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TEORIA
CUANTICA
LOS TEMAS QUE PROPONEMOS A CONTINUACION, SON PARA ESTUDIANTES QUE DESEAN
PROFUNDIZAR MAS, EN LA TEORIA ATOMICA
MASTERTON Y SLOWINSKY. Química General Superior. Edit. Interamericana.
GARCÍA PÉREZ y Otros. Química: Teoría y Problemas . Edit Alfaomega.
NEGRO y ESTEBAN. Acerca de la Química. Edit Alambra.
ACOSTA, Ignacio Alfonso. Química General Básica –
Edit. Universitaria de América.
POSTULADOS DE LA TEORÍA CUANTICA
Los átomos y las moléculas solo existen en ciertos estados permitidos, que se diferencian por sus
energías bien definidas. Un átomo o una molécula pueden cambiar su estado absorbiendo o emitiendo
energía suficiente para llevarlo a otro estado permitido. En otras palabras, los electrones en un átomo
pueden ganar energía suficiente, escalando niveles superiores o perder energía suficiente cayendo a
niveles más bajos (cuando hablamos de suficiente, queremos decir, que la energía ganada o emitida es
siempre una cantidad fija, que denominamos “un cuanto de energía” ).
Cuando los átomos o moléculas absorben luz o emiten, se produce un cambio en sus energías y la
longitud de onda () se relaciona con este cambio de energía.
La ecuación que define este cambio se representa así:
ΔE = h c /  = Efotón donde “ h”,es la constante de Planck 6,626 x 10-34 julios seg.
También sabemos que ΔE = h  (= frecuencia ). La velocidad de la luz ( c ) = 2,998 x 108 metros/ seg.
Ejemplo: los átomos de sodio excitados, pueden emitir radiación a una longitud de onda de 5890
angstrom ( Å )
 ¿Cuál es la energía en julios de los fotones, en esta radiación?
 ¿Cuál es la energía de un mol de estos fotones en kilojulios y en Kcal?
La energía de un fotón, Efotón = h c / 
Ya conocemos el valor de la constante de Planck y la velocidad de la luz. Debemos expresar la
longitud de onda () en metros, para obtener la energía de los fotones en julios.
1 Å (ángstrom) = 1 x 1010 metros.  = 5890 Å x 1 x 1010 metros
= 5890 x 107 metros
1Å
-34
Efotón = h c /  ; 6,626 x 10 julios seg x 2,998 x 108 metros/ seg. = 3,37 x 10-19 julios
5890 x 107 metros
1 mol = 6,02 x 1023 partículas, entonces,
E mol de fotones = h c / 3,37 x 10-19 julios x 6,02 x 1023 moles =
2,03 x 105 julios/ mol = 203 Kilojulios / mol.
1 caloría = 4,184 Kjulios, entonces, Efotónes =203 Kjulios / mol x 1 caloría / 4.184 Kjulios = 48,5 Kcal/Mol
Como la energía de un fotón es realmente pequeña, en este tipo de problemas se prefiere expresar la
energía en Kcalorías o Kjulios por mol de partícula.
Podemos utilizar los siguientes factores de conversión, para correlacionar la energía por partícula, con la
energía por mol.
1 julio/ partícula = 6,02 x 1020 Kjulios/mol. = 1,44 x 1020 Kcal / mol
“Los cambios de energía en la emisión de espectros atómicos son, mol por mol, del mismo orden de
magnitud que los cambios de energía observados en las reacciones químicas.” (Química General
Superior – Masterton- Slowinski- interamericana).
ESPECTROS Y ESTRUCTURA ATÓMICA
En 1666 Newton observó, que cuando la luz del sol atraviesa un prisma, se descompone en los colores
del arco iris. Los cuerpos incandescentes también emiten luz, que al pasar por un prisma, produce un
espectro característico para cada sustancia; el espectro se constituye en la huella digital que identifica
la sustancia.
Fraunhofer en 1814, descubrió que un espectro solar suficientemente ampliado, presenta una serie de
líneas negras muy finas que hoy se llaman líneas de Fraunhofer.
Foucault observó, luego, que una llama que contuviera sodio, absorbía la luz amarilla del espectro, lo
que le permitió a Kirchhoff establecer una relación entre el poder de emisión y el poder de absorción de
las radiaciones de la misma longitud de onda, concluyendo que esta relación es constante para todos los
cuerpos, gracias a este descubrimiento se dio inicio al análisis espectral por el procedimiento de
absorción.
Existen varias clases de espectros:
 Los cuerpos sólidos y los líquidos incandescentes producen un espectro continuo.
 Los vapores producen un espectro discontinuo, formado por franjas o bandas de diferentes
colores. Este espectro de bandas es propio de las moléculas y es característico para cada uno
de los compuestos químicos.

