Tema 13 - Pablo de Olavide University · Tema 13 23 Los radionúclidos tienen estabilidades diferentes y se desintegran a velocidades diferentes. Algunos se desintegran casi completamente

Tema 13

Estructura del átomo

16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13

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13.1 El Electrón

13.2 Núcleo atómico y Radiactividad

13.3 Radiación y materia

13.4 Espectros de emisión y absorción

13.5 La naturaleza dual del electrón


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Al hacer pasar la electricidad a través de tubos de

vidrio sometidos al vacío, Faraday descubrió los RAYOS

CATÓDICOS, un tipo de radiación emitida por el polo

negativo o cátodo que atravesaba el tubo evacuado hacia

el polo positivo o ánodo.

13.1 El electrón


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+-

Rayos catódicos

Alto vacío

Faraday construyó los primeros tubos de rayos

catódicos hace ∼∼∼∼ 150 años

vidrio

Cátodo

(electrodo negativo)Ánodo

(electrodo positivo)


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+-Rayos catódicos

En ausencia de campos magnéticos

los rayos catódicos viajan en línea recta.

Si se les somete a campos eléctricos y magnéticos

variables se puede obtener su relación q/m =

-1.76x108 C/g (Thomson, 1897)

Los rayos catódicos son partículas fundamentales de la

materia cargadas negativamente y que se encuentran en

todos los átomos.


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Esa relación q/m es independiente

del material de cátodo (Fe,Pt ...)

Los rayos catódicos son un constituyente

universal de la materia

Hoy los conocemos como ELECTRONES


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Millikan (1913) determinó por primera vez su

carga y su masa por separado

q(e-) = -1.6022 10-19 C = -q(p)

m(e-) = 9.109××××10-28 g

m(p) = m(n) = 1.673 ××××10-24 (g)

La m(p) es aprox.

2000 veces la m(e-)


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Los tubos de los rayos catódicos (RC) emitían otro tipo de radiación

que se descubrió al comprobar que materiales que formaban

el anticátodo (lámina colocada delante del ánodo) emitían radiación

con longitud de onda mínima dependiendo del material del anticátodo

(ley de Moseley).

Este tipo de radiación se conoce como Rayos X

Roentgen (1895)

+- e-Rayos catódicos

RAYOS X


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Propiedades de los Rayos X

•Son muy energéticos

•Pueden atravesar la materia y velar placas

fotográficas

•No se desvían de su trayectoria mediante campos

magnéticos ⇒⇒⇒⇒ No son partículas cargadas

Ahora sabemos que son una radiación

electromagnética de alta energía


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13.2 Núcleo atómico y radiactividad

Experimento de

RutherfordBombardeo de una

lámina de oro con

partículas alfa

LA MAYORIA

LA TRASPASABAN

SIN DESVIARSE !!!

a) Núcleo atómico


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Conclusiones del experimento de Rutherford

•La mayor parte de la masa y toda la carga + están

concentradas en una zona muy pequeña denominada

núcleo.

•La cantidad de carga + es diferente para distintos

átomos y es aproximadadamente la mitad del peso

atómico.

•Esta carga está contrarrestada con la de los

electrones fuera del núcleo.


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Radio del Núcleo:

10-14 m

Radio de la corteza

10-10 m


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Becquerel (1896) descubrió que algunos materiales

(sales de uranio) velaban las placas fotográficas

en ausencia de luz. Eran materiales radiactivos

Radiactividad: Emisión espontánea de radiación

y partículas. El nombre de radiactividad fue sugerido

por Marie Curie

b) Radiactividad:


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Materialradiactivo

Aislante de Pb

Tipos de radiaciones producidos por los materiales radiactivos

Si un material radiactivo está encerrado en un bloque

de Pb, toda la radiación excepto la que pasa a través

de la abertura estrecha es absorbida por el Pb.

Cuando esta radiación emitida pasa a través de un

campo eléctrico, se descompone en 3 haces. Un haz

permanece sin desviarse son los rayos γγγγ. Los rayos γγγγ

son radiación del mismo tipo que los Rayos X pero

más energética. Otro haz es atraído por la placa

cargada negativamente, son las partículas αααα y el

tercer haz se desvía hacia la placa positiva, son las

partículas ββββ.


