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MATERIA Y ENERGÍA
2.1. Introducción ..................................................................................
2.2. La materia. Estructura. ...................................................................
2.2.1. Generalidades .........................................................................
2.2.2. El átomo .................................................................................
2.2.3. La unión entre los átomos: cristales y moléculas ..........................
2.2.4. La materia a nivel macroscópico.................................................
2.3. La energía .....................................................................................
2.3.1. Generalidades .........................................................................
2.3.2. Energía y átomos .....................................................................
2.3.3. Energía y cristales y moléculas ..................................................
2.3.4. Energía y materia ....................................................................
2.3.5. Definición de energía ................................................................
2.4. Las transformaciones de la materia y de la energía .............................
2.4.1. Generalidades .........................................................................
2.4.2. Transformaciones de la materia y la energía en las reacciones
químicas ....................................................................................
2.4.3. Transformaciones de la materia y la energía en los cambios
de estado ..................................................................................
2.4.4. Conversiones energéticas ..........................................................
2.4.5. Reversibilidad de las conversiones energéticas .............................
2.5. Conversión energética y eficiencia: rendimiento .................................
LECTURA: NATURALEZA DE LA LUZ .........................................................
Las primeras teorías sobre la naturaleza de la luz ..................................
Triunfo de la teoría ondulatoria: ondas electromagnéticas .......................
Efecto fotoeléctrico ............................................................................
E=m•c
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2. MATERIA Y ENERGÍA
2.1. Introducción
En este punto se expone en forma descriptiva y somera el estado actual de
conocimientos sobre estos dos conceptos, materia y energía con los que
se convive cotidianamente, pero que resultan muy difíciles de comprender
cuando se “penetra en su complejidad”.
A pesar de los grandes avances sobre estos conceptos, acaecidos en el siglo XIX
y XX, aún hoy puede decirse que continúan habiendo grandes interrogantes,
y que la humanidad aún dista mucho de conocer la “naturaleza profunda”
de la materia y la energía. Estos interrogantes, esta incertidumbre, se
extienden desde lo infinitamente grande (el universo) hasta lo infinitamente
pequeño (el átomo con todo su conjunto de partículas subatómicas), desde
la naturaleza de la luz hasta las enormes energías encerradas en el interior
de los núcleos atómicos.
Se sabe que materia y energía son conceptos indisolublemente unidos,
dos caras de una misma realidad, pero que en gran parte sigue siendo un
misterio para los humanos. La Física y la Química, entre otras, son las ramas
del conocimiento que se ocupan de descifrar estos enigmas, pero unas y
otras avanzan en la medida de que se ha ido disponiendo de instrumentos
que permitan “ver más allá” de lo que se observa a través de los sentidos.
El conocimiento de los aspectos íntimos de la materia y de la energía se ven
constreñidos por una doble limitación: por la disponibilidad de instrumentos
(de tecnología) capaces de detectar ciertos fenómenos (por ejemplo, un
acelerador lineal capaz de lanzar un chorro de electrones contra el núcleo
de un átomo y romperlo, así como un sistema de detención capaz de “ver”
las partículas subatómicas desprendidas), así como por los inconvenientes
derivados de la interacción entre el aparato de medida y el fenómeno que se
quiere observar (muchas veces, la presencia del aparato de medida impide
que el fenómeno se manifiesta en su naturaleza real)
Desde luego, la Física también se plantea “modelos teóricos”, formulaciones
matemáticas de las teorías derivadas de los nuevos conocimientos. Así los
avances de los conocimientos sobre la materia y la energía se apoyan en
una parte experimental y otra parte teórica. Incluso, puede afirmarse que
la enorme complejidad de estos temas, las formidables incógnitas que se
plantean, acercan cada vez más las Ciencias Básicas y las Tecnologías, a la
Filosofía.
Por último, también ha de señalarse una dificultad añadida para la
comprensión de estos temas, cual es el lenguaje empleado para tratarlos y
para explicitarlos. El lenguaje común se ha configurado sobre la experiencia
cotidiana de los sentidos, es decir, sobre los conceptos de una “Física
clásica” que la imaginación percibir (movimiento, partícula, masa, etc.). Los
fenómenos que ocurren “al margen de nuestros sentidos” resultan difíciles
de entender y requieren nuevos términos para su expresión.
Por las mismas razones anteriores, también resulta difícil presentar estos
temas (materia y energía) en forma estructurada e independiente (lo cual
facilitaría su comprensión). A pesar de todo, se ha configurado el tema en tres
apartados: materia, energía y transformaciones de ambas, con la esperanza
de que de este modo, su comprensión sea más sencilla.
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2.2. La materia. Estructura.
2.2.1. Generalidades
Según el diccionario, “materia es la sustancia de que están constituidas las
cosas”. También, “cualquier cosa que ocupa espacio”, añadiéndose también en
algunas definiciones que la materia “posee masa” y que puede “presentarse”
en tres “estados”: Sólido, Líquido y Gaseoso.
Los griegos, partiendo de que la materia sólida podía dividirse en pequeños
granos, en motas de polvo, definieron con la palabra “átomo” lo que
teóricamente consideraban la parte más pequeña e indivisible de la materia
(una partícula sería la parte más pequeña de la materia que se puede obtener
por procedimientos físicos)
Más tarde, cuando se comenzaron a comprender y efectuar las reacciones
químicas, se observó que la materia podía transformarse, que unas sustancias
podían convertirse en otras. Así se llegó al concepto de “elementos puros” y
“elementos compuestos”.
Los primeros no podían transformarse en otros, por procedimientos químicos,
mientras que los segundos sí se podían transformar (un elemento puro es el
oxígeno (O2) y un elemento compuesto es el agua (H2O).
Finalmente, también se introdujeron los conceptos de “sustancias puras” y
“mezclas”. Las primeras están formadas por elementos, puros o compuestos,
mientras que las segundas están formadas por dos o más sustancias que
pueden separarse por procedimientos físicos. Estas mezclas pueden ser
homogéneas, en la que no se distinguen sus componentes ni siquiera
al microscopio, como las disoluciones, por ejemplo el agua salada; y
heterogéneas, en las que sus componentes diferentes se observan a simple
vista (como el mortero de cemento, por ejemplo)
LA MATERIA A NIVEL MACROSCÓPICO
Estado de agregación:
Sólido
Líquido
Gaseoso
Mezclas:
Homogéneas
Heterogéneas
Sustancias puras:
Elementos
Compuestos
2.2.2. El átomo
La primera idea “moderna” de átomo fue formulada por J. Dalton (químico
inglés, 1766-1844) a partir de los estudios sobre reacciones químicas. El
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átomo se definía, en la práctica, como lo hicieron los griegos en la filosofía:
como “partícula material indivisible”.
Ya en el siglo XIX, Thomson realizó un estudio sobre la conductividad de
gases a baja presión en un tubo de descarga y observó una luminiscencia
en la pared del tubo opuesta al cátodo a los que llamó “rayos catódicos” (los
observó por la sombra del ánodo sobre el fondo del tubo). Se desplazaban
en línea recta, tenían gran energía cinética (hacían rodar una rueda de
paletas interpuesta en su trayectoria), se desviaban hacia la placa positiva al
aplicarles un campo eléctrico y comprobó además que eran independientes
del gas encerrado en el tubo (su relación carga eléctrica dividida por la masa
era igual para todos). Esta partícula, idéntica para todos los gases, y con
carga negativa, la llamó “electrón”.
Tubo de descarga
Rueda de paletas
A la bomba de vacio
Luminiscencia
Chorro de partículas
P < 0,1 Pa
Sombra
+
Ánodo
Rayos catódicos
Cátodo
Alto voltaje
(5000 V)
Figura 2.1. Tubo de descarga
De acuerdo con esta experiencia, Thomson propuso en 1898 un modelo de
átomo compuesto por un conjunto de electrones incrustados en una masa
esférica, cargada positivamente, y de naturaleza desconocida.
Electrón
Materia cargada
positivamente
Figura 2.2. Modelo atómico de Thomson
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En 1886, el físico alemán E. Goldstein (1850-1931) profundizó los estudios
en los tubos de descarga. Al emplear un cátodo perforado observó otra
radiación de partículas con carga positiva que aparentaba provenir de los
canales abiertos en el cátodo, por los que los llamó “rayos canales”.
Tubo de descarga y rayos canales
A la bomba de vacio
Cátodo perforado
Luminiscencia
P < 0,1 Pa
Sombra
+
-
Ánodo
Rayos
catódicos
Rayos
canales
Alto voltaje
(5000 V)
Figura 2.3. Rayos canales en tubo de descarga
Observó que se desviaban hacia la placa negativa de un campo eléctrico
aplicado y que la relación entre la carga y la masa diferida de un gas a otro.
Posteriormente, se comprobó que la carga eléctrica de esta partícula era
igual a la del electrón, y pasó a denominarse “protón”.
En el año 1919, el físico neocelandés E. Rutherford (1871-19379) realizó
una serie de experimentos bombardeando con partículas α (procedentes de
un material radioactivo, por ese entonces recientemente descubiertos) una
lámina de oro.
Como resultado de sus experimentos formuló su “modelo nuclear del átomo”,
formado por un núcleo, donde se alojan los protones y la casi totalidad de
la masa, y una corteza, formada por los electrones que giran alrededor del
núcleo (como si se tratara de un sistema solar en miniatura).
Dado
que
los
átomos
son
eléctricamente neutros, dedujo que el
número de protones y de electrones
tenía que ser el mismo.
En 1930, los físicos Bothe y Becker
observaron una nueva radiación,
muy penetrante, al someter una
muestra de berilio a un bombardeo
con partículas α.
E=m•c 2
Figura 2.4. Átomo de Rutherford
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En 1932, J. Chadwick confirmó
la neutralidad eléctrica de las
mismas (no eran desviadas por el
campo eléctrico), y las denominó
“neutrones”.
Por medio de los “espectrógrafos de masas” se determinaron las masas de
los diferentes componentes del átomo:
•
Masa del electrón: 9,109534·10-31Kg
•
Masa del protón: 1,672649·10-27Kg
•
Masa del neutrón: 1,674954·10-27Kg
La determinación de la masa de los elementos subatómicos se consiguió con el espectrógrafo de
masas.
