían todas ellas partículas sin masa aunque contribuyen a la energía total del universo.
Distribución de materia en el universo
Según estimaciones recientes, resumidas en este gráfico de la NASA, alrededor del 70% del contenido energético del Universo
consiste en energía oscura, cuya presencia se infiere en su efecto sobre la expansión del Universo pero sobre cuya naturaleza
última no se sabe casi nada.
Según los modelos físicos actuales, sólo aproximadamente el 5% de nuestro universo está formado por materia
másica ordinaria. Se supone que una parte importante de esta masa sería materia bariónicas formada por
bariones y electrones, que sólo supondrían alrededor de 1/1850 de la masa de la materia bariónicas. El resto de
nuestro universo se compondría de materia oscura (23%) y energía oscura (72%).
A pesar que la materia bariónica representa un porcentaje tan pequeño, la mitad de ella todavía no se ha
encontrado. Todas las estrellas, galaxias y gas observable forman menos de la mitad de los bariones que debería
haber. La hipótesis principal sobre el resto de materia bariónica no encontrada es que, como consecuencia del
proceso de formación de estructuras posterior al big bang, está distribuida en filamentos gaseosos de baja
densidad que forman una red por todo el universo y en cuyos nodos se encuentran los diversos cúmulos de
galaxias. Recientemente (mayo de 2008) el telescopio XMM-Newton de la agencia espacial europea ha
encontrado pruebas de la existencia de dicha red de filamentos.1
Ley de la conservación de la materia
Como hecho científico la idea de que la masa se conserva se remonta al químico Lavoisier, el científico francés
considerado padre de la Química moderna que midió cuidadosamente la masa de las sustancias antes y después
de intervenir en una reacción química, y llegó a la conclusión de que la materia, medida por la masa, no se crea
ni destruye, sino que sólo se transforma en el curso de las reacciones. Sus conclusiones se resumen en el
siguiente enunciado: En una reacción química, la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma. El mismo
principio fue descubierto antes por Mijaíl Lomonosov, de manera que es a veces citado como ley de LomonosovLavoisier, más o menos en los siguientes términos: La masa de un sistema de sustancias es constante, con
independencia de los procesos internos que puedan afectarle, es decir, "La suma de los productos, es igual a la
suma de los reactivos, manteniéndose constante la masa". Sin embargo, tanto las técnicas modernas como el
mejoramiento de la precisión de las medidas han permitido establecer que la ley de Lomonosov-Lavoisier, se
cumple sólo aproximadamente.
La equivalencia entre masa y energía descubierta por Einstein obliga a rechazar la afirmación de que la masa
convencional se conserva, porque masa y energía son mutuamente convertibles. De esta manera se puede
afirmar que la masa relativista equivalente (el total de masa material y energía) se conserva, pero la masa en
reposo puede cambiar, como ocurre en aquellos procesos relativísticos en que una parte de la materia se
convierte en fotones. La conversión en reacciones nucleares de una parte de la materia en energía radiante, con
disminución de la masa en reposo; se observa por ejemplo en procesos de fisión como la explosión de una bomba
atómica, o en procesos de fusión como la emisión constante de energía que realizan las estrellas
Mayor trascendencia histórica ha tenido la teoría atomista de la antigüedad, puesta de nuevo en vigor por
el mecanicismo racionalista en el siglo XVII y XVIII, que supuso el soporte teórico básico para el nacimiento de la
ciencia física moderna.
MODELOS ATÓMICOS
Un modelo atómico es una representación estructural de un átomo, que trata de explicar su comportamiento y
propiedades. De ninguna manera debe ser interpretado como un dibujo de un átomo, sino más bien como el
diagrama conceptual de su funcionamiento. A lo largo del tiempo existieron varios modelos atómicos y algunos
más elaborados que otros:

Modelo atómico de Demócrito, el primer modelo atómico, postulado por el filósofo griego Demócrito.
Demócrito desarrolló la “teoría atómica del universo”, concebida por su mentor, el filósofo Leucipo. Esta teoría,
al igual que todas las teorías filosóficas griegas, no apoya sus postulados mediante experimentos, sino que se
explica mediante razonamientos lógicos. La teoría atomista de Demócrito y Leucipo se puede esquematizar así:

Los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos, incompresibles e invisibles.

Los átomos se diferencian solo en forma y tamaño, pero no por cualidades internas.

Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los átomos.
Defiende que toda la materia no es más que una mezcla de elementos originarios que poseen las
características de inmutabilidad y eternidad, concebidos como entidades infinitamente pequeñas y, por tanto,
imperceptibles para los sentidos, a las que Demócrito llamó átomos (ἄτομοι), término griego que significa tanto
"que no puede cortarse" como "indivisible".10
Epicuro, filósofo posterior que retomó esta teoría, modifica la filosofía de Demócrito al no aceptar
el determinismo que el atomismo conllevaba en su forma original. Por ello, introduce un elemento de azar en el
movimiento de los átomos, una desviación ('clinamen') de la cadena de las causas y efectos, con lo que
la libertad queda asegurada.
Modelo atómico de Dalton, que surgió en el contexto de la química, el primero con bases científicas .(1803).
El modelo atómico de Dalton surgido en el contexto de la química, fue el primer modelo atómico con bases
científicas, formulado entre 1803 y 1807 por John.
El modelo permitió aclarar por primera vez por qué las sustancias químicas reaccionaban en proporciones
estequiométricas fijas (Ley de las proporciones constantes), y por qué cuando dos sustancias reaccionan para
formar dos o más compuestos diferentes, entonces las proporciones de estas relaciones son números enteros
(Ley de las proporciones múltiples). Por ejemplo 12 g de carbono (C), pueden reaccionar con 16 g de oxígeno
(O2) para formar monóxido de carbono (CO) o pueden reaccionar con 32 g de oxígeno para formar dióxido de
carbono (CO2). Además el modelo aclaraba que aún existiendo una gran variedad de sustancias diferentes, estas
podían ser explicadas en términos de una cantidad más bien pequeña de constituyentes elementales o elementos.
En esencia, el modelo explicaba la mayor parte de la química de fines del siglo XVIII y principios del siglo XIX,
reduciendo una serie de hechos complejos a una teoría combinatoria realmente simple.
Postulados de Dalton
Dalton explicó su teoría formulando una serie de enunciados simples:1
1. La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se
pueden destruir.
2. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen la misma masa y propiedades. Los átomos
de diferentes elementos tienen masas diferentes. Comparando las masas de los elementos con los del
hidrógeno tomado como la unidad propuso el concepto de peso atómico relativo.
3. Los átomos permanecen sin división, aun cuando se combinen en las reacciones químicas.
4. Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.
5. Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un
compuesto.
6. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos.
La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas “átomos”. Estos átomos no se pueden dividir ni
romper, no se crean ni se destruyen en ninguna reacción química, y nunca cambian.
Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen la misma masa y dimensiones. Por ejemplo: todos
los átomos de hidrógeno son iguales.
Por otro lado, los átomos de elementos diferentes son diferentes. Por ejemplo: los átomos de oxígeno son
diferentes a los átomos de hidrógeno.
Los átomos pueden combinarse para formar compuestos químicos. Por ejemplo: los átomos de hidrógeno y
oxígeno pueden combinarse y formar moléculas de agua.
Los átomos se combinan para formar compuestos en relaciones numéricas simples. Por ejemplo: al formarse
agua, la relación es de 2 a 1 (dos átomos de hidrógeno con un átomo de oxígeno).
Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un
compuesto. Por ejemplo: un átomo de carbono con uno de oxígeno forman monóxido de carbono (CO), mientras
que dos átomos de oxígeno con uno de carbono, forman dióxido de carbono (CO2).
Insuficiencias del modelo
La hipótesis de John Dalton, que afirmaba que los elementos en estado gaseoso eran monoatómicos y que los
átomos de los elementos se combinaban en la menor proporción posible para formar átomos de los compuestos,
lo que hoy llamamos moléculas, generó algunas dificultades. Por ejemplo, Dalton pensó que la fórmula