El espectro de líneas es característico de los átomos de los elementos químicos, vaporizados.
Las rayas son monocromáticas y se distribuyen sobre un fondo oscuro, a lo largo de todo el
espectro.
El espectro se origina en la interacción de las radiaciones electromagnéticas y la materia. En realidad
representa las longitudes de onda de las radiaciones que una sustancia emite o absorbe.
Hay espectros relativamente sencillos como los del sodio y el mercurio, pero otros, como el del hierro,
presenta millares de líneas.
SERIES ESPECTRALES.
Dewar observó, en 1883,
que las líneas del espectro forman series de líneas sencillas, dobles o triples, esto quiere
decir que, una misma serie solo contiene “singletes”, “dobletes” o “tripletes” y no se encuentran mezclados.
Cuando se obtiene un espectro de absorción a temperatura moderada, aparece solo una serie de líneas, llamada
serie principal.
En 1885 Balmer
halló que las 9 líneas que formaban el espectro visible y ultravioleta del Hidrógeno,
constituían una progresión que hoy se conoce como serie de Balmer.
El espectro atómico más simple es el del Hidrógeno y un examen rápido de este espectro, revela una progresión
regular de líneas. Balmer imaginó que había una relación matemática entre las longitudes de onda de estas líneas.
Mediante un procedimiento gráfico, obtuvo la siguiente fórmula para las longitudes de onda de las nueve líneas del
espectro visible del hidrógeno.
 = 3646,00 n2 / ( n2 – 4 ) en donde; , es la frecuencia en Å, es decir el número de ondas por centímetro.
n, es un número entero, con valores 3,4,5 para la primera, segunda, tercera...líneas (n = q + 2, donde q es el
número de la línea) Ejemplo: calcule la longitud de onda de la serie de Balmer, para la cual n=4 .
 = 3646,00 n2/( n2 – 4 ) ; 3646,00 ( 42 / 42 – 4 ) = 4861.33 Å
TEORIA DE BHOR DEL ATOMO DE HIDRÓGENO.
Bohr, basó su enfoque en:




El átomo nuclear de Rutherford.
En la sugerencia de Planck de que los átomos y otras partículas pequeñas, sólo pueden poseer
ciertas cantidades de energía definidas.
En la Ecuación de Einstein, que relacionaba la longitud de onda con la energía del fotón.
La serie de Balmer, relacionando los niveles energéticos en el átomo de Hidrógeno.
Bohr supuso que el átomo de Hidrógeno constaba de un núcleo central conteniendo un solo
protón, alrededor del cual se movía un solo electrón en una órbita circular. La fuerza centrífuga,
debida al movimiento del electrón debería equilibrar la fuerza de atracción del electrón por el
protón.
La energía del átomo la expresó en términos del radio de la órbita del electrón, respetando en esta
forma, el concepto clásico de la atracción electrostática, concretada en la ley de Coulomb, pero
Bhor, no se quedó ahí, incorporó la teoría cuántica en su modelo, al suponer inspiradamente que
el momento angular del electrón(mvr), se expresaba por la ecuación:
Mvr = nh / 2 . Donde m = masa electrónica, v = su velocidad,
r = radio de la órbita, n = un número cuántico que puede tener
cualquier valor entero positivo ( 1,2,3,4,.....) y h = la constante de Planck.
Bohr demostró que su condición de cuanto, se reflejaba en la limitación de las energías del átomo
de hidrógeno, las cuales debían ajustarse a ciertos valores, resultantes de la aplicación de la
ecuación:
E = - B / n2 donde n = número cuántico y B = 2,179 x 10–18 Julios
A medida que el electrón se acerca al núcleo, el átomo se vuelve más estable y su energía es negativa
en todos sus estados permisibles. La menor energía posible se halla en el nivel K, es decir en la órbita
donde
n =1 . A esta condición se llama Estado fundamental del átomo
A medida que el valor de n es superior a 1, se dice que el átomo se halla en estado excitado y tenderá a
volver rápidamente a su estado fundamental. En el estado excitado la energía se aumenta y se vuelve
menos negativa y cuando n adquiere valores muy altos la energía será menos negativa y tenderá a
cero.
De acuerdo con la teoría cuántica, las líneas en el espectro del hidrógeno provienen de transiciones
entre los niveles energéticos del átomo. Las longitudes de onda de estas líneas pueden obtenerse de la
ecuación de Einstein ΔE = h c / .
Bohr reconoció que las líneas en la serie de Balmer provienen todas de transiciones al nivel, n = 2
Y de acuerdo con esto efectuó sus cálculos para dicha serie.
Ejemplo. Calcular la longitud de onda en Å de la línea en la serie de Balmer, que corresponde a la
transición n=4 a n=2 (segunda línea en la serie).
Sabemos que E4 = - B / 16 y E2 = - B / 4
Expresemos la energía en Julios. E4 = - ( 2,179 x 10-18 julios ) / 16 = - 1,362 x 10-19 julios
E2 = - ( 2,179 x 10-18 julios ) / 4 = - 5,448 x 10-19 julios
La energía del fotón es igual al cambio de energía : ΔE = E 4 - E2
Efotón = ( - 1,362 * 5,448 ) x 10-19 julios = 4,086 x 10-19 julios.
Si tomamos la Ecuación de Einstein
Efotón= h c /  entonces = h c / Efotón = 6,626 x 10-34 julios.seg x 2,998 x 10 8 m/s = 4,861 x 10-7 m
4,086 x 10-19 julios = 4,861 x 10-7 m x 1,0 x 1010 Å = 4861 Å
1m
El modelo de Bohr explicaba bien el comportamiento
Del atomo de hidrógeno, pero no el de los demás
SOMMERFELD, introdujo una modificación, ampliando ese modelo a otros átomos distintos del hidrógeno: las
órbitas podían ser tanto circulares como elípticas.
A PARTIR DE 1920, como consecuencia de investigaciones hechas por Luis de Broglie, Schrodinger, Pauli,
Heisemberg, Dirac, se mejora el modelo atómico desechando las órbitas fijas como no reales y se admite que al
electrón, para una energía dada, se lo puede encontrar en una región del espacio, llamada ORBITAL.
Se define pues orbital como una región del espacio donde existe la
1.
probabilidad de hallar máximo un
2. par de electrones. Los
ORBITALES,
a diferencia de los niveles de órbitas rígidas
3. de Bohr, son tridimensionales y presentan
diversas
4. formas.
TOMADO DE QUIMICA ORGÁNICA “Devore
Atomo de Niels Bohr
Trayectorias circulares y
Niveles energéticos
Cuantizados
Atomo de Sommerfeld
Con órbitas elípticas y
Subniveles
PRINCIPIOS BÁSICOS DE MECANICA ONDULATORIA
LA TEORÍA DE Bohr-Sommerfeld alcanzó notable éxito por explicar el espectro del Hidrógeno, pero no
era aplicable a átomos con varios electrones y menos a los enlaces químicos entre los átomos
Para tratar de resolver, al menos en parte, estos problemas en 1927 Erwin Schrodinger apoyándose en
el concepto dualidad onda-corpúsculo enunciado por Louis de Broglie, formula la mecánica ondulatoria
y Werner Heisemberg, la mecánica de matrices. Ambas mecánicas inician un nuevo camino en el
tratamiento de la estructura atómica, luego ampliadas y aclaradas por Jordan, Dirac, Max Born...etc. A
todo este tratamiento cuántico del fenómeno luminoso y el átomo, se lo ha llamado mecánica cuántica,
que se diferencia de la mecánica clásica en que es esencialmente probabilística y utiliza un ropaje
matemático más complejo.
Newton enunció la naturaleza corpuscular de la luz y más tarde Huygens estudió su aspecto ondulatorio.
En 1887 se descubrió el efecto fotoeléctrico (fotones de determinada frecuencia arrancan electrones de
los metales) que explica la naturaleza corpuscular de la luz; luego, el efecto compton (choque de
electrones) que explica la naturaleza ondulatoria de la luz. Se sintió la necesidad de conciliar los dos
aspectos ondulatorio y corpuscular.
Para 1924 Louis de Broglie, extendió el carácter dual de la luz a los protones, electrones, átomos, etc.,