Iones del elemento
E
Placa fotográfica
Rendijas
colimadoras
Campo magnético
Figura 2.5. Espectrógrafo de masas
Consiste esencialmente en un potente campo magnético perpendicular a la trayectoria de las
partículas. La fuerza que actúa sobre ellas las desvían más o menos de su trayectoria, y esta
desviación es proporcional a su masa
Estudios posteriores revelaron una nueva peculiaridad: habían átomos con
las mismas propiedades químicas pero con diferente masa. A estos los
llamaron “isótopos”.
De acuerdo con todo lo conocido hasta ese momento, el átomo estaba
definido por dos características: su “número atómico”, o número de protones
presentes en el núcleo (Z), y su “número masivo”, determinado por la suma
de protones y neutrones de su núcleo (A)
(El número de electrones no es definitorio de un átomo; este puede perder
o ganar un electrón, por ejemplo, convirtiéndose en un ión, pero conserva
todas sus propiedades químicas)
De acuerdo con esta nomenclatura, un átomo cualquiera X se representa en
su composición interna, por:
A mediados del siglo XIX los científicos inventaron un nuevo aparato, al que
llamaron “espectrógrafo de emisión”. Consistía fundamentalmente en excitar
el átomo, suministrándole energía (térmica o de otro tipo) y luego estudiar
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el espectro de esa radiación emitida (su luz, visible, o no) cuando volvía a su
situación originaria. Así se obtendría lo que llamaron “espectro de emisión”
de cada elemento.
Tubo de descarga
que contiene el elemento
Pantalla
Prisma
Espectro de emisión
Pantalla
Violeta
Azul
Rojo
Ultra
Violeta
Infra
Rojo
�
360,6 nm
656,3 nm
Figura 2.6. Espectro de emisión de un elemento
El espectro de la luz solar es continuo, es decir, contienen todas las frecuencias,
mientras que los espectros de los elementos son discretos, es decir, contienen
radiaciones en frecuencias determinadas (que siempre son las mismas,
constituyendo las auténticas “huellas dactilares” de los elementos)
Esta situación no concordaba en el modelo atómico de Rutherford, pues
según él, el espectro de emisión del electrón (o electrones) excitado debería
ser continuo (al retornar a su posición originaria de forma continua, siguiendo
una trayectoria en espiral)
Además, para mantener la órbita circular el electrón debería recibir energía
de forma continua, pues se trata de un movimiento acelerado (aceleración
centrífuga)
Teoría cuántica de Planck
Amplitud, A
Según la teoría electromagnética clásica, la energía de una onda depende exclusivamente de
su amplitud.
Longitud de onda
en un período, T
Velocidad, v
Figura 2.7. Onda electromagnética
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Sin embargo, al observar el espectro de emisión de diferentes elementos, la energía emitida no
era proporcional a la longitud (o longitudes) de onda correspondiente.
En 1900, el físico alemán M. Planck (1858-1947) propuso su revolucionaria teoría, a la que
se llamó “teoría cuántica”. Según ella, los cuerpos emiten o absorben energía en forma de
“paquetes” o “cuantos” de energía.
La energía de un cuanto viene dada por la expresión:
E=h· υ
Siendo υ la frecuencia de la onda de emisión y h una constante a la que asignó el valor
h=6,625·10-34J·s
Para salvar las inconsistencias del modelo atómico de Rutherford, el físico
danés Niel Bohr (1885-1962) formuló en 1913 una nueva teoría sobre la
estructura del átomo, en la que suponía que la energía del electrón dentro del
átomo está cuantizada, es decir, que los electrones sólo pueden encontrarse
en determinados niveles alrededor del núcleo (niveles permitidos de energía,
a los que denominó con los números naturales 1,2,3,…..)
En esos niveles, el momento angular (producto de la masa por la velocidad
y por el radio de la órbita del electrón) es un múltiplo entero de la constante
de Planck h.
Según este modelo, sólo se emite o absorbe energía cuando el electrón pasa
de un nivel permitido a otro (de esta forma justificaba que el espectro de
emisión fuese discontinuo)
Si se toma el espectro de
emisión (radiación emitida
cuando el electrón cae a su
nivel más bajo), se observa
un número discreto de líneas, correspondiente a los
distintos niveles de energía
previstos por Borh.
El modelo de Borh también
presenta serios inconvenientes pues no explicaba
el porqué la energía en las
órbitas estaba cuantizada y
porque tampoco encajaba
E4
E3
Energía creciente
de los niveles electrónicos
En la figura 2.8 se observa un átomo de hidrógeno formado por un protón
y un electrón, girando en
una órbita circular de mínima energía (no excitado).
Cuando se le suministra
energía, el electrón gira en
la órbita E5.
Electrón excitado
�E = E4 - E1
E2
Órbitas circulares
E1
Emisión de luz
monocromática
Nivel fundamental
v=
E4 - E1
h
n=1 n=2 n=3 n=4
Núcleo
Figura 2.8. Niveles energéticos de los electrones
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con los nuevos resultados experimentales obtenidos con espectrógrafos más
potentes, en los que se observó que algunas líneas del espectro eran dos en
realidad, o que el espectro de emisión obtenido cuando la sustancia se sometía simultáneamente a un campo magnético, algunas líneas se desdoblaban
en varias.
Para salvar estos inconvenientes, Heisemberg y Schorödinger propusieron
un nuevo modelo, al que se denominó mecánico-cuántico.
Orbital
90% de
probabilidad
Distintas posiciones
del electrón
Figura 2.9. Modelo mecánico-cuántico del átomo
Según este modelo, el electrón en movimiento tiene asociada una onda
(el movimiento del electrón es de carácter ondulatorio) y por otro lado es
imposible predecir con exactitud las trayectorias exactas de los electrones y
ni mucho menos su posición. Se introduce así el concepto de “orbital”, que
son unas superficies imaginarias dentro de las cuales la posibilidad de que se
encuentran el electrón es máxima.
Este modelo introduce también los “números cuánticos”, que describen con
más exactitud la distribución de los electrones en los átomos, de acuerdo con
los resultados experimentales.
Cuatro son los números cuánticos definidos en este modelo:
1º. El número cuántico principal, n, designa el nivel de energía (diámetro
del orbital). Se denominan por los números 1,2,3,…..
2º. El número cuántico del momento angular orbital, l, que determina la
forma de la órbita y la energía dentro de cada nivel. Se designan por
las letras s,p,d y f.
3º. El número cuántico magnético, ml, que refleja la posición del orbital
en el espacio y explica el desdoblamiento de las líneas espectrales
al aplicar un campo magnético externo. Toma valores –l, -l+1,l+2,……..,0,+1,………-l-1,l (si l=2 –orbital d) ml=-2,-1,0,+1,+2.
4º. El número cuántico magnético del spin del electrón, ms, determina
si el electrón se alinea de forma paralela o antiparalela a un campo
magnético externo. Puede tener valores +1/2 y -1/2.
El ordenamiento de los electrones en los diferentes niveles y orbitales se
rigen por dos reglas:
o
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El “Principio de exclusión de Pauli”, que supone que dos electrones
de un mismo átomo no puede tener los cuatro números cuánticos
iguales. Además, los orbitales se llenan según sus energías
relativas, empezando por la de menor energía.
o
La “Regla de Hund” que señala que dos orbitales con los mismos
números cuánticos n y l tienen la misma energía.
La configuración de los electrones de un átomo configura su estructura o
configuración electrónica. La configuración fundamental es la del átomo
en estado natural, no excitado, o de mínima energía.
El tamaño del átomo
El átomo del elemento más sencillo, el hidrógeno, está formado por un protón de 10-15m, de
10-15m
electrón
electrón
-10
protón
10
m
10
x 1015m
10-15m
m
0K
1m
Figura 2.10. Tamaño del átomo
radio y girando a su alrededor, a una distancia de 10-12m, un electrón con un radio de 10-15m.
Si el protón y electrón tuvieran un radio de 1m, la distancia entre ellos sería de 100.000m
(100km)
En átomos con mayor número másico A, el radio del núcleo es del orden de 10-14m, y puede
calcularse por la expresión:
R=1,2·10-15·A1/3m
Ni el modelo atómico de Bohr, ni el mecánico-cuántico, explican qué ocurre
en el núcleo de los átomos, cómo están estos constituidos.
Con estos modelos, el núcleo no podría mantenerse estable, pues los
neutrones se repelarían (al tener la misma carga eléctrica), y las atracciones
gravitatorias entre neutrones y protones serían despreciables (dada la
pequeñez de sus masas y las cortas distancias entre ellos)
La realidad obliga a aceptar la presencia de fuerzas entre los nucleones
(nombre genérico que se les da a todos los componentes del núcleo) mucho
mayores que las electroestáticas y las gravitatorias, a las que se conoce con
el nombre de “interacción fuerte”.
Su naturaleza es desconocida, pero presentan dos características que han
sido observadas:
−
Son fuerzas independientes de la carga (no distinguen entre protones y
neutrones)
−
Son fuerzas de corto alcance (del orden de 2·10-15m)
Para explicar la naturaleza de las fuerzas nucleares, H. Yukawa, en 1935,
propuso que el protón y el neutrón no son partículas distintas, sino que una
se transforma en la otra intercambiando una tercera partícula, a la que se
denominó “mesón” (su carga eléctrica, positiva o negativa es igual a la del
protón, y su masa entre 200 y 300 veces la del electrón)
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En el proceso de intercambio, cuando un protón emite un mesón pierde su
carga eléctrica y se convierte en un neutrón. El neutrón, al emitir un mesón
se convierte en un protón; a su vez, el protón acepta un mesón negativo y
se convierte en un neutrón y así sucesivamente.
(Gráficamente puede imaginarse la “unión” entre dos personas, cuyo vínculo
consiste en lanzarse mutuamente una pelota, a una cierta distancia. Para un
observador exterior que no vea la pelota, existe “algo” que los mantiene en
sus posiciones, unidos)
En 1937, Anderson y Neddermeyer descubrieron en los rayos cósmicos una
partícula que parecía tener la masa que predecía Yukama. Sin embargo, esa
partícula interaccionada muy débilmente con los nucleones.
Sin embargo, en 1945, el físico británico C.F.Powell, analizando cuidadosamente
los rayos cósmicos a gran altura (montañas y globos) encontraron un
nuevo mesón de mayor masa, que interaccionaba fuertemente con los
núcleos atómicos que se encontraban en su trayectoria, desintegrándose
fácilmente.