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αααα

ββββ

γγγγ

ββββ+

p

n

núcleo de 4He (42He2+,42αααα,αααα)

electrón (0-1e,ββββ-,ββββ)

fotón (radiación de alta energía)

positrón (01e,ββββ+)

protón (11H+, 11p, p)

neutrón (10n,n)

Radiación y partículas emitidas en fenómenos

de radiactividad


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Efectos de la radiactividad

Radiación Poder penetrante relativo Protección requerida

αααα 1 papel, piel

ββββ 100 aluminio 3mm

γγγγ 100000 cemento, plomo


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Reacciones nucleares

Núclido = núcleo específico con un número determinado de neutrones y protones (valores de Z y A)

Reacción nuclear = Transformación de un núclido

en otro. Libera gran cantidad de energía

XAZ Símbolo

Isótopo = átomo con un Z y un A fijos


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Reacción nuclear

•Se producen nuevos elementos

•Cambios de energía muy grandes (1 g 235U = 8.2 x 107 kJ)•Depende del tipo de isótopo

Reacción Química

•No se producen nuevos elementos

•Cambios de energía moderados (combustión de 1 g CH4 = 52 kJ)

•No depende del isótopo


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23592U

9038Sr

14354Xe

Tipos de reacciones nucleares

Fisión = Un núcleo pesado (A > 200) se divide para

formar núcleos más pequeños y uno o más neutrones


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Estabilidad nuclear

Balance entre la repulsión

entre los protones debida

a la carga y la atracción

entre las partículas del

núcleo (p y n, nucleones)

↑↑↑↑ n0 p ↑↑↑↑ ↑↑↑↑ ↑↑↑↑ n0 n


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Series radiactivas

238U →→→→ 206Pb235U →→→→ 207Pb232U →→→→ 208Pb

Serie radiactiva

del 238U

Conjunto de reacciones

nucleares que conducen

a un núclido estable

La mayoría de las series

radiactivas terminan en un

isótopo del Pb


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Fusión = Unión de dos o más núclidos para formar

otro mayor y alguna que otra partícula

147N + 42He →→→→ 17

8O + 11H

2713Al + 42He →→→→ 30

15P + 10n

Es la base de la energía del sol


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Los radionúclidos tienen estabilidades diferentes y se desintegran a velocidades diferentes. Algunos se desintegran casi completamente en una fracción de segundo y otros sólo después de millones de años.

Las velocidades de todas las desintegraciones radiactivas sonindependientes de la temperatura y obedecen a una cinética de primer orden.

velocidades de desintegración = k [A]

La semivida, t1/2, de una reacción es el tiempo necesario para que reaccione la mitad de la muestra original.

t1/2 = 0.693 /k

Velocidad de desintegración radiactiva


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La desintegración de núclidos, de vida media conocida

es la base de la datación radiactiva

DATACIÓN DE MUESTRAS ORGÁNICAS

147N + n →→→→ 14

6C + p

presente en la alta

atmósfera

asimilado en los

seres vivos MIENTRAS

ESTAN VIVOS

Datación radiactiva

El 14C se produce continuamente en la atmósfera superior, cuando los átomos de N capturan neutrones de los rayos cósmicos.


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Los átomos de C-14 reaccionan con moléculas de O2

para formar 14CO2 radiactivo, que se retira de la

atmósfera por fotosíntesis.

El 14CO2 se incorpora a los organismos vivos igual que

el 12CO2 ordinario, así que una cierta fracción de todos

los átomos de C de las sustancias vivas es C-14.


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14CO2Organismo VIVO14C/12C = 1/1012

Excreción y respiración

EQUILIBRIO

Cuando el organismo muere, el 14C empieza a

desintegrarse y ya no se produce ningún aporte más

n = n0 ×××× e-k t

14C que queda después

del tiempo t14C inicial (12C/1012)

0.693 /t1/2

despejar t


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La vida media y la precisión de las medidas

determinan hasta donde se puede datar con fiabilidad

un resto orgánico

La vida media del 14C es de 5730 años

-(t1/2 / ln 2) ln [[[[n / n0]]]] = t

Si la máxima precisión en obtener n es el 1% ⇒⇒⇒⇒

n/n0 = 0.01 como máximo ⇒⇒⇒⇒ t puede ser como

máximo ≈≈≈≈ 38000 años


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El 90Sr es un isótopo radiactivo de vida media corta

(28 años)

Fue introducido en la atmósfera mediante las pruebas

de armas nucleares, de allí pasó a al agua y a la

cadena alimentaria

Por su semejanza con el Ca se acumula en los huesos

y puede producir leucemia y otros tipos de cáncer.