del agua era HO. En consecuencia de esto se realizaron cálculos erróneos sobre la masa y peso de algunos
compuestos básicos.
En 1805, Gay-Lussac y Alexander von Humboldt mostraron que el agua estaba formada por dos hidrógenos y un
oxígeno. En 1811,Amedeo Avogadro concretó la exacta composición del agua, basándose en lo que hoy se
conoce como Ley de Avogadro y la evidencia de la existencia de moléculas diatómicas homonucleares. No
obstante, estos resultados fueron ignorados en su mayor parte hasta 1860. Esto fue, en parte, por la creencia de
que los átomos de un elemento no tenían ninguna afinidad química hacia átomos del mismo elemento. Además,
algunos conceptos de la disociación de moléculas no estaban explicados en la Ley de Avogadro.
En 1860, en el Congreso de Karlsruhe sobre masas estables y pesos atómicos, Cannizzaro revivió las ideas de
Avogadro y las usó para realizar una tabla periódica de pesos atómicos, que tenían bastante similitud con los
actuales valores. Estos pesos fueron un importante prerrequisito para el descubrimiento de la Tabla
periódica de Dmitri Mendeléyev y Lothar Meyer.
Hasta la segunda mitad del siglo XIX no aparecieron evidencias de que los átomos fueran divisibles o estuvieran
a su vez constituidos por partes más elementales. Por esa razón el modelo de Dalton no fue cuestionado durante
décadas, ya que explicaba adecuadamente los hechos. Si bien el modelo usualmente nacido para explicar los
compuestos químicos y las regularidades estequiométricas, no podía explicar las regularidades periódicas en las
propiedades
de
los
elementos
químicos
tal
como
aparecieron
en
la tabla
periódica
de
los
elementos de Mendeleiev (esto sólo sería explicado por los modelos que suponían el átomo estaba formado por
electrones dispuestos en capas). El modelo de Dalton tampoco podía dar cuenta de las investigaciones realizadas
sobre rayos catódicos que sugirieron que los átomos no eran indivisibles sino que contenían partículas más
pequeñas cargadas eléctricamente.
Modelo atómico de Thomson, o modelo del budín, donde los electrones son como las "frutas" dentro de una
"masa" positiva.(190El modelo atómico de Thomson es una teoría sobre la estructura atómica propuesta en
1904 por Joseph John Thomson, quien descubrió el electrón1 en 1897, mucho antes del descubrimiento
del protón y del neutrón. En dicho modelo, el átomo está compuesto porelectrones de carga negativa en un
átomo positivo, embebidos en éste al igual que las pasas de un budín. A partir de esta comparación, fue que el
supuesto se denominó "Modelo del budín de pasas".2 3 Postulaba que los electrones se distribuían
uniformemente en el interior del átomo suspendidos en una nube de carga positiva. El átomo se consideraba
como una esfera con carga positiva con electrones repartidos como pequeños gránulos. La herramienta
principal con la que contó Thomson para su modelo atómico fue la electricidad.
Insuficiencias del modelo
Si bien el modelo de Thomson explicaba adecuadamente muchos de los hechos observados de la química y los
rayos catódicos, hacía predicciones incorrectas sobre la distribución de la carga positiva en el interior de los
átomos. Las predicciones del modelo de Thomson resultaban incompatibles con los resultados del experimento
de Rutherford,4 que sugería que la carga positiva estaba concentrada en una pequeña región en el centro del
átomo, que es lo que se conoció como núcleo atómico. El modelo atómico de Rutherford, permitió explicar esto
último, revelando la existencia de un núcleo atómico cargado positivamente y de elevada densidad.5
Otro hecho que el modelo de Thomson había dejado por explicar era la regularidad de la tabla periódica de
Mendeleiev. Los modelos de Bohr, Sommerfeld y Schrödinger finalmente explicarían las regularidades
periódicas en las propiedades de los elementos químicos de la tabla, como resultado de una disposición más
estructurada de los electrones en el átomo, que ni el modelo de Thomson ni el modelo de Rutherford habían
considerado.