El mesón pesado se denominó “mesón pi” o “pión”, y era la partícula que
Yukawa había previsto.
Estos piones se producen en las altas capas de la atmósfera por la acción de
los rayos cósmicos y se desintegran en los mesones más ligeros detectados
por Anderson y Neddermeyer. Se les denominó a estos mesones ligeros
mesones mu”, o “muones”.
Cuando con un espectrógrafo de masas se mide la masa de un núclido se
observa que esta es algo menor que la suma de las masas de los nucleones
que lo forman.
La energía correspondiente a este “defecto de masa ∆m” o “energía de
empaquetamiento o energía de enlace”, que aparece por el hecho de formar
(el núcleo) una estructura, es enorme, y viene dada por la expresión:
E=∆m·c2
(c= velocidad de la luz)
Esta energía es equivalente a la que se necesitaría para separar los núcleos
a una distancia tal que desaparezca la interacción entre ellos.
Como ocurre con los electrones, cuando se excita un núcleo atómico por
colisión de alguna partícula, por absorción de radiación o por alguna otra
causa, algún nucleón cambia su estado, del natural de mínima energía a otro
de mayor energía (excitado)
Cuando cese la excitación, el nucleón regresa a su nivel inicial, dando lugar
al correspondiente espectro. El estudio de estos espectros indica que los
nucleones también se encuentran ocupando diferentes niveles de energía
(aún cuando la energía correspondiente a cada nivel es millones de veces
mayor que en el caso de los electrones)
En la actualidad, se conocen más de mil núclidos diferentes, de los cuales 284
son estables. Estos últimos pertenecen a 83 elementos, desde el hidrógeno
al bismuto.
Veinte de ellos tienen un solo núclido, mientras que los otros tienen dos o
más (núclidos isótopos). El estaño contiene 10 núclidos.
En la mayoría de los núclidos estables (excepto el del hidrógeno y el del helio),
el número de neutrones es siempre igual o mayor que el de protones.
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Radiación nuclear
En 1986, Henri Becquerel descubrió que el mineral de uranio emitía una radiación similar a los
rayos X.
En 1904, E. Rutherford y E. Soddy habían descubierto una veintena de elementos radiactivos
naturales.
Del estudio de estas radiaciones se llegó a determinar la existencia de tres tipos diferentes, a
los que se llamó rayos α, rayos β y rayos γ.
Cuando se estudió el comportamiento de estos rayos bajo la acción de campos eléctricos y
magnéticos se comprobó que los rayos β eran similares a los catódicos, y por tanto, electrones
(partículas, no rayos), mientras que los α se identificaron con núcleos de átomos de helio
(ambos eran desviados por campos eléctricos en direcciones opuestas)
Los rayos γ no eran desviados, y además eran muy penetrantes, pues podían traspasar gruesas
láminas de metal. En 1914 se demostró que los rayos γ eran una auténtica radiación, similar a
los rayos X, y se midió su longitud de onda.
(En la actualidad, las denominaciones correctas son partículas α y β y rayos γ)
La emisión de partículas α y β implican la transformación del núclido original en otros diferentes,
pudiendo quedar este en estado excitado.
El proceso por el cual el núclido excitado pasa a su estado fundamental de menor energía
constituye la radiación γ.
(Como siempre, la energía de esta radiación depende de su frecuencia (γ) y vale:
E= υ ·h
(h= constante de Planck)
Los materiales radioactivos naturales sufren una cadena de desintegraciones sucesivas, cuyo
resultado final siempre es algún isótopo del plomo.
La identificación de las partículas β con electrones suponía una serie de
contradicciones, pues no se conocía la existencia de electrones en el núcleo
de los átomos.
Esta contradicción se salvó admitiendo que en el proceso de emisión de
partículas β, un neutrón se desintegra en un protón y un electrón, siendo
ésta la partícula β emitida. En este caso, todos los electrones deberían tener
la misma energía, lo cual no es cierto, puesto que el espectro de emisión de
partículas β es continuo. Para salvar este problema, Pauli sugirió la presencia
de otra partícula, a la que llamó “neutrino”, sin carga eléctrica y con una masa
muy pequeña y con capacidad para transportar energía (así, la energía total
de la emisión β se distribuiría entre el electrón y el neutrino, en diferentes
proporciones)
En el año 1956 pudo demostrarse experimentalmente la existencia de esta
partícula.
El último paso en el conocimiento de la estructura de los núcleos atómicos
viene de la mano de la radioactividad artificial (rotura de los núcleos
provocada por el bombardeo de los mismos con partículas α, neutrones u
otras formas.
Como resultado de estos ensayos, en 1933 los esposos Joliot-Courie, al
bombardear átomos ligeros (boro, magnesio y aluminio) con partículas α
observaron que se producían protones y neutrones, además de otra partícula
de la misma masa del electrón y cuya carga es igual a la de este pero de
sentido contrario, o la que llamaron “positrón”.
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Además, comprobaron que los elementos utilizados como blanco seguían
emitiendo positrones después de cesar el bombardeo con partículas α. Es
decir, se comportaban como sustancias radiactivas. Se había descubierto la
radiactividad artificial.
Antimateria
Aparte del “antielectrón” o positrón, también se ha detectado antipartículas correspondientes
al protón y al neutrón, mediante la colisión de protones fuertemente acelerados con núcleos de
cobre (en la Universidad de California, en 1950, utilizando un potente acelerador de partículas
allí desarrollado)
Se denominaron “antiprotón” y “antineutrón”.
En todos los casos, las antipartículas tienen una vida efímera, y se aniquilan tan pronto se
encuentran con su homóloga original.
Naturaleza ondulatoria de la materia
En 1926, Davisson y Garmer, y posteriormente G.P.Thonson consiguieron experimentalmente,
y por métodos distintos, difractar un haz de electrones, y demostrar así su naturaleza
ondulatoria.
Experiencias posteriores han demostrado que también los protones, los neutrones y todas las
partículas subatómicas presentan este comportamiento ondulatorio.
De acuerdo con estos experimentos la materia, al igual que la luz, presenta un doble aspecto:
uno ondulatorio, caracterizado por una longitud de onda λ y una frecuencia υ, y otro corpuscular,
caracterizado por su energía E: h·υ y su cantidad de movimiento p= h/λ.
Interacción entre los componentes del átomo
Desde un punto de vista muy general, las “interacciones” que ocurren entre los diferentes
componentes (por ahora conocidos) de los átomos, y que hace que estos tengan una estructura,
son de cuatro tipos:
•
Interacción gravitacional:
Afecta a todas las partículas, atrayéndose entre ellas. Su alcance es muy limitado (por sus
pequeñas masas y las cortas distancias) y su origen es un misterio.
•
Interacción electromagnética:
Actúa sobre las partículas que tienen carga eléctrica (atrayéndose o repeliéndose, según
las cargas sean de diferente o igual signo). Su radio de acción es ilimitado, y su origen otro
misterio.
•
Interacción fuerte:
Llamada “interacción nuclear”, es la que une a los nucleones en el núcleo. Se transmite por
medio de intercambio de mesones, y su radio de alcance es muy corto, del orden de 103cm.
Su origen también desconocido.
•
Interacción débil:
Tiene menor alcance que la fuerte (menos de 10-15cm), y su origen es aún mucho más
misterioso.
En resumen, del átomo sólo se conocen algunos de sus componentes (pues presumiblemente
aún quedan otros por descubrir), su estructura (hasta cierto punto) y la “descripción” de las
interacciones (fuerzas, en algunos casos) que los mantienen unidos.
A pesar de los potentes medios tecnológicos disponibles, la naturaleza del átomo sigue
presentando grandes incógnitas, lo cual supone en continuo reto para científicos y tecnólogos.
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2.2.3. La unión entre los átomos: cristales y moléculas
Todas las sustancias puras, sean elementos o compuestos, están formadas
por agrupaciones de átomos, unidos entre sí por diversos tipos de “enlaces”:
iónico, covalente y metálico.
La capacidad que tiene un átomo para unirse a otro (u otros) se denomina
“valencia”. Ésta es el número de electrones que es capaz de ganar
(electrovalencia negativa) o compartir (electrovalencia positiva) con el fin de
alcanzar (el conjunto) una estructura estable (la última capa de electrones
completa)
El enlace iónico se da entre átomos que tienen facilidad para ganar
o perder un electrón de su última capa, convirtiéndose así en iones
negativos o iones positivos, respectivamente (átomos que les falta un
electrón para completar la última capa, o que sólo tienen un electrón en
ella)
Los iones formados, al tener carga eléctrica diferente, se atraen
electrosticamente (fuerza de Conlomb) y así quedan unidos, enlazados.
Como cada ión crea un campo eléctrico a su alrededor tiende a rodearse
de iones de signo contrario, por lo que no se forma una sola molécula,
sino una red (red cristalina). Las fuerzas de enlace electroestáticas son
relativamente altas, por lo que estos compuestos, además de ser sólidos,
tienen una gran dureza. Existen relativamente pocas sustancias que
presentan este tipo de enlace.
Nivel M
Na
p
vel
i
n
Sub
Nivel M
Subnivel s
−
n
Cl
b
Su
el
iv
s
Na+
Cl-
Figura 2.11. Enlace iónico del cloruro sódico
47
−
El enlace covalente consiste en la compartición de electrones de la
última capa, de dos átomos, para conseguir en ambos una configuración
estable.
Cada par de electrones comunes define un enlace. Los átomos están muy
próximos entre sí (más que en el caso del enlace iónico) y las fuerzas de
enlace son más intensas.
Como resultado de estos enlaces se forman “moléculas independientes”
(y no redes, como era el caso del enlace iónico)
La unión entre estas moléculas independientes se establece por
interacciones moleculares de tipo cohesivo (fuerzas de Van der Waals) y
son muy débiles, o no existen en la práctica.