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La RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA es una forma de transmisión de energía en la que los campos eléctricos y magnéticos se propagan por ondas a través del espacio o a través de un medio como el vidrio.

Una ONDA es una perturbación que transmite energíaa través de un medio.

13.3 Radiación y materia


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La luz y todas las demás ondas electromagnéticasson ondas transversales

La luz es el tipo de radiación electromagnéticaque somos capaces de ver


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λλλλ ×××× νννν = c

Relación entre longitud de onda, λλλλ, y frecuencia, νννν

c es la velocidad de todas las ondas electromagnéticas

incluyendo la luz ∼∼∼∼ 3 108 m/s

El espectro electromagnético es el conjunto de todas

las posibles longitudes de onda.


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El espectro electromagnético

Ultravioleta

Rotaciones

Vibraciones

Transiciones electrónicasUV-A 320-400 nm

UV-B 280-320 nm

UV-C 200-280 nm

Transiciones electrónicas internas

Transiciones nucleares

Ondas de Radio

Microondas

Infrarojo

Rayos X

Rayos γγγγ


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13.4 Espectros de emisión y absorción

Cuando se hace pasar una descarga eléctrica

a través de hidrógeno atómico a baja presión, el H

reemite solamente radiación de unas pocas longitudes

de onda características

ENERGÍA→→→→ MUESTRA →→→→ EMISIÓN

Se analiza la

emisión de

radiación por

la muestra

Espectros de emisión:


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Espectros de absorción:

Energía inicial Muestra Energía final

E final = E inicial – E absorbida por la muestra


35

h νννν’ = E2-E1

E

E1

E2

E3

h νννν = E3-E1

E1

E2

E3

h νννν = E3-E1

h νννν’ = E2-E1

Absorción Emisión


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λλλλ / nm

200 240 260 280 300

Abs

orci

ón r

elat

iva

Espectro de absorción de O3

220

Ejemplo: Espectro de absorción del O3

Está en la zona del UV


37

λλλλ / nm400 500

UV Visible

Sobre la estratosfera

En la troposfera

Inte

nsid

ad r

elat

iva

300

Como el O3 de

la estratosfera

absorbe radiación

UV, ésta no llega

a la superficie


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EFECTO INVERNADERO

El gran incremento en el uso de combustibles fósiles ha causado un aumento significativo en la concentración de CO2 en la atmósfera.

La E del sol alcanza la tierra en forma de luz. Ni el CO2 ni el vapor de H2O absorbe la luz visible de la luz solar, de modo que no evitan que llegue a la superficie de la tierra.


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Sin embargo, la E proporcionada por la tierra en forma

de radiación IR (calor) es absorbida por el CO2 y H2O.

Así parte del calor que la tierra debe perder para

permanecer en equilibrio térmico, queda atrapado por la

atmósfera, causando que la temperatura de la tierra

suba.

Este fenómeno se llama EFECTO INVERNADERO.


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Tierra

Radiación IRLuz visible (procede del Sol)

Molécula de “efecto invernadero”

Las principales moléculas que causan e.i. son CO2 y H2O

Otra molécula


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13.5 Naturaleza dual del electrón

La idea de que la luz puede exhibir tanto propiedades

ondulatorias como corpusculares, le sugirió a LOUIS DE

BROGLIE (1924) que partículas muy pequeñas, como los

e-, podrían también presentar propiedades ondulatorias

en circunstancias apropiadas.


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Deducción de la ecuación de De Broglie

Ecuación de Einstein Ecuación de Planck

E = m c2 E = h ννννm c2 = h νννν

m c = h νννν / c

p = m cmomento del fotón: c = λλλλ νννν

p = h νννν / λλλλ νννν

Para aplicar esta ecuación a una partícula material, como un e-

p = m v

hλλλλ

m v =hm v

λλλλ =


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De Broglie predijo que una partícula con una masa m

y una velocidad v tendría una longitud de onda asociada.

El valor numérico de esta λλλλ está dada por esta expresión:

hm v

λλλλ =


44

La hipótesis de De Broglie fue confirmada por Davisson

y Germer en 1925

Demostraron la difracción de e- por un cristal de Ni.

Este comportamiento es una característica importante

de las ondas. Demostrando que los e- tienen propiedades

ondulatorias

Cristal de Ni

Bombardeo con e-

sobre un cristal de Ni

Aparición de

un patrón de

difracción

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