Modelo atómico de Rutherford, el primero que distingue entre el núcleo central y una nube de electrones
a su alrededor.(1911)
El modelo atómico de Rutherford es un modelo atómico o teoría sobre la estructura interna
del átomo propuesto por el químico y físico británico-neozelandés Ernest Rutherford para explicar los resultados
de su "experimento de la lámina de oro", realizado en 1911.
Modelo de un átomo de Rutherford. Propuso un núcleo con protones, y electrones girando alrededor de éste.
Importancia del modelo y limitaciones
La importancia del modelo de Rutherford residió en proponer por primera vez la existencia de un núcleo en el
átomo (término que, paradójicamente, no aparece en sus escritos). Lo que Rutherford consideró esencial, para
explicar los resultados experimentales, fue "una concentración de carga" en el centro del átomo, ya que sin ella,
no podía explicarse que algunas partículas fueran rebotadas en dirección casi opuesta a la incidente. Este fue un
paso crucial en la comprensión de la materia, ya que implicaba la existencia de un núcleo atómico donde se
concentraba toda la carga positiva y más del 99,9% de la masa. Las estimaciones del núcleo revelaban que el
átomo en su mayor parte estaba vacío.
Rutherford propuso que los electrones orbitarían en ese espacio vacío alrededor de un minúsculo núcleo atómico,
situado en el centro del átomo. Además se abrían varios problemas nuevos que llevarían al descubrimiento de
nuevos hechos y teorías al tratar de explicarlos:

Por un lado se planteó el problema de cómo un conjunto de cargas positivas podían mantenerse unidas en
un volumen tan pequeño, hecho que llevó posteriormente a la postulación y descubrimiento de la fuerza
nuclear fuerte, que es una de las cuatro interacciones fundamentales.