Como resultado, este enlace es el que presentan las sustancias líquidas
y gaseosas a temperatura ambiente (algunos son sólidos, pero con un
punto de fusión muy bajo)
Cuando los dos átomos que se unen son iguales la distribución de cargas
eléctricas es simétrica, el enlace se llama homopolar, y la molécula
resultante es eléctricamente neutra (figura 2.12)
Molécula de oxígeno
Figura 2.12. Enlace homopolar
Sin embargo, si la distribución de cargas no es simétrica, la molécula
resultante es bipolar (dipolo), en la cual los centros de la cargas positivas
y negativas están desplazados (figura 2.13)
Hidrógeno
Mayor densidad
electrónica -
Menor densidad
electrónica +
Oxígeno
Hidrógeno
Figura 2.13. Enlace bipolar
48
En general son muy pocas las sustancias que presentan enlaces iónicos o covalentes puros.
Lo más normal es que participen simultáneamente de ambos, lo que se conoce como “estructura
resonante”. De esta forma, una misma molécula participa a la vez de las dos formas de
enlace.
−
El enlace metálico se caracteriza porque los átomos se agrupan formando
redes cristalinas compactas (de tipo hexagonal, cúbica centrada en las
caras y cúbica centrada en el centro), con los nudos ocupados por los
átomos del metal.
Todos los átomos están ionizados positivamente (cationes), pues cada
uno de ellos ha cedido uno o varios de sus electrones de valencia. Estos
electrones cedidos son comunes a todos los átomos, comportándose
como una “nube” o “gas” que los envuelve.
La red cristalina mantiene su estabilidad por medio de las acciones
mutuas entre los iones metálicos y la “nube electrónica”.
(Esto explica la gran movilidad de los electrones en los metales y
consecuentemente, su alta conductividad eléctrica)
Movimiento molecular
Cualquiera que sea el tipo de enlace, los átomos (y las moléculas) no permanecen fijos en sus
posiciones, sino que oscilan más o menos fuertemente alrededor de su posición de equilibrio.
Estas oscilaciones se incrementan si a la sustancia se le comunica energía desde el exterior (por
ejemplo, térmica, calentándola)
2.2.4. La materia a nivel macroscópico
A nivel macroscópico, la materia puede presentarse en tres estados de
agregación (en condiciones normales, no excitada): sólido, líquido y
gaseoso.
La materia en estado sólido se caracteriza por tener una forma y un volumen
propios, como resultado de las fuertes uniones entre sus moléculas (como se
vio en el punto anterior, están formados por enlaces de tipo iónico, metálico
y otros)
Los sólidos (a diferencia de los líquidos y los gases) poseen propiedades
“direccionales”, “estructurales”. Así, pueden ser cristalinos (las moléculas
que lo componen están ordenadas según ciertos direcciones espaciales
regulares) y amorfos, no cristalinos.
Los primeros son anisótropos, de manera que propiedades como la dureza,
elasticidad, conductividad eléctrica, etc., dependen de la dirección, mientras
que los segundos son isótropos, con idénticas propiedades en todas
direcciones.
La materia en estado líquido se caracteriza por poseer un volumen definido,
pero no una forma definida (adopta la forma del recipiente donde se
encuentra dos líquidos son perfectamente elásticos y extremadamente
incomprensibles)
Las moléculas de un líquido, formadas por enlaces covalentes, se
encuentran sometidos a débiles fuerzas de atracción entre ellas (atracción
electroestática débil entre las moléculas bipolares, o pequeñas deformaciones
49
instantáneas acaecidas en las moléculas no polarizadas, que las polarizan
momentáneamente), dando lugar a una resistencia a la tracción (muy débil)
y a la cizalladura (viscosidad)
También existe fuerza de atracción entre los líquidos y el medio circundante,
dando lugar a los fenómenos de tensión superficial (atracción entre el líquido,
el aire y las paredes del recipiente) y a la difusión (tendencia a esparcirse
uniformemente por el sólido soporte)
La materia en estado gaseoso se caracteriza por carecer de forma y de
volumen (adopta la forma del recipiente que lo encierra y lo ocupa en su
totalidad)
Los gases son perfectamente elásticos y extremadamente comprensibles.
Las moléculas que componen los gases, con enlaces covalentes, se encuentran
sometidos a fuerzas de atracción muy débiles, o inexistentes. Las únicas
interacciones son los choques entre sí.
Las moléculas de los gases se encuentran en continuo movimiento, describiendo trayectorias
rectilíneas (pero en direcciones aleatorias) hasta que chocan elásticamente entre ellas, o contra
las paredes del recipiente que las contiene. Precisamente a este choque contra las paredes
se las denomina “presión del gas”. Depende, del número de choques por unidad de tiempo
(número relacionado con el número de moléculas presentes en el recipiente) y de la velocidad
de tales moléculas (su energía cinética)
Este comportamiento de los gases explica la Ley de Boyle-Mariot, según la cual la presión del gas
aumenta a medida que el volumen encerrado disminuye (suponiendo que no hay modificación
de la temperatura). En efecto, al disminuir la distancia entre las paredes, y mantener las
moléculas su velocidad, las distancias recorridas por estas son muy cortas, con lo cual el
número de impactos (por unidad de tiempo) contra la pared se incrementa.
Figura 2.14. Aumento de la presión de un gas al disminuir el volumen
A un nivel medio más general, la materia se “agrupa” en “cuerpos celestes”,
desde planetas, satélites, estrellas, sistemas solares, galaxias y sistemas de
galaxias, sin olvidar la “materia difusa”, o “materia oscura” existente en el
universo.
De esta forma queda íntimamente ligado lo “infinitamente pequeño” con lo
“infinitamente grande”.
En el cuadro siguiente se expone una “visión comparativa” de los “tamaños”
de la materia.
50
1027 Universo
1024 Conjunto de galáxias
1021 Vía Láctea
1018 10.000 sistemas solares
1015 Conjunto de sistemas solares próximos
1012 Sistema solar
109 Dos esferas: Tierra y Luna
106 Esfera terrestre
104 Gran Ciudad
10 1 Casa de 3 plantas
10 0 Niño
10-3 Grano de arena
10-6 Célula
10-9 Moléculas
10-12 Átomo (núcleo y electrón)
10-15 Núcleo (neutrones y protones)
10-18 Protón (3 quarks y gluones)
Figura 2.15. Los “tamaños” de la materia
2.3. La energía
2.3.1. Generalidades
Para entender el concepto de energía en toda su profundidad es
preciso relacionarla con la materia pues ambas, materia y energía, van
indisolublemente unidas.
En este punto se verá la energía “asociada” a los átomos (tanto a sus capas
de electrones como a su núcleo), así como la asociada a los enlaces químicos
(cristales y moléculas)
A partir de este análisis se efectuará un estudio de la energía a nivel
macroscópico, lo que podría denominarse “energía de la materia”.
2.3.2. Energía y átomos
En los átomos, la energía “está contenida” en los electrones y en el núcleo.
En el caso de los electrones, su energía está cuantizada, de acuerdo a los
diferentes niveles en que cada uno se encuentra situado. Cuando al átomo se
le comunica energía externa (por ejemplo, calentándolo en un tubo de descarga) sus electrones son excitados, e incrementan sus niveles de energía
(el diámetro de sus órbitas). Cuando cesa la energía exterior, los electrones
regresan a sus posiciones originales, emitiendo en forma de radiación elec-
51
tromagnética (luz visible o no) la energía recibida. El espectro de emisión, no
continuo, es típico de cada átomo.
La energía cedida (igual a la absorbida) viene dada por la expresión:
E=h·υ
Siendo h la constante de Planck 6,625·10-34J·S y υ la frecuencia de la onda
de emisión.
El mecanismo de excitación puede ser variado, incluyendo una radiación
electromagnética, como se comprueba en el efecto fotoeléctrico.
En este caso, al incidir la radiación electromagnética sobre una superficie
metálica se desprenden electrones. Ello es debido a que la radiación
electromagnética también está formada por “cuantos de energía”, que son
los fotones.
Los fotones, de energía E=h·υ impactan sobre los electrones del átomo, le
ceden su energía y los excita hasta el punto que escapan del metal a gran
velocidad (la energía del fotón se emplea en “sacarlo” del metal e incrementar
su energía cinética)
Igualmente ocurre en el caso de elementos no metálicos, que al ser excitados
(suministrándole energía externa por cualquier procedimiento) pierden su
electrón y se convierte en un ión positivo. La energía necesaria para que esto
ocurra se denomina “energía de ionización”.
La energía encerrada en los núcleos de los átomos es mucho mayor que la
contenida en sus electrones, como se demuestra el hecho de que se necesita
suministrar ingentes cantidades de energía para excitar (para romper) los
núclidos.
Estos núcleos están compuestos por una gran variedad de partículas
subatómicas, como se vio al estudiar la materia. Cuando se mide con un
espectrógrafo de masas la masa del núclido se ve que su valor es menor
que la suma de las masas de los nucleones que lo forman. Es lo que se
conoce como “defecto de masa”.
La energía correspondiente a ese “defecto de masa” es la que se precisa para
separar los neuclones (romper el núcleo), y vienen dada por:
E=∆m·c2 (c = velocidad de la luz)
Se denomina “energía de empaquetamiento” o “energía de enlace”, y es
enorme.
Para el nucleón del Níquel, por ejemplo esta energía vale 8,489·1014J/kg.
Al igual que ocurre con los electrones, los núcleos también cambian sus
niveles de energía cuando son excitados (por potentes colisiones, radiaciones
electromagnéticas u otros mecanismos). Cuando cesa la excitación regresan
a sus posiciones de partida y devuelven la energía recibida mediante
radiaciones electromagnéticas con sus correspondientes espectros.
Pero la absorción (y correspondiente emisión) de energía por los núcleos
presenta características muy particulares en algunos elementos, los
denominados radiactivos.
52
En ellos, la radiación emitida después de una excitación está compuesta no
sólo por radiación electromagnética (onda fotón), sino también por partículas
α (núcleos de helio) y β (electrones).
El resultado es que después de la emisión de las partículas α y β el elemento
cambia de naturaleza, se “desintegra”, se “transmuta” en un átomo
diferente.
La diferencia entre la energía contenida en el núcleo inicial y en el nuevo
equivale a la contenida en las partículas α y β emitidas (energía de escape
más cinética) y radiación electromagnética γ (correspondiente a su particular
longitud de onda)
En algunos casos (con algunos materiales como el uranio), esta transmutación
es mucho más profunda y violenta, la denominada “fisión nuclear”.
