Estructura de la Materia

CEPREUNI

Una pregunta de siglos...

Radiactividad

• La radiactividad es la emisión espontánea de partículas o radiaciones por ciertos elementos de núcleos inestables, los cuales se desintegran gradualmente.

• Este fenómeno fue descubierto casualmente por H. Becquerel en 1896 al observar como una sal de uranio había impresionado una placa fotográfica tapada y preservada de la luz solar.

Henry Becquerel

• Los esposos Curie, Marie y Pierre, dan a este fenómeno de desintegración espontánea el nombre de radiactividad, descubriendo otros elementos radiactivos: radio y polonio (Premio Nóbel en 1903 junto a Becquerel).

Radiactividad

Pierre y Marie Curie

Naturaleza de las emisiones radiactivas

Principales emisiones radiactivas

Nombre

Símbolo

Carga

Identidad

Fuerza de penetració

n

Material deprotección

Alfa 2+ He2+ Débil Papel o aluminio 0.1 mm

Beta 1– Electrones

100 veces Aluminio 5 mm

Gamma

0 Energía Muy penetrante

Plomo 30 cm de espesor

Neutrón

n 0 Neutrón

Positrón

1+ Antielectrón

100 veces

Deuterón

d 1+ H

Tritio t 1+ H

Protón p 1+ H

Reacciones Nucleares

a) Radiactividad naturalb) Transmutaciónc) Fisión nucleard) Fusión nuclear

Procesosartificiales

¡En toda reacción nuclear se conserva la suma de los números de masa y los números atómicos!

Una reacción nuclear es la descripciónde un esquema de desintegración

Radiactividad natural

• Es la desintegración espontánea de los materiales, produciendo emisiones alfa,

beta y gamma, además de la conversión del núcleo original (padre) en uno nuevo (hijo).

Pu He + U240 94

42

236 92 Ra e + Ac228

880-1

228 89 Pu* +

Pu

240 94

00

240 94

Transmutación• Es el bombardeo de núcleos con partículas

u otros núclidos, obteniendo nuevos núcleos.

Esta fue la primera prueba experimental de la existencia de

los protones y la primera transmutación artificial

Entre 1917 y 1919 Rutherford bombardeó nitrógeno con

partículas alfa obteniendo oxígeno

Cr + Bi Bh + 2 n 54 209 261 1 24 83 107 0

Cr ( Bi, 2n) Bh54 209 26124 83 107

U + n Np + e238 1 239 0 92 0 92 -1

U (n, ) Np238 239 92 93

Fisión NuclearEs la ruptura de un isótopo pesado en núclidos más pequeños, liberándose una gran cantidad de energía.

n + U Ba + Kr + n + E1 1 238 141 92 1 0 92 56 36 03

Fusión nuclear

• Es la unión de núcleos livianos (generalmente Z =1,2,3) para originar núcleos más pesados, liberándose una cantidad de energía mayor que en el caso de la fisión.

H + H He + n + E22 3 4 11 1 2 0

Radiaciones electromagnéticas(r.e.m.)

• Una rem es energía emitida por cargas eléctricas aceleradas, en muchos casos por electrones en el interior de los átomos. Esta energía, generada en un punto, se propaga por todo el espacio circundante y se manifiesta como un fenómeno ondulatorio.

• Una rem está constituida por camposeléctricos y magnéticos, perpendicularesentre sí, que se auto sostienen y regeneran en el tiempo.

• Su velocidad de propagación en el vacío =

c = 3·108 m/s• En todo instante la magnitud del campo

eléctrico E y la del campo magnético B están relacionados por E = cB

Características de una onda transversal

• Longitud de onda (λ) = distancia entre dos puntos consecutivos de la onda en los cuales la perturbación física tiene exactamente las mismas características (Å, nm, cm, m, etc.)

• Frecuencia de oscilación () = indica el número de veces que la perturbación se repite idénticamente en la unidad de tiempo (ciclos por segundo = ciclos/s = s-1 = Hertz = Hz)

• Periodo (τ) = es el tiempo que debe transcurrir para que en un mismo lugar del espacio la perturbación se repita idénticamente. Es el recíproco de la frecuencia (segundos = s)

• Amplitud (A) = es el máximo desplazamiento que adopta la onda respecto a una posición de equilibrio.

• Rapidez de propagación = λ/τ• Número de onda = recíproco de la longitud de onda = ¯ = 1/λ v

c = λ

El espectro electromagnético

Es el conjunto ordenado de rem`s que se conocen hasta la actualidad y que se clasifican según los efectos que ocasionan.

El espectro de luz visible

• Formado por aquellas radiaciones captadas por la retina del ojo humano.

Naturaleza de la luz

Los fenómenos de difracción e interferencia observados en la luz permitió establecer la naturaleza ondulatoria de la luz, mientras que la distribución de energías emitidas por los cuerpos incandescentes solo fue posible explicarla asumiendo la naturaleza corpuscular de la luz.

Una gran parte de las teorías que hemos desarrollado para lograr intentar entender el comportamiento del universo se sostienen en el entendimiento que hemos alcanzado sobre la naturaleza de la luz.

