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DETERMINACION DE LA
NATURALEZA
ONDULATORIO DE LA
MATERIA
POSTULADOS DE LA RELATIVIDAD
1. Primer postulado (principio de relatividad)
La observación de un fenómeno físico por más de un observador
inercial debe resultar en un acuerdo entre los observadores
sobre la naturaleza de la realidad. O, la naturaleza del universo
no debe cambiar para un observador si su estado inercial
cambia. O, toda teoría física debe ser matemáticamente similar
para cada observador inercial, presentando a lo sumo
variaciones dentro del rango de las condiciones iniciales de la
misma. O, las leyes del universo son las mismas sin que importe
el marco de referencia inercial.
2. Segundo postulado (invariabilidad de c)
La Luz siempre se propaga en el vacío con una velocidad
constante c que es independiente del estado de movimiento del
cuerpo emisor y del estado de movimiento del observador.
LONGITUD MASA Y TIEMPO, RELATIVISTA
La longitud se contrae (en la dirección del movimiento)
apreciablemente a velocidades del orden de la velocidad de la
luz.
Sea Lº la longitud de una barra, a velocidad v, su longitud
medida según el sistema de referencia en reposo será L
L = Lº.V1-v²/c²
MASA.
La masa, en física, es la cantidad de materia de un cuerpo. Es
una propiedad intrínseca de los cuerpos que determina la
medida de la masa inercial y de la masa gravitacional. La
unidad utilizada para medir la masa en el Sistema Internacional
de Unidades es el kilogramo (kg). Es una cantidad escalar y no
debe confundirse con el peso, que es una cantidad vectorial
que representa una fuerza.
La masa es la magnitud física que permite
expresar la cantidad de materia que contiene un
cuerpo. En el Sistema Internacional, su unidad
es el kilogramo (kg.). El concepto, que deriva del
término latino masa, también permite referirse
a la mezcla que proviene de la incorporación de
un líquido a una materia pulverizada, de la cual
resulta un todo espeso, blando y consistente.
RELACIÓN RELATIVISTA DE MASA Y
ENERGÍA
Los términos masa y energía se usan para varios conceptos
distintos, lo cual puede llevar a confusión. En ciertos contextos,
se usan indistintamente ya que, en teoría de la relatividad
existen contextos donde ambos conceptos son intercambiables.
Sin embargo, aún en el uso relativista existen varias magnitudes
diferentes que se interpretan como la "masa" de una partícula o
cuerpo, en particular no deben confundirse:
Masa invariante, también conocida como masa en reposo, que
es una magnitud independiente del observador.
Masa relativista aparente, o simplemente masa aparente, que es
una magnitud dependiente del sistema de referencia que
incrementa su valor con la velocidad.
Masa inercial aparente, sería el cociente entre la fuerza aplicada
a una partícula y el módulo de la aceleración observada.
TEORÍA CUÁNTICA Y EL EFECTO
FOTOELÉCTRICO
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de
electrones por un metal o fibra de carbono
cuando se hace incidir sobre él una radiación
electromagnética (luz visible o ultravioleta, en
general). A veces se incluyen en el término otros
tipos de interacción entre la luz y la materia:
Fotoconductividad: es el aumento de la
conductividad eléctrica de la materia o en diodos
provocada por la luz. Descubierta por Willoughby
Smith en el selenio hacia la mitad del siglo XIX.
Efecto fotovoltaico:
Transformación parcial de la energía luminosa en
energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada
por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio
recubierto de una fina capa de oro.
El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por
Heinrich Hertz en 1887, al observar que el arco que
salta entre dos electrodos conectados a alta tensión
alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz
ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad.
IDENTIFICACIÓN
DE LA
ESTRUCTURA
ATÓMICA
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.
Modelo atómico de Dalton, surgido en el contexto de la química, el
primero con bases científicas.
Modelo atómico de Thomson, o modelo del budín, donde los
electrones son como las "frutas" dentro de una "masa" positiva.
Modelo del átomo cúbico de Lewis, donde los
electrones están dispuestos según los vértices de un
cubo, que explica la teoría de la valencia.
Modelo atómico de Rutherford, el primero que
distingue entre el núcleo central y una nube de
electrones a su alrededor.
Modelo atómico de Bohr, un modelo cuantiado del
átomo, con electrones girando en órbitas circulares.
Modelo atómico de Sommerfeld, una versión
relativista del modelo de Rutherford-Bohr.
Modelo atómico de Schrödinger, un modelo cuántico
no relativista donde los electrones se consideran
ondas de materia existente.
DALTON
El modelo atómico de Dalton fue expuesto en un libro
llamado “Nuevo sistema de filosofía química”, y en síntesis
decía
lo
siguiente:
La materia está formada por partículas pequeñísimas
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, al combinarse para formar compuestos
guardan relaciones simples.
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).
THOMPSON
El modelo atómico de Thompson es una teoría sobre la estructura atómica
propuesta en 1904 por Joseph John Thompson, quien descubrió el electrón
en 1898, mucho antes del descubrimiento del protón y del neutrón. En dicho
modelo, el átomo está compuesto por electrones de carga negativa en un
átomo positivo, como un budín de pasas (o un panque).Se pensaba que los
electrones se distribuían uniformemente alrededor del átomo. En otras
ocasiones, en lugar de una nube de carga negativa se postulaba con una
nube de carga positiva.
RUTHERFORD
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 Ernesto
Rutherford para explicar los resultados de su
"experimento de la lámina de oro", realizado en 1911.