Cuando un núcleo de uranio
, por ejemplo, es impactado por un neutrón
lento, el átomo del uranio se rompe en dos mitades, cada uno de los
cuales conforma el núcleo de un átomo de Kriptón. En la ruptura se liberan
3 neutrones y se desprende una gran cantidad de energía (en forma de
partículas α y β fuertemente aceleradas y radiación γ)
2.3.3. Energía y cristales y moléculas
La formación de un enlace entre dos átomos es un proceso que implica una
variación de la energía “contenida” en los átomos originarios. Si la energía
de la sustancia resultante es menor que la de los originales, el enlace implica
una emisión de energía y en caso contrario se necesitaría suministrar energía
externa para que el enlace tenga lugar.
Esa diferencia de energía (positiva o negativa) constituye la “energía de
enlace”. En el caso de enlaces iónicos (con la formación de redes cristalinas)
la “energía de red” es la diferencia de energía entre la de los átomos originales
y la de la red cristalina resultante. En estos casos, cuanto menor es la energía
de red, más estable es el componente iónico.
(Por ejemplo, la formación de 1 mol de Cloruro Sódico, partiendo de sodio y
cloro moleculares, implica un intercambio de energía de -787,4KJ, es decir,
energía excedentaria, que se libera al exterior –se dice que la radiación es
esotérmica-)
Todos los cuerpos
poseen la energía
asociada a sus enlaces moleculares y
a la de sus núclidos
y nube de electrones. Se denomina
“energía interna” U
2.3.4. Energía y materia
En la medida que la materia, a nivel macroscópico (incluyendo en este
concepto los planetas, estrellas y galaxias), está compuesta por moléculas,
y éstas a su vez por átomos, todos los conceptos analizados hasta aquí son
aplicables a la materia en sus diferentes estados de agregación.
Sin embargo, a escala macroscópica, o mejor, a escala de uso, la energía se
“manifiesta” de cinco modos diferentes:
Energía gravitacional:
Es la energía que se manifiesta por la atracción de dos masas entre sí,
sean dos cuerpos celestes (la Tierra y la Luna, por ejemplo), dos masas
cualquiera, o dos neutrones.
La causa de esta atracción es aún un misterio.
53
La realidad es que cada masa crea a su alrededor un “campo gravitatorio”,
que atrae a cualquier otra masa que caiga en su campo de acción.
r
M1
F21
F =k·
F12
M2
M1·M2
r2
Figura 2.16. Energía gravitacional.
La fuerza con la que se atraen es directamente proporcional al producto de
las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre
ellas. (Figura 2.16)
Un caso particular es la “energía potencial gravitatoria”, o sea, la atracción
de la masa Tierra sobre cualquier otra masa en su cercanía (un satélite
artificial) o en su superficie (en el caso de una persona, esta fuerza es el
peso de la misma)
La energía potencial gravitatoria de un cuerpo de m kg de masa, situado a
una altura de h metros, sobre la superficie terrestre, es:
Energía = fuerza x distancia
Energía potencial = peso x altura = m·g·h
viniendo w en Julios, m en kg, h en metros y g (aceleración de la gravedad)
en m/s2.
Energía cinética:
Es la energía implícita en una masa en movimiento.
Para una masa m, que se desplaza a la velocidad v, la energía cinética vale
la mitad del producto de la masa por el cuadrado de la velocidad. (Figura
2.17)
W = ½m V2
W viene en Julios, la masa en Kg y la velocidad en m/s.
54
M
v
1
E = M ·V 2
2
Figura 2.17. Energía cinética
Un caso particular de la energía cinética en la energía térmica. Como se ha
visto, todos los cuerpos están formados por conjuntos de moléculas, que
según el grado de movilidad entre ellas pueden adoptar forma sólida, líquida
o gaseosa.
En la forma gaseosa, las moléculas tienen total
libertad para moverse. Cuando se les suministra
energía se mueven más rápido (incrementan su
energía cinética) y el gas se dice que está más
caliente (que tiene más temperatura) (Figura
2.18)
En el caso de líquidos ocurre algo parecido al gas,
aún cuando la movilidad de las moléculas por
todo el volumen está más limitado.
En el caso de sólidos, la aportación de energía
cinética (térmica) desde el exterior excita las
moléculas, que se ponen a vibrar más o menos
intensamente alrededor de la posición de equilibrio
en la estructura original.
Gas poco caliente.
(Movimiento molecular
lento)
Gas muy caliente.
(Movimiento molecular
rápido)
Figura 2.18. Energía cinética en los gases
(La sensación de calor que se tiene cuando el aire
está caliente se debe al choque de las moléculas
de aire agitadas con las de la piel, las cuales también incrementan su energía
cinética –oscilando más o menos intensamente alrededor de sus posiciones
de equilibrio, puesto que la piel es sólida- produciéndose un aumento de la
temperatura de la superficie corporal, dando lugar a la sensación de calor)
Si se toca un metal caliente, las fuertes vibraciones (energía cinética) de
las moléculas de la superficie son transmitidas a la piel, haciendo que las
moléculas de este se pongan a vibrar más intensamente (sensación de
calor)
En todos los casos, la energía cinética se transfiere de las partículas más
rápidas (de más energía) a las más lentas.
En el caso del calor, de la temperatura más alta a la más baja.
Cuando en un gas (o en un cuerpo cualquiera) sus moléculas no se mueven,
se dice que la temperatura es de 0 grados Kelvin o “cero absoluto” (lo
corresponde a – 273ºC)
Energía electroestática:
Es la energía que se manifiesta por la atracción (o repulsión) de dos cargas
eléctricas entre sí.
El valor medio de
la energía cinética
de todas las partículas en movimiento (moléculas
que constituyen un
cuerpo) es la “temperatura” del mismo.
El cero absoluto de
temperatura
correspondería a un
cuerpo en que todas sus partículas
estuvieran en reposo.
(Si son de diferente signo se atraen y son del mismo signo se repelen)
55
La causa de esta fuerza es también un misterio. La realidad es que un
cuerpo cargado positivamente (o negativamente) crea a su alrededor un
“campo eléctrico” que atrae (o repele) a cualquier otra carga eléctrica que se
encuentre en su radio de acción.
r
q1
(+)
F 21
F =k·
F 12
q2
( -)
q1· q2
r2
Figura 2.19. Energía electroestática
Experimentalmente se ha comprobado que esta fuerza es directamente
proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia. (Figura 2.19)
La energía química (entendida como la que mantiene unidos entre sí a los
átomos que conforman una molécula, o a varias moléculas entre sí formando
cuerpos) no es más que una forma particular de la energía electroestática.
Cuando un combustible es quemado (reacciona con el oxígeno), la energía
química de sus componentes se transfiere a energía química de otros
componentes distintos (nueva distribución de las cargas eléctricas), y
además, a estos se les imprime fuertes movimientos vibratorios (aumento
de la temperatura) si la reacción es exotérmica.
Energía electromagnética:
Es la energía asociada a una carga eléctrica en movimiento.
Su origen es otro misterio, pero la realidad es que una carga eléctrica en
movimiento (o un conjunto de estas formando una corriente eléctrica, por
ejemplo), crean a su alrededor un campo “electromagnético”, que actúa no sólo
sobre cargas eléctricas, sino también sobre imanes (cuerpos magnetizados)
q
(-)
v
Figura 2.20. Energía electromagnética
Teniendo en cuenta que la materia está compuesta de electrones y estos
están en movimiento, todos los cuerpos irradian energía electromagnética en
más o menos cantidad (al tiempo que también la reciben, si se encuentran
en equilibrio)
56
Los campos electromagnéticos tienen naturaleza ondulatoria, variando su
intensidad tanto a lo largo del espacio como del tiempo (para un mismo
punto del espacio)
LONGITUD DE ONDA EN METROS
10
-12
Rayos
Gama
-10
10
Rayos X
400 nm
10
-8
4·10
Ultravioleta
-7
7·10
Visible
-7
10
-4
Infrarojo
10
-2
Microondas
500 nm
1
10
2
10
4
Ondas de Radio
600 nm
700 nm
LONGITUD DE ONDA EN NANOMETROS
Figura 2.21. Esquema del espectro electromagnético
La energía electromagnética recibe diversos nombres en función de la longitud
de la onda portadora: microondas, ondas de radio, rayos x, infrarrojos,
ultravioleta, luz visible (formada por un conjunto de frecuencias que van
desde el rojo hasta el azul), etc.
Energía nuclear o energía atómica:
Es la energía almacenada en los núcleos de los átomos, en el momento de
su formación.
Son los que mantienen unidos los protones y los neutrones (fuerzas nucleares
fuertes y débiles), y también constituye otro misterio su existencia.
Figura 2.22. Energía nuclear o atómica
Aún cuando las formas, las manifestaciones últimas de la energía en el universo, son las cinco
mencionadas, en la práctica del lenguaje cotidiano (producto de la evolución del conocimiento
y el uso de la energía), la energía recibe multitud de nombres, entre los que destacan: energía
potencial, energía térmica (vulgarmente, y erróneamente, denominada “calorífica”), energía
mecánica (suma de energía cinética y potencial de un cuerpo), energía eléctrica, etc.
57
Algunos de estos términos pueden considerarse correctos, desde el punto de vista de reflejar
un auténtico “tipo de energía”, pero otros no lo son, debiendo considerarse más bien como una
forma en que esta es transmitida desde un punto a otro; lo que se conoce “vector energético”.
En este contexto merecen una explicación adicional las que se conocen como energía “calorífica”
y energía “eléctrica”.
La energía eléctrica no es más que el flujo de electrones en el seno de un conductor.
El origen del movimiento de los electrones puede ser un “generador eléctrico” (accionado por
una fuente de energía externa), una pila eléctrica (a partir de una reacción química), una fuente
de calor (termopar), etc.
A su vez, la energía transportada por tal corriente de electrones se transforma en otros tipos
de energía, como puede ser electromagnética (iluminación), térmica (calefacción), mecánica
(mover un motor eléctrico), etc.
En definitiva, la electricidad no es energía en sí misma, sino un medio para transportar la
energía.
En cuanto a la “energía calorífica”, esta no es tal, sino mas bien el “flujo” de energía térmica
(cinética) de un cuerpo a una cierta temperatura, a otro cuerpo a temperatura mas baja.