pensó que si la luz se comportaba como onda y como partícula, también la materia debería poseer ese
carácter dual.
Según la hipótesis de De Broglie : Cada partícula en
movimiento, lleva asociada una onda, cuya longitud de onda
viene dada por la ecuación: = h / mv.
Energía asociada a la masa = mc2
Energía asociada a la onda = h, entonces mc2 = h y = h / mc
La hipótesis de Heisemberg está plenamente aceptada y el principio de incertidumbre se ha
generalizado a muchos más aspectos que los cuantitativos y así se dice, por ejemplo, que ignoramos la
realidad concreta del electrón en un átomo. No estamos seguros de lo que es un electrón. Podemos
definir el principio de incertidumbre diciendo que es imposible determinar simultáneamente, de un
modo preciso, dos magnitudes complementarias del estado de un sistema. Son magnitudes
complementarias aquellas cuyo producto, tiene las dimensiones de una acción. La acción física es
energía por tiempo (estas son las dimensiones de la constante de Planck). Ejemplo: Posición y cantidad
de movimiento; energía y tiempo; ángulo de giro y momento cinético.
Siendo X la coordenada de posición de un electrón y P el momento lineal; estas magnitudes solo
pueden determinarse simultáneamente con una incertidumbre ΔX y ΔP, que según Heisemberg,
cumplen la relación: ΔX x ΔP  h / 2 Esto, quiere decir, que podemos determinar con gran precisión
X ó P , pero no ambos simultáneamente. En física clásica ambas magnitudes pueden establecerse con
bastante precisión, al tiempo. Esta incertidumbre, impide definir el concepto de trayectoria de una
partícula, entonces, no tiene sentido hablar de órbitas electrónicas en los átomos y la mecánica clásica
hace desaparecer los modelos que sitúan los electrones girando en órbitas determinadas alrededor del
núcleo, considerando estas órbitas como zonas en que la posibilidad de encontrar un electrón, es
elevada.
¿Qué significa todo esto de la cuántica?
El hecho de que los electrones, fotones y otros objetos cuánticos se comporten unas veces como
partículas y otras veces como ondas, sugiere a menudo la pregunta de qué son realmente.
Según BOHR, no tiene sentido preguntar qué es realmente un electrón. La física no puede darnos una
respuesta sólo puede informarnos acerca de lo que podemos comunicarnos sobre el mundo. De modo
similar existe una complementariedad posición-momento. Podemos escoger medir la posición de una
partícula, en cuyo caso su momento es incierto o podemos medir el momento y abandonar el
conocimiento de su posición.
CADA UNA DE LAS CUALIDADES POSICION-MOMENTO CONSTITUYE UN ASPECTO COMPLEMENTARIO
DEL OBJETO CUÁNTICO.
Bohr elevó esas ideas a principio, el de complementariedad. En la dualidad onda partícula, por ejemplo,
las propiedades ondulatoria y corpuscular de un objeto cuántico, constituyen aspectos
complementarios de su comportamiento. Él arguyó que no deberíamos encontrar nunca experimentos
entre los que estos dos comportamientos diferentes entren en conflicto entre sí.
la posición de Bohr es, que no tiene sentido adscribir un conjunto completo de atributos a algún objeto
cuántico antes de haber realizado sobre el un acto de medida. Así, por ejemplo, si nos enfrentamos con
la situación de medir la posición o el momento de una partícula, no podemos decir que la partícula
posea valores específicos de estas cantidades antes de la medida. Podemos medir la posición o medir el
momento de una partícula; en el primer caso después de acabar la medida, la partícula, simplemente no
tiene un momento; en el último caso simplemente no tiene una localización.
Es entonces correcto que no podemos imaginar un electrón como si fuera una versión a escala reducida
de, digamos, una bola de billar, en el sentido de que no podemos decir de que tenga una posición o
tenga un impulso hasta que no hayamos medido realmente se posición o bien su impulso.
Lo que sugiere Bohr es que palabras tales como electrón, fotón o átomo, han de considerarse del
mismo modo, como modelos útiles que consolidan en nuestra imaginación lo que realmente es sólo un
conjunto de relaciones matemáticas que conectan varias observaciones.
Es verdaderamente notable que una teoría que de otro modo era más o menos completa en sus
detalles esenciales hace medio siglo y que ha resultado espectacularmente exitosa en las aplicaciones
prácticas, permanezca sin embargo sin acabar. Este estado de cosas es debido en gran parte a que las
discusiones sobre los fundamentos de la mecánica cuántica son teóricos, a los sumo tienden a
involucrar experimentos ideales. La región de interés es tan difícil de explorar que resulta muy raro que
puedan ser realizados experimentos prácticos para verificar los fundamentos de la teoría.
Entiendo que Bohr lo expresó del modo siguiente: si hemos de hablar de realidad lo hemos de hacer
siempre en el contexto de una disposición experimental específica; ha de decirse precisamente lo que se
va a medir y cómo va a hacerse, antes de que pueda afirmarse lo que está realmente ocurriendo.
En ausencia de una medida, no podemos decir que tenga una de esas cualidades. La mecánica cuántica
es un cálculo que permite predecir resultados estadísticos; pero ello no comporta ninguna explicación y
Bohr hizo énfasis en que no había explicación de ningún tipo.
OTRAS PARTÍCULAS ELEMENTALES DE IMPORTANCIA
En conjunto hay 17 partículas elementales conocidas y que podemos clasificar, así :
Fermiones:
 Son partículas de materia y comprende los protones, neutrones, electrones y quarks