Por otro lado existía otra dificultad proveniente de la electrodinámica clásica que predice que una partícula
cargada y acelerada, como sería el caso de los electrones orbitando alrededor del núcleo, produciría radiación
electromagnética, perdiendo energía y finalmente cayendo sobre el núcleo. Las leyes de Newton, junto con
las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo aplicadas al átomo de Rutherford llevan a que en un
tiempo del orden de
electrones sobre el
s, toda la energía del átomo se habría radiado, con la consiguiente caída de los
núcleo.2
Se trata, por tanto de un modelo físicamente inestable, desde el punto de vista
de la física clásica.
Según Rutherford, las órbitas de los electrones no están muy bien definidas y forman una estructura compleja
alrededor del núcleo, dándole un tamaño y forma algo indefinidas. Los resultados de su experimento le
permitieron calcular que el radio atómico era diez mil veces mayor que el núcleo mismo, y en consecuencia, que
el interior de un átomo está prácticamente vacío.
El modelo de Rutherford fue el primer modelo atómico que consideró al átomo formado por dos partes: la "corteza"
(luego denominada periferia), constituida por todos sus electrones, girando a gran velocidad alrededor de un
"núcleo" muy pequeño; que concentra toda la carga eléctrica positiva y casi toda la masa del átomo.
Rutherford llegó a la conclusión de que la masa del átomo se concentraba en una región pequeña de cargas
positivas que impedían el paso de las partículas alfa. Sugirió un nuevo modelo en el cual el átomo poseía un
núcleo o centro en el cual se concentra la masa y la carga positiva, y que en la zona extranuclear se encuentran
los electrones de carga negativa.

Modelo atómico de Bohr, un modelo cuantizado del átomo, con electrones girando en órbitas
circulares.(1913)
Emisión y absorción de energía en forma de cuantos al pasar de una órbita a otra
El modelo atómico de Bohr o de Bohr-Rutherford es un modelo clásico del átomo, pero fue el primer modelo
atómico en el que se introduce una cuantización a partir de ciertos postulados. Fue propuesto en 1913 por el
físico danés Niels Bohr, para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y
por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas que eran ignorados en
el modelo previo de Rutherford). Además el modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico,
explicado por Albert Einstein en 1905.
Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo
atómico de Bohr partía conceptualmente del modelo atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre
cuantización que habían surgido unos años antes con las investigaciones de 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. El electromagnetismo clásico predecía que
una partícula cargada moviéndose de forma circular emitiría energía por lo que los electrones deberían colapsar
sobre el núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este problema Bohr supuso que los electrones
solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético.
Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante.
Este número "n" recibe el nombre de número cuántico principal.
Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado y sólo podía variar en
fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a
las cuales se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno. Estos niveles en
un principio estaban clasificados por letras que empezaban en la "K" y terminaban en la "Q". Posteriormente los
niveles electrónicos se ordenaron por números. Cada órbita tiene electrones con distintos niveles de energía
obtenida que después se tiene que liberar y por esa razón el electrón va saltando de una órbita a otra hasta llegar
a una que tenga el espacio y nivel adecuado, dependiendo de la energía que posea, para liberarse sin problema
y de nuevo volver a su órbita de origen. Sin embargo no explicaba el espectro de estructura fina que podría ser
explicado algunos años más tarde gracias al modelo atómico de Sommerfeld. Históricamente el desarrollo del
modelo atómico de Bohr junto con la dualidad onda-corpúsculo permitiría a Erwin Schrödinger descubrir la
ecuación fundamental de la mecánica cuántica.
Postulados de Bohr
En 1913, Niels Bohr desarrolló su célebre modelo atómico de acuerdo a tres postulados fundamentales:1
Primer postulado
Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo del átomo sin irradiar energía.
La causa de que el electrón no irradie energía en su órbita es, de momento, un postulado, ya que según
la electrodinámica clásica una carga con un movimiento acelerado debe emitir energía en forma de radiación.
Para mantener la órbita circular, la fuerza que siente el electrón —la fuerza coulombiana por la presencia del
núcleo— debe ser igual a la fuerza centrípeta
Donde queda expresada la energía de una órbita circular para el electrón en función del radio de dicha
órbita.
Segundo postulado
No toda órbita para electrón está permitida, tan solo se puede encontrar en órbitas cuyo radio cumpla
que el momento angular.
Tercer postulado
El electrón solo emite o absorbe energía en los saltos de una órbita permitida a otra. En dicho cambio emite o
absorbe un fotón cuya energía es la diferencia de energía entre ambos niveles. Este fotón, según la ley de
Planck tiene una energía:
Se puede demostrar que este conjunto de hipótesis corresponde a la hipótesis de que los electrones estables
orbitando un átomo están descritos por funciones de onda estacionarias. Un modelo atómico es una
representación que describe las partes que tiene un átomo y como están dispuestas para formar un todo.
Basándose en la constante de Planck
consiguió cuantizar las órbitas observando las líneas del
espectro.
Modelo atómico de Sommerfeld
El Modelo atómico de Sommerfeld es un modelo atómico hecho por el físico alemán Arnold
Sommerfeld (1868-1951) que básicamente es una generalización relativista del modelo atómico de Bohr (1913).
Características del modelo
Órbitas elípticas en el modelo de Sommerfeld.
En 1916, Sommerfeld perfeccionó el modelo atómico de Bohr intentando paliar los dos principales defectos de
éste. Para eso introdujo dos modificaciones básicas: Órbitas casi-elípticas para los electrones y velocidades
relativistas. En el modelo de Bohr los electrones sólo giraban en órbitas circulares. La excentricidad de la órbita
dio lugar a un nuevo número cuántico: el número cuántico azimutal, que determina la forma de los orbitales, se
lo representa con la letra l y toma valores que van desde 0 hasta n-1. Las órbitas son:

l = 0 se denominarían posteriormente orbitales s o sharp

l = 1 se denominarían p o principal.

l = 2 se denominarían d o diffuse.

l = 3 se denominarían f o fundamental.
Para hacer coincidir las frecuencias calculadas con las experimentales, Sommerfeld postuló que el núcleo del
átomo no permanece inmóvil, sino que tanto el núcleo como el electrón se mueven alrededor del centro de
masas del sistema, que estará situado muy próximo al núcleo al tener este una masa varios miles de veces
superior a la masa del electrón.
Para explicar el desdoblamiento de las líneas espectrales, observando al emplear espectroscopios de mejor
calidad, Sommerfeld supuso que las órbitas del electrón pueden ser circulares y elípticas. Introdujo el número
cuántico secundario o azimutal, en la actualidad llamado l, que tiene los valores 0, 1, 2 ,(n-1), e indica el
momento angular del electrón en la órbita en unidades de
nivel cuántico y la excentricidad de la órbita.
, determinando los subniveles de energía en cada
Resumen
En 1916, Arnold Sommerfeld, con la ayuda de la teoría de la relatividad de Albert Einstein, hizo las siguientes
modificaciones al modelo de Bohr:
1. Los electrones se mueven alrededor del núcleo, en órbitas circulares o elípticas.
2. A partir del segundo nivel energético existen dos o más subniveles en el mismo nivel.
3. El electrón es una corriente eléctrica minúscula.
En consecuencia, el modelo atómico de Sommerfeld es una generalización del modelo atómico de Bohr desde
el punto de vista relativista, aunque no pudo demostrar las formas de emisión de las órbitas elípticas, solo
descartó su forma circular.
Modelo atómico de Schrödinger
Densidad de probabilidad de ubicación de un electrón para los primeros niveles de energía.
El modelo atómico de Schrödinger (1924) es un modelo cuántico no relativista. Se basa en la solución de
la ecuación de Schrödinger para un potencial electrostático con simetría esférica, llamado también átomo
hidrogenoide. En este modelo los electrones se contemplaban originalmente como una onda estacionaria de
materia cuya amplitud decaía rápidamente al sobrepasar el radio atómico.
El modelo de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno. En los espectros realizados para otros
átomos se observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían energías ligeramente diferentes. Esto
no tenía explicación en el modelo de Bohr, y sugería que se necesitaba alguna corrección. La propuesta fue que
dentro de un mismo nivel energético existían subniveles. La forma concreta en que surgieron de manera natural
estos subniveles, fue incorporando órbitas elípticas y correcciones relativistas. Así, en 1916, Arnold Sommerfeld
modificó el modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones sólo giraban en órbitas circulares, al decir que
también podían girar en órbitas elípticas más complejas y calculó los efectos relativistas.
Características del modelo
El modelo atómico de Schrödinger concebía originalmente los electrones como ondas de materia. Así la
ecuación se interpretaba como la ecuación ondulatoria que describía la evolución en el tiempo y el espacio de
dicha onda material. Más tarde Max Born propuso una interpretación probabilística de la función de onda de los
electrones. Esa nueva interpretación es compatible con los electrones concebidos como partículas
cuasipuntuales cuya probabilidad de presencia en una determinada región viene dada por la integral del
cuadrado de la función de onda en una región. Es decir, en la interpretación posterior del modelo, éste era
modelo probabilista que permitía hacer predicciones empíricas, pero en el que la posición y la cantidad de
movimiento no pueden conocerse simultáneamente, por el principio de incertidumbre. Así mismo el resultado de
ciertas mediciones no están determinadas por el modelo, sino sólo el conjunto de resultados posibles y
su distribución de probabilidad.
Insuficiencias del modelo
Si bien el modelo de Schrödinger describe adecuadamente la estructura electrónica de los átomos, resulta
incompleto en otros aspectos:
1. El modelo de Schrödinger en su formulación original no tiene en cuenta el espín de los electrones, esta
deficiencia es corregida por el modelo de Schrödinger-Pauli.
2. El modelo de Schrödinger ignora los efectos relativistas de los electrones rápidos, esta deficiencia es
corregida por la ecuación de Dirac que además incorpora la descripción del espín electrónico.
3. El modelo de Schrödinger si bien predice razonablemente bien los niveles energéticos, por sí mismo no
explica por qué un electrón en un estado cuántico excitado decae hacia un nivel inferior si existe alguno
libre. Esto fue explicado por primera vez por la electrodinámica cuántica y es un efecto de la energía del
punto cero del vacío cuántico.
Cuando se considera un átomo de hidrógeno los dos primeros aspectos pueden corregirse
añadiendo términos correctivos al hamiltoniano atómico.
5. Formación psicomotriz
5.1. Con base en la lectura sobre la estructura de la materia, sintetiza el concepto moderno de materia
5.2. A nivel microscópico que partículas conforman la materia?
5.3. Describa las partículas elementales y subelemetales de la materia.
5.4. Cuáles son las partículas másicas y cuáles las no másicas de la materia (Ver el cuadro de arriba)
5.5. Defina lo que son los protones, neutrones y electrones.
5.6. Defina lo que partículas subelemetales como los bosones, fermiones, quarks, etc.
5.7. Cuáles son los estados de la materia y como difieren según su energía cinética y su energía potencial?
5.8. En qué consiste la ley de la conservación de la materia y qué científicos contribuyeron a su
determinación?
5.9. Haga una sinopsis sobre las teorías atómicas y destaque los modelos que más se aproximan a la
concepción actual del átomo.
5.10. Con base en experimentos se descubrió que la materia del mundo macroscópico se rige con las leyes
de newton O MECÁNICA CLÁSICA; en cambio el mundo microscópico lo hace por medio de otras leyes que
son de estudio de la MECÁNICA CUÁNTICA, descubierta, entre otros por MAX PLANCK. ENÉSTA SE EXPLICA
QUE LA LUZ ES DUAL: ONDA Y PARTÍCULA.
Por lo anterior un cuánto o fotón de luz tiene una energía, una longitud de onda lamda (λ) o una
frecuencia (V), determinada por las ecuaciones siguientes:
1. E= h. V
2. E= hc/λ
3. V= C/ λ
4. λ=
h/h.v
(ecuación de De Broglie)
Con base en las anteriores ecuaciones, ilustra cada una de ellas con un ejemplo para un total de nueve
ejercicios. (Observa las realizadas en clase y cambie los datos)
6. EVALUACIÓN SUSTENTADA
6.1. Que aprendiste de nuevo sobre el concepto de materia y energía?
6.2. Sabías que en el universo hay partículas con masa y otras sin masa? Cuáles son según la lectura?
6.3 Como te imaginabas los átomos, antes de conocer las anteriores teorías?
6.4 Qué aportes crees han dado todos estos descubrimientos para el desarrollo del mundo moderno?
6.5. El presente taller lo realizaste sólo o buscaste a otros compañeros o a otras personas que te ayudaran?