(Así como “lluvia” es el agua que cae de la nube sobre la tierra, y a nadie se le ocurre decir que
un pantano tiene “ x m3 de lluvia”, el calor, que es el flujo de energía térmica, no puede conducir
a decir que un cuerpo “contiene calor”)
Debe quedar claro que la diversidad de nombres no quiere decir que exista diversidad de
energías.
Se trata de diversas “manifestaciones” del mismo “poder”; del mismo concepto.
2.3.5. Definición de energía
Por lo visto hasta ahora, en todos los procesos que suponen cambios en
la materia (sea a nivel nuclear, atómico, molecular o macroscópico) está
involucrada la energía, unas veces absorbiéndola (quedando “atrapada”
dentro de la materia, que alcanza así un nuevo estado) y otras cediéndola
al “exterior” (obviamente, a otra materia, como puede ser las moléculas del
aire circundante), quedando la materia con un nivel energético más bajo.
Todo esto conduce a definir la energía como la “capacidad” que tiene un
cuerpo o sistema para producir transformaciones, modificando su
estado o su situación, o el estado o situación de otros sistemas con
los cuales interactúa.
2.4. Las transformaciones de la materia y de la
energía
2.4.1. Generalidades
Se ha visto que la energía es la capacidad que tiene la materia para realizar
transformaciones, bien dentro de un mismo cuerpo, bien entre varios.
Estas transformaciones de la materia pueden ocurrir a nivel atómico (tanto
en su núcleo como en los electrones que le rodean), a nivel molecular
58
(mediante lo que se conoce como reacciones químicas) o a nivel de estado
de agregación (que implica sólo cambios físicos)
Transformaciones de la materia
Nivel
Denominación
Atómico
Transmutación
Ionización
Molecular
Reacción química
Resultado
Nuevo átomo
Átomo ionizado
Nueva sustancia
Macroscópico
Cambio de estado de agregación
Nuevo estado de
misma sustancia
la
Todas estas transformaciones de la materia van acompañadas de
transformaciones de la energía, incluyendo los pasos de esta de unos cuerpos
a otros.
Sin embargo, tanto la materia (masa), como la energía, se conservan en
todos los procesos, de manera que puede afirmarse:
“En toda transformación de la materia de tipo químico (reacción
química) o físico (cambios de estado), la masa total se conserva (en
una reacción química, la masa total de los reactivos es igual a la masa
total de los productos”)
“La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma”
(Primer principio de la termodinámica)
2.4.2. Transformaciones de la materia y la energía en las
reacciones químicas
Uno de los ejemplos más típicos de la transformación de la materia se da en
las reacciones químicas.
En ellas, una seria de sustancias iniciales (denominadas genéricamente
“reactivos”) se transforman en otra u otras finales (denominadas también
genéricamente “productos”)
En paralelo a las transformaciones de la materia también se producen
transformaciones energéticas, de manera que la diferencia de las energías
asociadas a los productos y a los reactivos se intercambian con el medio
en forma de energía térmica, energía electromagnética (luz visible o no),
energía eléctrica (pila eléctrica), etc.
La forma más usual de intercambio de energía entre los reactivos, los
productos y el medio es de tipo térmico. En este contexto, las reacciones son
“exotérmicas” o “endotérmicas”. En las primeras, la energía de los reactivos
es mayor que la de los productos, y el exceso de energía se trasfiere al
medio, en forma de calor.
59
En las reacciones “endotérmicas” ocurre lo contrario, y hay que suministrar
energía térmica desde el exterior a los reactivos, para que la reacción tenga
lugar.
Desde el punto de vista del aprovechamiento energético, una de las
reacciones más importantes son las denominadas “de combustión”. En ellas,
un combustible (butano, propano, alcohol, etc.) se une a un carburante (el
oxígeno del aire) para producir anhídrido carbónico (si la combustión es
completa) y agua (ésta en forma de vapor)
Por ejemplo, la combustión del butano:
2C4H10 + 13O2  8CO2 + 10H2O
Estas reacciones son fuertemente exotérmicas, y es precisamente este tipo
de energía, la energía térmica, la que se aprovecha para producir un trabajo
útil, convirtiéndola en energía mecánica.
La energía térmica transferida al medio no es más que la energía cinética de
las partículas del CO2 y el agua, vibrando violentamente.
(También se transfiere al medio una pequeña parte de energía en forma
electromagnética, en ciertas franjas del espectro, incluyendo luz visible)
2.4.3. Transformaciones de la materia y la energía en los
cambios de estado
Las otras transformaciones de la materia que también son muy usuales se
refieren a los cambios en los “estados de agregación”, es decir, los pasos de
sólido a líquido, de éste a gas, y viceversa.
Gas
Vaporización
Condensación
Líquido
Fusión
Solidificación
Sólido
Condensación
a sólido
Figura 2.23. Cambios de estado de agregación
60
Cesión de energía térmica
Absorción de energía térmica
Sublimación
Estas transformaciones tienen lugar suministrándole a la sustancia energía
térmica desde el exterior, o
sustrayéndosela.
En el caso de sólidos (en los
cuales sus moléculas, aún vibrando alrededor de sus posiciones de equilibrio, se mantienen formando una estructura cristalina), al suministrar
energía térmica (por ejemplo,
mediante el impacto sobre
sus moléculas de las moléculas de CO2 y del vapor de agua
fuertemente aceleradas como
resultado de la combustión de
un combustible cualquiera),
se consigue aumentar tanto
la vibración de las moléculas
que terminan por romper la
estructura cristalina, pasando
el sólido al estado líquido.
Si se sigue aumentando el suministro de energía térmica,
las oscilaciones de las moléculas del líquido aumentan aún más, venciendo
las fuerzas de cohesión entre las mismas, y la sustancia se transforma finalmente en un gas.
Obviamente, los pasos contrarios también se dan así, “sustrayendo” energía
térmica a una sustancia en forma de gas (frenando los movimientos de las
moléculas), puede pasarse a líquida, y de ésta, sustrayendo más energía
térmica a estado sólido.
2.4.4. Conversiones energéticas
En los ejemplos anteriores se han visto transformaciones de la materia que
llevan asociadas ciertos intercambios y transformaciones energéticas pero,
en cuanto a estas últimas, es preciso profundizar algo más para alcanzar el
auténtico significado de las mismas.
El caso más sencillo es el de un
péndulo, de masa m, concentrada en
su extremo.
Cuando está en reposo, la masa m
se encuentra en el punto más bajo,
y su energía potencial gravitatoria
es nula. También lo es su energía
cinética. Si se suministra a la masa
una energía externa, colocándola
en la posición más alta, la energía
(1)
(2)
(3)
potencial será máxima, y la energía
Figura 2.24. Conversiones de la energía mecánica
cinética nula. Si ahora se suelta el
péndulo (y en el supuesto de que no
haya transferencia de energía al medio, como puede ser calentamiento del
aire por rozamiento), este descenderá (disminuyendo su energía potencial)
y su movimiento se incrementará (aumentando su energía cinética). En el
punto más bajo, su energía cinética será máxima y su energía potencial
nula. Lo contrario ocurrirá en el tramo de subida. El movimiento de vaivén
continuará indefinidamente, y la energía mecánica, suma de su energía
cinética y potencial, se mantendrá constante (y será igual a la suministrada
inicialmente, desde el exterior, para elevar al péndulo la primera vez)
Otro ejemplo típico de transformación energética se da en el paso de energía
potencial gravitatoria a energía térmica
como es el caso del mecanismo de
la figura (formado por un peso, una
polea, y un hilo de masa despreciable,
unas paletas giratorias y una masa
de agua térmicamente aislada (no
intercambia energía térmica con el
�
medio circundante)
�����
�
La energía potencial gravitatoria en el
extremo superior es U1 y en la parte
más baja U2.
Pues bien, cuando la masa cae,
disminuye su energía potencial y se
incrementa la energía cinética (de la
masa que cae y de la paleta que gira)
����
�
Aislamiento térmico
��
Figura 2.25. Conversión de la energía potencial em
térmica
61
El giro de las paletas golpea las moléculas de agua, y las excita, haciendo
que se incremente su energía térmica (y con ella, su temperatura)
Esta excitación puede ser tan fuerte que parte del agua se convierte en
vapor.
������
��
��������
����
�
��
Aislamiento térmico
Figura 2.26. Conversión de la energía térmica en
potencial
Cuando la masa está en la posición U2,
su energía potencial será nula, y toda
la energía U1 se habrá convertido en
energía térmica de la masa de agua
(en realidad, energía cinética de sus
moléculas)
El caso contrario también puede darse
(figura 2.26). La energía térmica
contenida en vapor de agua recalentado
de
un
recipiente
térmicamente
aislado (energía que obviamente se
incorporó desde una fuente de energía
externa) puede convertirse en energía
mecánica, con un mecanismo como el
de la figura.
En este caso, las moléculas del gas,
moviéndose rápidamente en todas
direcciones en el interior del recipiente,
se escapan por la tobera tan pronto se
abra la válvula.
Esta moléculas golpean con las paletas haciéndolas girar (en realidad se
transfiere la energía cinética de las moléculas del gas a energía cinética de la
rueda de paletas). Por medio del hilo y la polea la energía cinética de la polea
se transfiere a energía potencial de la masa. Al llegar al punto más alto, toda
la energía térmica se ha transformado en energía potencial gravitatoria.
2.4.5. Reversibilidad de las conversiones energéticas
Otro aspecto importante a analizar en las transformaciones energéticas se
refiere a la reversibilidad de las mismas.
T1
En el caso del péndulo anteriormente analizado, y siempre que no hayan
transferencias de energía al medio
circundante, la energía potencial se
intercambia con energía cinética, y esta
T2
posteriormente con energía potencial,
por tiempo indefinido.
Aislamiento térmico
Energía transferida
al cuerpo 1
Figura 2.27. Transferencia de energía térmica.
Conversión de la energía térmica en potencial
62
Sin embargo, las transferencias de
energía térmica entre dos sustancias,
aún cuando estén perfectamente
aisladas (no intercambian energía con
el exterior), no son “reversibles”, o
dicho de otra manera, “tienen dirección
única”.
(La energía térmica pasa de cuerpos
a alta temperatura a otros de menor
temperatura, y nunca al revés. Esta
situación la explica perfectamente
la teoría cinético-molecular de la
materia)
En la figura 2.27 se observan dos cuerpos idénticos en contacto a través de
una pared común, térmicamente aislados en su conjunto.