 Son partículas de spin semientero, que obedecen a la estadística de Fermi-Dirac y que se rigen por el
principio de exclusión de Pauli que reza así: Dos fermiones no pueden comportarse del mismo
modo, al mismo tiempo. Con la palabra estadística, se denomina aquí al comportamiento de un
nutrido número de partículas idénticas.
Mesones.
Los mesones explican el funcionamiento de las fuerzas que mantienen unidos a los protones y
neutrones. La variedad más ligera del mesón se llama PIÓN y se produce en los choques de nucleones. El
mesón es una de las tres clases de hadrones y esta compuesto por un quark y un antiquark; podríamos
decir, de manera figurada, que el mesón es como el pegante de los protones, lo que impide que los
protones se rechacen dentro del núcleo.
Nucleón:
Son los componentes básicos de todos los núcleos conocidos. El núcleo atómico está compuesto de
partículas básicas llamadas nucleones. Hay dos clases de nucleones: protones y neutrones. Como las
cargas eléctricas contrarias se atraen, el protón se combina con el electrón, para formar un átomo de
hidrógeno.
Quarks.
 Son partículas puntiformes, sin oscilaciones con el núcleo, átomo y nucleones.
 Se conocen 5 clases o sabores de Quarks: d,u,s,c,b y cada clase de quark se da en tres variedades o
colores (Blanco, rojo y azul).
 Los tres colores desempeñan un papel semejante a la carga eléctrica en electrodinámica.
 Los Quark u y d forman un doblete con Spin isotópico, son constituyentes fundamentales de la
materia nuclear, tienen casi la misma masa y son idénticos, en cuanto a las demás propiedades,
menos en la carga eléctrica, pues el Quark u tiene carga +2/3, mientras el quark d tiene carga -1/3.
La carga media del doblete es + 1/6.
 Sólo dos quarks u y d, bastan para explicar la estructura de todos los hadrones encontrados en la
materia corriente. Los quark u y d se ligan entre sí para constituir tríadas que forman nucleones.
 La actual teoría sostiene que los quarks no pueden darse aislados, solo existen como partes de un
todo y no como partículas por derecho propio.
 Se sabe que la naturaleza utiliza tres especies de quark (u,d,s) que a su vez se dan en tres colores.
 La teoría GAUGE del color, postula la existencia de 8 partículas sin masa llamada gluones, que son
portadores de la fuerza fuerte, tal como el fotón es portador de la fuerza electromagnética .
Gluones.
 La teoría de la fuerza fuerte, se desarrolló en los años 70 y se la conoce como cromodinámica
cuántica QCD.
 La fuerza fuerte mantiene juntos a los quarks para formar neutrones y protones y está
mediatizada por una clase de partícula llamada GLUÓN. En forma más doméstica podemos decir
que el GLUÓN es el pegante de los quarks, tanto en el protón como en el neutrón. Más
científicamente decimos que el GLUÓN es la manifestación de la fuerza fuerte pero en forma de
partícula.
 Los quarks pueden emitir y absorber gluones.
 Los gluones no pueden darse aislados, su reino existencial está confinado al interior de las
partículas elementales.
 Los tres quarks que integran un protón o un neutrón tienen cada uno una especie de carga
diferente que permite que se mantengan unidos, esta especie de carga se llama COLOR.
 La fuerza del color es la que cohesiona los quark en las partículas.
 EL GLUON es la palabra que describe la fuerza del color, cuando se comporta como partícula.
Los Leptones.
 Son partículas extranucleares. comprenden: los electrones y su neutrino electrónico, el muón y su
neutrino muónico y el tauón y su neutrino tauónico.
 El electrón tiene carga -1 y el neutrino tiene carga 0.
 Quark y leptones son partículas puntiformes, sin oscilaciones como los átomos, núcleos y nucleones.
 Los leptones son partículas inmunes a la fuerza nuclear.
 Como el electrón y el muón, tienen carga eléctrica sienten la fuerza electromagnética.
 Los leptones son partículas elementales o sea que no se les conoce estructura interna alguna.
 Los leptones no están compuestos por quarks.
 LOS QUARKS Y LOS LEPTONES SON LOS LADRILLOS BÁSICOS DE LA MATERIA
 Los leptones no tienen color, ni los afecta las interacciones cromodinámicas.
 Los leptones tienen carga eléctrica y por eso interactúan electromagnéticamente.
 El muón es un primo pesado del electrón. Pesa 206 veces más que el electrón.
 El leptón Tau es otro primo del electrón y pesa 17 veces más que el muón.
 Cada uno de estos tres leptones cargados, está asociado a un leptón descargado que le es propio y
que se denomina neutrino.
Neutrinos.
 No forman parte de la materia, pero desempeñan un papel fundamental en una de las tres formas
de radiactividad natural, llamada DESINTEGRACION BETA O PROCESO BETA.
 En el proceso beta los protones y neutrones intercambian de identidad.
 El proceso beta es un mecanismo esencial para la fusión del hidrógeno en núcleos más pesados,
operación que tiene lugar en el interior de las estrellas.
 El neutrino no es un constituyente atómico, pero su papel es vital en la desintegración beta. En el
universo primitivo la desintegración beta posibilitó la síntesis de núcleos muy pesados a partir de
hidrógeno primordial.
 La desintegración beta permite que el sol haga funcionar su caldera nuclear y caliente la tierra.
 El neutrino es una clase de leptón, libre de las fuerzas eléctrica y nuclear.
 Los neutrinos no sienten la fuerza electromagnética, ni la fuerza fuerte, pero interactúan debido a
una fuerza especial llamada, LA FUERZA DÉBIL, QUE ES LA ENCARGADA DE DESINTEGAR LOS
NÚCLEOS.