El modelo de Rutherford fue el primer modelo atómico
que consideró al átomo formado por dos partes: la
"corteza", 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 extra nuclear
se encuentran los electrones de carga
negativa.
BHOR
En la teoría de Rutherford (átomo de
Rutherford) publicó su modelo atómico
(Modelo atómico de Bohr) en 1913,
introduciendo la teoría de las órbitas
cuantificadas, que en la teoría mecánica
cuántica consiste en las características que,
en torno al núcleo atómico, el número de
electrones en cada órbita aumenta desde el
interior hacia el exterior.
En su modelo, además, los electrones podían caer (pasar de
una órbita a otra) desde un orbital exterior a otro interior,
emitiendo un fotón de energía discreta, hecho sobre el que se
sustenta la mecánica cuántica.
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 (ver abajo).
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.
MODELO CUÁNTICO
Los números cuánticos son unos números
asociados a magnitudes físicas conservadas en
ciertos sistemas cuánticos. Corresponden con
los valores posibles de aquellos observables
que conmutan con el Hamiltoniano del sistema.
Los números cuánticos permiten caracterizar los
estados estacionarios, es decir los estados
propios del sistema.
En física atómica, los números cuánticos son valores
numéricos discretos que indican las características de
los electrones en los átomos, esto está basado en la
teoría atómica de Niels Bohr que es el modelo atómico
más aceptado y utilizado en los últimos tiempos por su
simplicidad.
En física de partículas, también se emplea el término
números cuánticos para designar a los posibles
valores de ciertos observables o magnitud física que
poseen un espectro o rango posible de valores
discreto.
NÚMEROS ORBITALES
Un orbital atómico es una determinada función
de onda, espacial e independiente del tiempo
a la ecuación de Schrödinger para el caso de
un electrón sometido a un potencial
colombiano. La elección de tres números
cuánticos en la solución general señalan
unívocamente a un estado mono electrónico
posible.
El nombre de orbital también atiende a la
función de onda en representación de
posición independiente del tiempo de un
electrón en una molécula. En este caso se
utiliza el nombre orbital molecular.
La combinación de todos los orbitales
atómicos dan lugar a la corteza electrónica
representado por el modelo de capas
electrónico. Este último se ajusta a los
elementos según la configuración electrónica
correspondiente.
PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI
El principio de exclusión de Pauli es un principio cuántico enunciado por
Wolfang Ernst Pauli en 1925. Establece que no puede haber dos fermiones
con todos sus números cuánticos idénticos (esto es, en el mismo estado
cuántico de partícula individual) en el mismo sistema cuántico ligado.[1]
Formulado inicialmente como principio, posteriormente se comprobó que era
derivable de supuestos más generales: de hecho, es una consecuencia del
teorema de la estadística del spin.
exclusión de Pauli fue formulado para explicar la estructura atómica, y
consistía en imponer una restricción sobre la distribución de los electrones
entre los diferentes estados. Posteriormente, el análisis de sistemas de
partículas idénticas llevó a la conclusión de que cualquier estado debía
tener una simetría bajo intercambio de partículas peculiar, lo cual implicaba
que existían dos tipos de partículas: fermiones, que satisfarían el principio
de Pauli, y bosones, que no lo satisfarían.
Como se ha dicho, el principio de exclusión de Pauli sólo es aplicable a
fermiones, esto es, partículas que forman estados cuánticos anti simétricos
y que tienen espín sementero. Son fermiones, por ejemplo, los electrones y
los quarks (estos últimos son los que forman los protones y los neutrones).
PRINCIPIO DE MÁXIMA MULTIPLICIDAD
El principio de máxima duplicidad (regla Hund ),
establece que: los electrones que entran en los
orbítales p, d o f ocuparan primero orbítales con
sus giros paralelos en el mismo sentido.
También puede expresarse así: ningún orbital
puede tener dos electrones mientras otro del
mismo
subnivel
este
vació.
Este principio hace referencia que cuando los
electrones se van agregando a los orbítales que
tienen la misma energía (llamados degenerados) lo
deben de hacer entrando un electrón en cada orbital
de forma tal que queden desapareados y con spin
paralelo antes de que completar un orbital donde los
electrones se encuentran apareados, por ejemplo el
fósforo tiene un numero atómico de 15 sus tres
últimos electrones se encuentran en el subnivel p del
nivel 3, la colocación de estos tres electrones se
puede representar de la siguiente manera.
Como se muestra en la figura, un átomo de fósforo
tiene 15 electrones y 15 protones, por lo que la valencia
del fósforo es cinco. El nivel de valencia necesita tres
electrones para estar completo.
PRINCIPIO DE INDETERMINACIÓN DE HEISENBERG
En mecánica cuántica, la relación de
indeterminación de Heisenberg o principio de
incertidumbre establece la imposibilidad de
que determinados pares de magnitudes
físicas sean conocidas con precisión
arbitraria. Sucintamente, afirma que no se
puede determinar, en términos de la física
cuántica, simultáneamente y con precisión
arbitraria, ciertos pares de variables físicas,
como son, por ejemplo, la posición y el
momento lineal (cantidad de movimiento) de
un objeto dado.
En otras palabras, cuanta mayor certeza se
busca en determinar la posición de una
partícula, menos se conoce su cantidad de
movimiento lineal y, por tanto, su velocidad.
Este principio fue enunciado por Werner
Heisenberg en 1927.