Si se le suministra energía térmica al 1 (por medio de una resistencia eléctrica
actuando mediante un tiempo limitado, por ejemplo), su temperatura se
eleva a T1ºC.
La energía cinética de estas moléculas golpean contra la pared, excitan las
moléculas de ésta, que a su vez excitan las moléculas de 2, elevando su
temperatura a T2ºC.
En un tiempo indefinido, puede ocurrir que se alcance un equilibrio, siendo
T1=T2.
En este momento se pararía la transferencia de la energía del cuerpo 1 al
2. Obviamente, el proceso contrario no podría llevarse a cabo (pues exigiría
que T2 fuese mayor que T1)
El hecho de que sea precisa una cierta diferencia de temperatura para que
pase energía térmica (calor) entre dos cuerpos y siempre en la dirección
de mayor o menor temperatura, implica que estos procesos de intercambio
energético en forma de calor no son reversibles.
En el esquema de la figura 2.28 se ha presentado la conversión de una
energía potencial U1 (energía mecánica) a energía térmica acumulada en una
sustancia 1, que alcanza la temperatura T1.
Si esta energía térmica quiere trasladarse y acumularse en una sustancia
2, la temperatura de esta debe se menor (T2<T1), con la cual la energía
acumulada en la sustancia 2 es menor (se supone un tiempo limitado para
la transferencia energética. Es más, cuanto mayor sea la diferencia de
temperaturas T1 y T2, más grande será la energía transferida entre 1 y 2 en
la unidad de tiempo)
Energía
potencial 1
Energía
térmica
(T1)
T1 > T2
Energía
térmica
(T2)
Energía
potencial 2
Energía potencial 2 < Energía potencial 1
Figura 2.28. Conversión energía potencial - térmica1- térmica2 -potencial
El resultado final es que la energía potencial que puede obtenerse, U2 (energía
mecánica), es menor que la U1.
63
Evidentemente, si los sistemas que acumulan o transfieren energía térmica
no están “térmicamente aislados”, o en las conversiones de energía
mecánica se incluyen los rozamientos (que implican la transformación
de una parte de esa energía a energía térmica), etc., parte de esa
Para comprender mejor la complejidad de los procesos asociados a las transferencias de energía
puede analizarse la cadena de intercambios energéticos que tienen lugar cuando una persona
eleva una masa de 50Kg a 10m de altura.
Energía del Sol
P
Vegetales
(productores primarios)
Alimentación
Trabajo
Figura 2.29. Intercambios energéticos
La energía radiada por el Sol es absorbida por la planta, a través de sus hojas verdes. Por
el fenómeno de la fotosíntesis, el anhídrico carbónico (CO2) contenido el aire, y el agua, se
combinan transformándose en moléculas complejas de hidratos de carbono, que forman las
hojas, tallo y raíces de la planta.
En este proceso se libera energía térmica, que se transfiere a las moléculas del aire
circundante.
Cuando una persona ingiere la planta, por los fenómenos de digestión el cuerpo absorbe la
energía de ésta, quedando almacenada en las células de su cuerpo en forma de moléculas aún
más complejas y en particular en las células de los músculos.
La digestión no es más que un conjunto de reacciones químicas en las que se producen
transformaciones en los alimentos, además de elevar la energía cinética de los productos
resultantes (energía térmica). Mediante la respiración (aire caliente) y el sudor, esta energía
térmica se transfiere al aire circundante, calentándolo.
La energía (química=electroestática) almacenada en los tejidos de los músculos se transforma
mediante los movimientos de éstos en energía potencial, elevando la masa de 50kg, 10 metros.
El movimiento de los músculos se consigue por medio de otro conjunto de reacciones químicas,
también exotérmicas, que eleva la temperatura de la masa muscular. Esta energía térmica es
64
transferida al medio circundante (la atmósfera, en este caso), mediante el sudor.
El esquema de la figura 2.30 muestra los pasos del proceso, desde el punto de vista
energético.
La figura 2.30 muestra un “balance energético” de este proceso.
A
B
C
D
Energía
solar
Energía
de la
planta
Energía
de la
persona
Energía
de la
carga elevada
Atmósfera
calentada
Atmósfera
calentada
Atmósfera
calentada
C‘
D‘
B‘
Figura 2.30. Transferencias energéticas
En este balance, el tamaño del cuadro (A) es igual a la suma de B y el B’. A su vez, el B es igual
a la suma de C más el C’. Finalmente, el C es igual al D más el D’.
En otras palabras, el cuadro A es igual al D más el B’ el C’ más el D’.
En resumen, la energía procedente del Sol (energía electromagnética) se ha ido transformando
en energía de la planta (energía química), energía de la persona (energía química), para terminar
como energía potencial (masa de 50kg a 10 m. de altura) y energía térmica (aire calentado)
No se ha “consumido” (o “perdido”) la energía que llega del Sol. Se ha ido transformando en
diferentes tipos de energía, “almacenada” en otros “medios”.
energía térmica (o toda) se transfiere al aire circundante, que eleva
su temperatura, resultando prácticamente imposible su recuperación.
Como corolario de todo lo expuesto puede afirmarse que en la práctica no
existe ningún proceso de conversión energética que sea reversible, o lo que
es igual, en todo proceso de conversión energética, una parte de la energía
no es recuperable.
Este axioma constituye el Segundo Principio de la Termodinámica.
2.5. Conversión energética y eficiencia:
rendimiento
Ya se ha visto que los procesos de conversión energética mediante los cuales
la energía cambia su naturaleza (química a térmica, por ejemplo) no son
reversibles.
La eficiencia (o rendimiento) de un proceso de cambio energético es el
cociente entre la energía utilizable (después del cambio) y la energía inicial.
Así, por ejemplo, en un motor eléctrico, el 90% de la energía eléctrica se
transforma en energía mecánica, mientras que en un motor de combustión
65
interna, sólo el 20% de la energía del combustible se transforma en energía
mecánica. El 80% restante se pierde a la atmósfera en forma de calor (gases
de escape y aire calentado) (Figura 2.31)
Figura 2.31. Rendimiento de un motor de gasolina
Gasolina
100
O2
aire
Motor de
gasolina
Trabajo
mecánico
20
Calor a la
atmósfera
80
LECTURA: NATURALEZA DE LA LUZ
En la actualidad y después de muchas teorías sobre la interpretación de “qué es la luz” dos son
los modelos que se han dado para interpretar los fenómenos luminosos:
−
El que considera a la luz como una partícula material (modelo corpuscular)
−
El que considera a la luz como una onda de propagación (modelo ondulatorio)
Estos modelos se han considerado antagónicos pero, sin embargo, en la actualidad se ha
llegado a una situación que en ciertos aspectos engloba ambas concepciones y las ideas que
han surgido en este campo, además de interpretar todos los fenómenos luminosos, han abierto
un nuevo panorama en la interpretación del mundo físico.
Las primeras teorías sobre la naturaleza de la luz
Las primeras teorías sobre la naturaleza de la luz probablemente fueron debidas a Euclides (330
a 275 a. d C.), que suponía que la luz era una especie de tentáculo lanzado por el ojo hacia la
cosa vista.
Esta teoría se mantuvo hasta que alrededor del año 1.000 de nuestra era el árabe Alhacen,
como resultado de sus estudios de óptica desde el punto de vista físico y filosófico afirmó, en
contraposición a las teorías griegas, que la luz se dirige desde la fuente externa que la emite
hasta nuestros ojos, después de ser reflejada por los objetos que vemos.
66
Más tarde Newton hizo notables descubrimientos sobre la teoría del color y los fenómenos de
dispersión luminosa, proponiendo una nueva hipótesis para explicar la propagación de la luz.
Newton era favorable a una teoría corpuscular según la cual la luz es un flujo de partículas
proyectadas por el cuerpo luminoso que eran capaces de atravesar los cuerpos transparentes
y ser reflejados por los materiales opacos. Esta idea en realidad partió del modelo mecanicista
propuesto por Descartes en 1637 para explicar el fenómeno de la refracción de la luz.
Al mismo tiempo, otros científicos, entre los que destacaron Christian Huygens y Robert Hooke,
optaban por una teoría ondulatoria con lo cual interpretaban el hecho de que los dos haces
luminosos se cruzan sin perturbarse, cosa difícil de entender dentro de la teoría corpuscular.
Pero para poder explicar que la luz atraviesa el vacío tuvieron que imaginar la existencia de un
éter sutil que llenaba todo el espacio, propagaba las ondas y, sin embargo, no obstaculizaba el
movimiento de los planetas.
Huygens (1629-1695) desarrolló en profundidad una teoría ondulatoria de la luz, pero suponiendo
que, como las ondas acústicas, eran ondas longitudinales: Hooke sin embargo mantuvo la idea
de una propagación por ondas transversales.
A finales del siglo XVII había pues tres hipótesis sobre la naturaleza de la luz: la corpuscular,
la de ondas longitudinales y la de ondas transversales. Las tres estaban dentro del espíritu
mecanicista de la época y cada una tenía sus ventajas e inconvenientes.
La existencia de sombras nítidas (prueba de que la luz viaja en línea recta) tenía una explicación
lógica dentro de la teoría corpuscular y Newton impuso el peso de toda su autoridad contra
toda teoría ondulatoria a causa de que en ella no veía explicación posible a dicho fenómeno.
Su objeción, muy importante en la época, era: si las ondas sonoras son capaces de rodear
esquinas, ¿por qué no ocurre lo mismo con las ondas luminosas?
Hoy sabemos que este fenómeno por el que una onda se aparta de su propagación rectilínea, la
difracción, también lo sufren las ondas luminosas, pero es muy difícil de observar con objetos
macroscópicos.
A pesar de estas dificultades, la teoría ondulatoria tenía también sus seguidores, pues
explicaba las diferencias de color como diferencias de frecuencias y preveía los fenómenos de
interferencia.