Los rayos cósmicos al chocar con los núcleos de la atmósfera, se convierten en una fuente de
neutrinos.

Las explosiones de las estrellas son otra fuente de neutrinos.

El sol es una fuente potente de neutrinos, en cambio la tierra es una débil fuente de antineutrinos.

Los neutrinos se producen en cualquier proceso que forme núcleos grandes concentrando otros
más pequeños (en el sol 4 núcleos de hidrógeno se funden y forman uno de helio y una gran
cantidad de energía).

La radiactividad y las termonucleares, son fuentes de antineutrinos debido a que allí se produce el
proceso contrario, es decir, la fisión; que consiste en escindir núcleos grandes en otros más
pequeños.

Se cree que los neutrinos son partículas sin masa.

El neutrino atraviesa el sol tranquilamente hasta su superficie y sale en forma de luz.

Alrededor del 10% de la energía solar sale en forma de neutrinos, muchos millones de los cuales nos
traspasan el cuerpo, durante el día y la noche sin dañarnos.

Gracias a que los neutrinos no tienen masa y son ajenos a la fuerza electromagnética y a las
interacciones fuertes, son semejantes a fantasmas que pueden recorrer kilómetros y kilómetros sin
chocar con nada.
LOS NEUTRINOS PARECEN SER LA FORMA DE MATERIA DOMINANTE
EN EL UNIVERSO.
PARTÍCULAS DE FUERZA:
Tenemos cuatro partículas de fuerza :
Gluones:





Que mediatizan la fuerza fuerte, es decir, la fuerza entre los quarks para formar neutrones y
protones .
La fuerza fuerte también se la llama fuerza del color, que son las fuerzas que cohesionan los quarks
en las partículas.
La fuerza entre los quarks está mediatizada por una serie de campos gluónicos, semejante al campo
fotónico de la electrodinámica.
Quarks y gluones están permanentemente confinados en los hadrones .
No hay posibilidad de ver nunca aislados ni los quarks, ni los gluones.
Los fotones:

Son partículas de luz visible.

Cada fotón lleva energía de varios electronvoltios.

Es el agente que mediatiza la fuerza electromagnética.

La luz se comporta como partícula cuando golpea un átomo y hace que salga expulsado un
electrón; esta partícula de luz se denomina fotón.

La fuerza electromagnética que liga a un electrón al núcleo correspondiente, puede concebirse
como un intercambio continuo de fotones entre ambos cuerpos; decimos entonces, que la fuerza
electromagnética está mediatizada por los fotones.

El fotón es la fuerza electromagnética cuando se comporta como partícula, más que como onda.

El fotón es portador de la fuerza electromagnética, pertenece a una categoría aparte, no es ni
hadrón, ni leptón, mediatizan la fuerza electromagnética; podemos decir que el fotón es la fuerza
electromagnética cuando aparece en forma de partícula. Las fuerzas las transportan cientos de
partículas especiales.

Los fotones son las partículas mediadoras de una fuerza llamada electromagnetismo.

En nosotros, lo que desempeña un papel fundamental es el electromagnetismo.

Todo lo que captamos por los sentidos es consecuencia indirecta de la estructura eléctrica
subyacente de la materia.

El electromagnetismo es la fuerza que retiene a los electrones cerca a los núcleos. La que liga a los
electrones es la electrodinámica.

La fuerza que se establece entre dos partículas cargadas, puede considerarse originada por el
intercambio de fotones.

En el caso de la interacciones fuertes los gluones son los mediadores

A diferencia de los fotones, los gluones, lo mismo que los quarks no pueden verse debido a su color
(especie de carga eléctrica).
Bosones Vectoriales “W “ y “Z “:

Mediatizan la fuerza débil, que es la fuerza que desintegra a los núcleos.

Es la fuerza que permite el cambio de identidad de los neutrones y protones.

Si la fuerza del color cohesiona el núcleo, la débil puede descomponerlo.