La luz es energía radiante producida por cuerpos condensados incandescentes y gases excitados.

–Teoría ondulatoria Young (1802)

–Teoría corpuscular Planck (1900)

En la actualidad se aceptan simultáneamente dos teorías acerca de su naturaleza (naturaleza dual de la luz):

La luz• Planck sostuvo que la energía no se irradia continuamente

sino que se emite en forma de pequeñísimo paquetes de energía (cuantos de energía) separados e indivisibles, cuya magnitud depende de la longitud de onda o frecuencia de la radiación electromagnética involucrada. La energía está cuantizada, es decir, es un múltiplo entero de una cantidad mínima igual a

E = h = hc/h = constante de Planck = 6,62·10-34 J·s

Ecuación de Planck

Espectroscopia• Es el estudio de la naturaleza de las

sustancias mediante la descomposición de la luz o energía que ellos emiten o absorben.

Espectros de Emisión y Absorción

H

Espectros de emisión y absorción de los elementos

Relaciones Espectroscópicas

• En 1885, J. Balmer encontró una relación matemática entre las longitudes de onda de las 4 líneas observadas en el espectro de emisión del hidrógeno.

= RH ( )22

1

ni2

–11

RH = 109678 cm-1

Series Espectroscópicas• Posteriores observaciones hicieron notar otros conjuntos

de líneas en otras zonas del espectro electromagnético.

La serie de Balmer

termina en N = 2

La serie de Lyman termina en

N = 1

(nm)

Series Espectroscópicas

SERIE nf niREGION DEL ESPECTRO

Lyman 1 2,3,4,............. Ultravioleta

Balmer 2 3,4,5,…...….. Visible

Paschen 3 4,5,6, ……… Infrarrojo

Brackett 4 5,6,7,………. Infrarrojo

Pfund 5 6,7,8,………. Infrarrojo

En 1890 J. Robert Rydberg, trabajando sobre los espectros de otros elementos, encontró una generalización muy importante. Rydberg trabajó no con la longitud de onda como lo había hecho Balmer sino con el número de onda y dedujo la siguiente ecuación para el espectro del hidrógeno:

RH = 109678 cm-1 = 2,18 · 10-18 J

Rayos catódicos• 1875: William Crookes, descubre los

rayos catódicos, los cuales viajan en línea recta, son invisibles, producen sombras, mueven pequeños mecanismos y su desviación indicaba que el rayo era negativo.

Rayos canales• 1886: Eugen Goldstein (1850-

1930) en un tubo de Crookes descubre una luminosidad detrás del cátodo. Perforó el tubo, aplicó el potencial y probó la existencia de rayos positivos o canales que viajaban en sentido opuesto a los catódicos. La desviación de estos rayos era menor, por lo que la masa de estas partículas debía ser mayor.

Modelo Atómico de Thomson (1898)

• 1898: J.J. Thomson, a partir de las experiencias de los rayos catódicos y canales, deduce que los rayos catódicos eran una corriente de partículas con carga negativa, trayendo como consecuencia el descubrimiento del electrón.

• Thomson también descubrió que los rayos canales eran partículas de carga positiva, y cuya masa era 1837 veces la del electrón.

• Thomson había descubierto que el átomo contenía partículas positivas y negativas. No era indivisible.

Modelo Atómico de Thomson• Los electrones eran partículas con carga negativa incrustadas en

una esfera sólida de carga positiva. Como el átomo era neutro, la esfera tenía una carga positiva igual en número a los electrones. Un átomo se convierte en ion cuando gana o pierde electrones.

• Thomson determinó la relación carga/masa (e/m) del electrón

El experimento de Rutherford• En 1907, repite el experimento de los rayos canales, a

los cuales el llamó rayos positivos, encontrando que su masa dependía del tipo de gas usado. La del H era la menor. ¿sería la carga positiva de menor valor?

• Posteriormente bombardeando delgadas láminas de metal con partículas alfa observó que éstas las traspasaban, se desviaban e incluso rebotaban.

Modelo atómico de Rutherford (1911)

• Rutherford sostuvo que “el átomo consta de un núcleo central de carga positiva, donde está concentrada la mayor parte de la masa de éste”. Los electrones estarían moviéndose en la vecindad del núcleo, contrarrestando con este movimiento la fuerza de atracción por parte de la carga positiva del núcleo.

MaterialRadiactivo

Rayos α

Lámina de Au(2000 átomos de espesor)

9000 α10000 α

999 α

1 α

¡El átomo era ¡El átomo era estructuralmente estructuralmente

vacío!vacío!

Inconsistencias del modelo de Rutherford

• De acuerdo a la física clásica (exactamente la electrodinámica o estudio de cargas en movimiento) toda partícula cargada que se encuentra en movimiento (tal como los electrones de este modelo) emite energía continuamente lo que debería reflejarse en la presencia de espectros continuos, lo que se opondría a lo observado realmente, es decir espectros discontinuos. Es más, el electrón al perder energía iría acercándose al núcleo describiendo una trayectoria espiral, hasta colapsar. Si el átomo colapsa, nada podría existir.