Triunfo de la teoría ondulatoria: ondas electromagnéticas
La teoría ondulatoria volvió a resurgir en el siglo XIX gracias a los trabajos de los científicos
inglés Thomas Young (1773-1829), su colega francés Agustín Fresnel (1788-1827) y J.B.L,
Foucault (1819-1868)
Young consiguió una buena confirmación de la teoría ondulatoria salvando la principal objeción
que se le imponía en la época de Newton. Su línea de actuación fue la siguiente: es cierto que
las ondas sonoras se difunden en todas direcciones cuando, por ejemplo, atraviesan un orificio,
fenómeno que se conoce con el nombre de difracción, y también es cierto que dicho fenómeno
es más pronunciado en ondas de baja frecuencia (gran longitud de onda) que en las de mayor
frecuencia (menor longitud de onda)
Si la luz es de naturaleza ondulatoria debe tener difracción, pero puede ocurrir que si la longitud
de onda es muy pequeña esta difracción sea muy difícil de observar. Imaginó entonces un
ingenioso experimento con el que obtuvo tres importantes resultados: consiguió mostrar la
difracción de la luz; puso de manifiesto el fenómeno de interferencias; y, por último, logró
estimar la longitud y frecuencia de las ondas luminosas.
Si la luz se propaga por vibraciones longitudinales forzosamente existe esta simetría, pero
si se trata de un movimiento ondulatorio transversal las vibraciones pueden ser verticales,
horizontales o en cualquier dirección, siempre que estén en el plano perpendicular a la dirección
de propagación. Estos razonamientos llevaron a Young y a Fresnel a reconsiderar la idea de
Hooke de que las ondas luminosas son transversales, esto es, las vibraciones de éter tienen
lugar en direcciones perpendiculares a la de avance de las ondas.
67
La teoría ondulatoria transversal estaba bastante bien establecida a mediados del siglo XIX,
pero aún tenía un importante problema por resolver referente al medio, éter, que por seguir
dentro de los modelos mecanicista, los científicos se veían obligados a admitir.
Esta gran dificultad fue resuelta cuando se aceptó para la luz la teoría electromagnética ideada
por Maxwell en 1873. Según Maxwell el paso de un tren de ondas luminosas implica fluctuaciones
periódicas de campos eléctricos y magnéticos más que vibraciones materiales.
Esta teoría era de gran importancia filosófica, puesto que es la primera señal de abandono de la
creencia de que la naturaleza puede ser explicada exclusivamente en términos de materia (en
sentido clásico) y movimiento, como venía ocurriendo insistentemente desde el siglo XVII.
El pleno significado de la teoría maxwelliana no se alcanzó sin embargo hasta un poco más tarde
cuando Hertz, utilizando un circuito oscilante de pequeñas dimensiones, conseguía producir
ondas electromagnéticas cuyas propiedades coincidan con las de la luz, quedando establecido
que las ondas luminosas son ondas electromagnéticas con diferentes longitudes de onda
incorporadas y que se propagan en el vacío con la velocidad de 3·108ms-1 (más precisamente:
2,99793·108m-1)
Las ondas luminosas son una parte muy pequeña del conjunto de ondas electromagnéticas o
espectro electromagnético. Dichas ondas se generan cuando se aceleran cargas eléctricas y
todas se propagan con la misma velocidad. Las diferencias entre los distintos tipos de ondas
electromagnéticas se deben a sus frecuencias y longitudes de ondas, señalándose en el espectro
electromagnético distintas zonas que se conocen con nombres diferentes: espectro visible,
ondas de radio, ondas de radar, rayos X, rayos γ, microondas y otras.
El ojo humano, es sensible a la radiación electromagnética comprendida aproximadamente
en el intervalo de longitudes de onda entre 4·10-7m (luz violeta) y 7,5·10-7m (luz roja); sin
embargo se suele llamar también luz a las ondas electromagnéticas próximas a estos límites:
ultravioleta, con luz de onda menor de 4·10-7m e infrarroja con longitudes de onda mayores de
7,5·10-7m.
Efecto fotoeléctrico
Hacia 1900 la teoría ondulatoria de la luz parecía tener bases inquebrantables, pero un nuevo
fenómeno luminoso que por ironía observó incidentalmente Hertz en las experiencias que
confirmaron la teoría electromagnética, hizo necesaria una revisión de dicha teoría ondulatoria,
revisión que llevó a un cambio fundamental en las estructuras del mundo físico.
Hertz, en su investigación con circuitos oscilantes (1887), se dio cuenta de que la chispa entre
dos electrodos con una alta tensión aumentaba si dichos electrodos se exponían a una radiación
ultravioleta.
Este efecto, conocido con el nombre de efecto fotoeléctrico, fue estudiado posteriormente por
otros investigadores llegando a la conclusión de que ciertas sustancias, principalmente metales,
emiten electrones cuando sobre ellas incide la luz u otra radiación de pequeña longitud de
onda.
Al flujo de cargas a través del tubo se le llama corriente Fotoeléctrica y a los electrones emitidos
fotoelectrones.
También se observa que para cada metal el efecto fotoeléctrico sólo se presenta si la frecuencia
de la luz incidente es igual o superior a un valor γ0 característico del metal y que se llama
frecuencia umbral.
Para la mayoría de los metales la frecuencia umbral está en la zona de la radiación ultravioleta,
pero para algunos, como el cesio y el potasio, es de 5,6·104 hertz que corresponde a la radiación
de color verde, y si se ilumina su superficie con naranja (de frecuencia menor), por muy intensa
que ésta sea, no arrancará ningún electrón de este del metal.
Además se comprueba que la intensidad de la corriente de saturación fotoeléctrica es
directamente proporcional a la intensidad de la radiación incidente, y también que para una
68
determinada frecuencia, la energía cinética máxima de los fotoelectrones no depende de la
intensidad de la luz incidente.
Finalmente se observó que aún cuando la luz incidente sea de intensidad muy baja, siempre que su
frecuencia sea superior al valor umbral, el efecto fotoeléctrico se produce instantáneamente.
Teoría fotónica de la luz. Teoría cuántica
La interpretación del efecto fotoeléctrico dentro de la teoría ondulatoria de la luz presentaba
serias dificultades. Era inexplicable que dicho efecto fuera instantáneo; si la intensidad luminosa
fuera menor, debería tardarse más tiempo en acumular la energía necesaria para arrancar
el electrón; por otro lado la energía de los fotoelectrones debería aumentar al aumentar la
intensidad de la luz incidente en contra de lo que expresa la ley y, por último, no había ninguna
razón por la que para ciertas frecuencias hubiera efecto fotoeléctrico y para otras no.
La solución a estos problemas que planteaba la hipótesis ondulatoria fue propuesta en 1.905
por Albert Einstein en un trabajo que llevaba por título: “Sobre un punto de vista heurístico
relativo a la generación y transformación de la luz”. En este trabajo Einstein hacía notar que la
teoría de Maxwell, válida para explicar los fenómenos puramente ópticos (reflexión, refracción,
interferencias, polarización y difracción) se refería a la propagación de la luz a través del espacio
y los cuerpos materiales donde podían medirse intervalos de tiempo relativamente grandes, pero
que no había sido establecida para interpretar problemas relativos a la interacción momentánea
entre luz y materia como era el caso del efecto fotoeléctrico. Por esto era compatible una teoría
ondulatoria que explicara los fenómenos de propagación de la luz, con una nueva teoría que
interpretase las interacciones de la luz con la materia.
La hipótesis de Einstein consistía en admitir que la energía de la luz no estaba distribuida de
un modo uniforme sobre el frente de onda, como se pensaba en la imagen clásica, sino que se
concentraba en pequeñas regiones (en “bolsas o paquetes” de luz)
Para hacernos una idea de la hipótesis imaginemos que fuera aplicable a las ondas de un
estanque; entonces, si sobre la superficie del agua hubiese muchos objetos flotantes, al paso de
la onda sólo oscilarían parte de ellos, aquellos donde llegase un “paquete” de energía.
Teoría cuántica de Planck
La idea de Einsten tiene su fundamento en la teoría cuántica del físico alemán Max Planck (18581947). Dicha teoría, que marca el nacimiento de la Física moderna, fue dada para interpretar el
siguiente hecho experimental.
Se sabe que los cuerpos calientes emiten energía radiante en forma de ondas electromagnéticas,
aunque esta energía sólo corresponde al espectro visible (luz) si el cuerpo alcanza una cierta
temperatura (carbón al rojo, filamento de una bombilla). Por otra parte, los cuerpos también
absorben parte o toda la radiación electromagnética que incide sobre ellos.
Analizando la energía radiada por un cuerpo negro en función de su temperatura (espectro de
radiación) se encontraron unas leyes que la termodinámica clásica era incapaz de explicar. En
1900 Planck, en un informe ante el Congreso de la Sociedad Alemana de Física, sugirió que
la explicación de espectro de radiación era clara, admitiendo que la emisión de energía no es
continua sino que se hace por “paquetes” o cuantos de acción, siendo la energía de unos de
estos cuantos igual a:
E=h·γ
Con γ frecuencia de la radiación y h una constante determinada por él igual a:
h=6,6256·10-34J·s
llamada constante de Planck.
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Teoría fotónica de la luz
Eisnten extendió el concepto de la cuantos a la energía de la luz emitida por un foco, llamando
fotones a estos cuantos de luz y siendo hγ la energía asociada a cada uno de ellos. En su
modelo, toda onda que parte de un foco luminoso se considera como una superficie cubierta de
fotones cuya densidad superficial va disminuyendo al propagarse la onda; algo así como si el
frente de onda fuese un globo que se va hinchando a la velocidad de la luz y sobre él hubiese
unos puntos que son los fotones.
En los fenómenos hasta entonces conocidos: reflexión, refracción, etc., hay tantos fotones por
unidad de superficie del frente de onda que no se nota cada fotón individual, y la energía parece
que está distribuida en forma continua, pero en el efecto fotoeléctrico, donde una partícula
tan pequeña como el electrón es la que transforma la energía luminosa en energía cinética,
la individualidad de los fotones aparece clara y, por tanto, la distribución discontinua de la
energía.
Es decir: Einstein considera a la luz no como una radiación de frecuencia γ sino como una
corriente de fotones (corpúsculos) de energía hγ. Sin embargo admite que la teoría ondulatoria
sigue siendo válida para tratar la mayoría de los problemas de óptica, todos los que impliquen
propagación, mientras que en los problemas de interacción con la materia era preciso recurrir
a las teorías cuánticas. Aparece así en la luz una doble naturaleza de onda y fotón, hecho que
se suele recoger con el término dualidad onda-corpúsculo.
Física C.O.U.
M.A. Olarte y otros
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