Las interacciones nucleares débiles son las responsables del proceso de desintegración nuclear
beta, o sea cuando un neutrón se desintegra en tres partículas estables.
 La fuerza débil es la que hace que ciertas partículas se desintegren y pierdan identidad.
 La fuerza débil es un rasgo fundamental de los núcleos atómicos radiactivos, cuando contienen
demasiados protones o neutrones, estos núcleos buscan un estado de equilibrio que consiguen
conforme se desintegran algunas de sus partículas, expulsan leptones y cierta cantidad de energía y
cambian de identidad.
 Gracias a la fuerza débil el sol desintegra átomos de hidrógeno para convertirlos en Helio y generar
gran cantidad de energía.
 Los portadores de la fuerza débil, son partículas observables denominadas BOSONES VECTORIALES
INTERMEDIARIOS, con masas 100 veces mayor que la del protón.
La Gravedad.
 Es la fuerza que rige a los objetos mayores.
 Decisiva para la tierra, el sistema solar, las estrellas y galaxias.
 También es importante para la física de lo muy pequeño y lo muy grande.
 Los físicos conocen en la actualidad 4 fuerzas fundamentales, la gravedad es quizá la más
vulgarizada.
 La gravedad no tiene un efecto apreciable sobre las partículas elementales.
 La partícula que mediatiza la fuerza de gravedad se llama GRAVITÓN. Es pues el gravitón el agente
de fuerza gravitacional.
PARTICULAS
FUNDAMENTALES
PARTICULAS
FUNDAMENTALES
Son de dos clases
PORTADORAS DE
PORTADORAS DE
MATERIA
FUERZA
Se las llama
que gobiernan las
Se las llama
interacciones entre
FERMIONES
BOSONES
con Spin fraccionario
Con Spin entero
Ladrillos básicos
de la
HADRONES
Partículas del núcleo Materia
LEPTONES
GRAVITON
FOTON
GLUON
BOSON
Mediatiza fuer
Mediatiza fuer
Mediatiza fuer
VECTORIAL
za gravitacion
za electromag
za fuerte
W yZ
Extranucleores-elementales
Comprenden
los fermiones
Estas partículas son:
Se dividen en
Mediatiza
Comprenden
fuerza débil
BARIONES
ANTIBARIONES
MESONES
ELECTRON
MUON
TAUON
Compuestos
Antipart
del Barion
Compuestos por
y su Neutrino
y su neutrino
y su neutrino
Quark + Antiquark
Electrónico
Muónico
Tauónico
de 3 Quarks
Transportan las fuerzas
Se encuentran en el..
NUCLEO
Con Carga Positiva
Formando dobletes llamados
NUCLEON
Formado por p+ y no
El doblete más importante está formado por:
PROTON
NEUTRON
Compuesto por 3 Quarks
Compuesto por 3 Quarks
Mediatizados por la acción del
MESON
Pegante de p+ y no
RADIACIONES FUNDAMENTALES
Ernest Rutherford observó que las radiaciones de los elementos radiactivos tenían poder de
penetración distinto frente a un campo magnético o eléctrico y en atención a ello las dividió en tres
clases distintas: Radiaciones alfa, beta y gama y en conjunto, Rayos Becquerel.
RAYOS ∞ (ALFA): Son partículas cargadas positivamente, identificadas con los núcleos de helio,
constituidos por dos neutrones y dos protones. Son desviados hacia el polo negativo en un campo
eléctrico. Tienen una velocidad de unos 20.000 kilómetros por segundo y su poder de penetración es
pequeño, ya que pueden ser detenidas (absorbidas) por una hoja de papel o por una lámina de aluminio
de 0,1 mm. En su recorrido, las partículas alfa fijan dos electrones del medio ambiente y se convierten
en átomos de Helio.
CUANDO UN ELEMENTO RADIACTIVO EMITE UNA PARTICULA ALFA, SE FORMA OTRO ELEMENTO, CUYO
NÚMERO MÁSICO DISMINUYE EN CUATRO UNIDADES Y SU NÚMERO ATÓMICO EN DOS, ASÍ REZA LA LEY
DE SODDY.
EJEMPLO:
226
Ra 88――>4 He 2 +
222
239
Pu 94 ――>235 U 92 +
Rn 86
4
otro caso;
He 2
RAYOS β (BETA): Las partículas beta son electrones dotados de una enorme velocidad, cerca de 270.000
km.seg. Se desvían fuertemente hacia el polo positivo de un campo magnético y son más penetrantes
que las partículas alfa, ya que pueden ser detenidas por una placa de aluminio de unos 5 mm, La mano
también las detiene.
SIEMPRE QUE UN ELEMENTO RADIACTIVO EMITE UNA PARTÍCULA BETA, SU NÚMERO MÁSICO NO
VARÍA Y SU NÚMERO ATÓMICO SE INCREMENTA EN UNA UNIDAD, RESPECTO AL ELEMENTO
EMISOR. LEY DE FAJANS.
La emisión de la partícula β (electrón) por el núcleo, se interpreta suponiendo que un neutrón en el
momento de producirse la emisión se transforma en un electrón (β) y un protón. El electrón posee una
masa relativamente despreciable frente al protón y al neutrón, por lo cual el número másico no varía. El
número atómico aumenta una unidad porque se forma un protón.
EJEMPLO
61
Co27→61 Ni 28 +
0
e –1
El tritio sufre desintegración beta – Recuerde que el tritio es el isótopo más pesado del hidrógeno y
tiene en su núcleo 2 neutrones y un protón.
3
H 1――>0 e –1 +
3
He 2
ó
3
H 1 ――>0β–1 +
3
He 2
RAYOS γ (GAMA): Son ondas electromagnéticas de la misma naturaleza que la luz, los rayos “X “etc ,
pero más energéticos y penetrantes por ser de elevada frecuencia.
Recordemos que la energía de una radiación electromagnética es :E = hv
Estos rayos no son desviados por los campos eléctricos, ni magnéticos, lo que prueba que no poseen
carga eléctrica. Su poder de penetración es superior al de los rayor “X”; por eso se utilizan para obtener
radiografías de los metales (revisión de soldaduras y de piezas metálicas).
VIDA MEDIA
Cada elemento radiactivo se caracteriza por un período de semidesintegración o tiempo que tarda
cierto número de átomos radiactivos en reducirse a la mitad.
Lo representaremos por “T”.
La vida media del 226 Ra 88 es de 1620 años, esto quiere decir, que si partimos de 5 gramos de Ra, al
cabo de 1620 años solo nos quedarán 2,5 gramos y el resto se habrá transmutado; si dejamos pasar
otros 1620 años , solo nos quedarán 1,25 gramos de Radio y así , cada 1620 años va rebajando la mitad
de la cantidad que teníamos.
El Po tiene una vida media de 1,6 x 10-4 segundos.
Para calcular la cantidad de un elemento radiactivo que queda después de determinado tiempo,
podemos seguir este desarrollo:
Sea “X” el número de átomos iniciales, cuando t = 0, si el tiempo transcurrido es el período de
semidesintegración, el número de átomos radiactivos es X/2. Para un tiempo 2T, el número de átomos
radiactivos se reduce a X/4 y así sucesivamente.
Para calcular la cantidad de isótopo radiactivo que queda al cabo de un número determinado de vidas
medias, utilizamos esta relación:
1/2n donde “n” es el número de vidas medias transcurridas.
TRANSMUTACIONES ARTIFICIALES.
La radiactividad que hemos visto hasta ahora, se presenta de manera natural, se da por naturaleza. Se
puede inducir transmutaciones artificiales, cuando bombardeamos núcleos atómicos con diversas
partículas.
En 1919, Rutherford bombardeó el nitrógeno por medio de partículas alfa y logró la desintegración del
átomo, convirtiéndolo en oxígeno e Hidrógeno.
14
N7 +
4
He 2 ―>
17
O8 +
1
H1.
Siguiendo los procedimientos de Rutherford, se obtuvo la desintegración de otros elementos livianos,
hasta llegar al Calcio, en la tabla periódica, con excepción del Carbono, el Berilio y el Oxígeno.
En ocasiones una partícula puede convertir un núcleo estable en otro radiactivo. El fenómeno se
denomina radiactividad artificial y fue descubierto en 1934 por F Joliot e Irene Curie (Hija de Marie
Curie), bombardeando metales livianos como el aluminio y el magnesio, con partículas alfa; obtuvieron
isótopos inestables de otros elementos, que se desintegraban análogamente a los cuerpos radiactivos
pesados. Se facilitaba en esta forma la obtención de sustancias radiactivas, sin necesidad de recurrir al
costoso Uranio
27
Al 13 +
4
He 2―>30 P 15 + 1 n 0
El fósforo, en este caso, es radiactivo y emite un positrón y se transforma en un isótopo estable del
silicio, así:
30
P 15―>30 Si14 +
23
Na 11 +
4
O
e1
He 2―>26 Mg 12 +
1
H1
FISION NUCLEAR – REACCION EN CADENA
Fisión nuclear es el rompimiento de algunos núcleos pesados, al ser bombardeados por un neutrón.
Cuando esto sucede, suelen liberarse varios neutrones que pueden alcanzar a otros núcleos,
desencadenándose así una reacción en cadena. Estas reacciones liberan gran cantidad de energía.
La fisión Nuclear fue comprobada por Otto Hann, Enrico Fermi Strassmann, en el Uranio.
235
U 92 +
1
n 0 =====
91
Kr 36 +
142
Ba 56 + 3 1 n 0
Los tres neutrones liberados en la reacción, previamente retardados, pueden actuar sobre otros núcleos
de Uranio y producir nuevas escisiones, originando así una nueva reacción en cadena, que libera gran
cantidad de energía.
Los neutrones son las mejores partículas para el bombardeo atómico. Se los obtiene al bombardear con
rayos alfa, los elementos, particularmente los livianos.
Los neutrones son de tres clases: Rápidos, lentos y térmicos.
LOS RAPIDOS tienen una velocidad cercana a la de la luz, son más penetrantes que los rayos gama y
pueden atravesar planchas de plomo hasta de 30 cm, sin detenerse por ningún género de atracción.
LOS NEUTRONES LENTOS se obtienen al hacer pasar los neutrones rápidos a través de gruesas capas
de sustancias hidrogenadas, como parafina y grafito. Son fácilmente detenidos por capas delgadas
de materia y absorbidos por núcleos que luego estallan, dejando escapar una partícula alfa o un
protón. LOS NEUTRONES LENTOS ENTRAN COMO ELEMENTO ESENCIAL EN LA BOMBA ATÓMICA Y
EN LOS REACTORES NUCLEARES.
LOS NEUTRONES TERMICOS tienen una velocidad aproximada de 44 km por segundo. Se producen al
chocar los neutrones rápidos con sustancias que no tengan hidrógeno. Estos neutrones térmicos son los
que se emplean en la fisión del Uranio-235 y del plutonio y por lo tanto en la explosión de la bomba
atómica.
La reacción en cadena que tiene lugar en un reactor nuclear, puede ser controlada en todo momento.
Para que la reacción en cadena se propague, el volumen tiene que ser superior al volumen crítico. Debe
ser así para que los electrones procedentes de núcleos escindidos, alcancen a nuevos átomos.
La fisión del U-235 solo se logra si los neutrones son lentos. Para conseguirlo, los reactores atómicos
llevan alguna sustancia moderadora, que debe estar hecha de átomos ligeros. Son moderadores de este
tipo el grafito y el agua pesada. Los neutrones realizan muchos choques contra esos átomos ligeros y
pierden energía crítica, transformándose en neutrones lentos, con más probabilidades de ser absorbidos
por el U-235, para transformarse en U-236 inestable.
BIBLIOGRAFÍA.
ACOSTA, Ignacio Alfonso. Química General Básica. Edit. Universitaria de América.
DAVIES And BROWN. El espíritu en el Átomo una discusión sobre los misterios de la física cuántica.
Alianza Editorial. 1989.
GARCÍA PÉREZ y Otros. Química: Teoría y Problemas. Edit Alfaomega.
GRIBBIN, John. “En Busca del gato de Schroginger”. Salvat 1985.
MASTERTON y SLOWINSKY. Química General Superior. Edit. Interamericana.
Negro y esteban. Acerca de la Química. Edit. Alambra.