Números cuánticos y átomos

NÚMEROS CUÁNTICOS

Los números cuánticos son unos números que se conservan en los sistemas cuánticos. Corresponden con aquellos observables que conmutan con el Hamiltoniano del sistema. Así, los números cuánticos permiten caracterizar los estados estacionarios, es decir los estados propios del sistema.

En física atómica, los números cuánticos son valores numéricos discretos que nos indican las características de los electrones en los átomos, esto está basado en la teoría atómica de Niels Bohr que es el modelo atómico más aceptado y utilizado en los últimos tiempos por su simplicidad.

En física de partículas también se emplea el término números cuánticos para designar a los posibles valores de ciertos observables o magnitud física que poseen un espectro o rango posible de valores discreto.

Los números cuánticos son valores numéricos que nos indican las características de los electrones de los átomos, esto esta basado desde luego en la teoría atómica de Neils Bohr que es el modelo atómico mas aceptado y utilizado en los últimos tiempos.

Los números atómicos más importantes son cuatro:

Número Cuántico Principal.

Número Cuántico Secundario.

Número Cuántico Magnético.

Número Cuántico de Spin.

Número Cuántico Principal (n)

El número cuántico principal nos indica en que nivel se encuentra el electrón, este valor toma valores enteros del 1 al 7.

Número Cuántico Secundario (d)

Este número cuántico nos indica en que subnivel se encuentra el electrón, este número cuántico toma valores desde 0 hasta (n - 1), según  el modelo atómico de Bohr - Sommerfield existen además de los niveles u orbitas circulares, ciertas órbitas elípticas denominados subniveles. Según el número atómico tenemos los numeros:

l = 0    s    sharp

l = 1    p    principal

l = 2    d    diffuse

l = 3    f     fundamental

l = 4    g

l = 5    h

l = 6    i 

Número Cuántico Magnético (m) 

El número cuántico magnético nos indica las orientaciones de los orbitales magnéticos en el espacio, los orbitales magnéticos son las regiones de la nube electrónica donde se encuentran los electrones,  el número magnético depende de l y toma valores desde -l hasta l.

Número Cuántico de Spin (s) 

El número cuántico de spin nos indica el sentido de rotación en el propio eje de los electrones en un orbital, este número toma los valores de -1/2 y de 1/2. 
De esta manera entonces se puede determinar el lugar donde se encuentra un electrón determinado, y los niveles de energía del mismo, esto es importante en el estudio de las radiaciones, la energía de ionización, así como de la energía liberada por un átomo en una reacción.

Principio de Exclusión de Pauli 

El mismo dice "En un mismo átomo no puede existir dos electrones que tengan los mismos números cuánticos" de esta manera podemos entonces afirmar que en un mismo orbital no puede haber más de dos electrones y que los mismos deben tener distinto número de spin. 

Regla de Hund 

Cuando se llena orbitales con un mismo nivel de energía o lo que es lo mismo que se encuentran en un mismo subnivel se debe empezar llenando la mitad del subnivel con electrones de spin +1/2 para luego proceder a llenar los subniveles con electrones de spin contrario (-1/2).

NUMEROS CUANTICOS

La propuesta de Schrodinger , considerado como el 5° modelo atómico , radica en describir las características de todos los electrones de un átomo , y para ello uso lo que conocemos como números cuánticos .

Los números cuánticos se denominan con las letras n, m, l y s y nos indican la posición y la energía del electrón. Ningún electrón de un mismo átomo puede tener los mismos números cuánticos.

El significado de los números cuánticos es :

n = número cuántico principal, que indica el nivel de energía donde se encuentra el electrón, asume valores enteros positivos, del 1 al 7 .

l = número cuántico secundario, que indica el orbital en el que se encuentra el electrón , puede ser s , p , d y f (0 , 1 , 2 y 3 ).

m = número cuántico magnético , representa la orientación de los orbitales en el espacio, o el tipo de orbital , dentro de un orbital especifico. Asume valores del número cuántico secundario negativo (-l) pasando por cero, hasta el número cuántico positivo (+l) .

s = número cuántico de spin, que describe la orientación del giro del electrón. Este número tiene en cuenta la rotación del electrón alrededor de su propio eje a medida que se mueve rodeando al núcleo. Asume únicamente dos valores +1/2 y -

En resumen los números cuanticos se expresan :

n : Nivel de energía (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)

l : Orbital (s=0, p=1, d=2 y f=3) de l =0 (orbital s) hasta n - 1.

m : magnético (m=-l ,0 +1) desde -l, pasando por cero,hasta +l.

s : spin (-1 , + 1 ).

Los números cuánticos sirven a su vez para entender la información que aporta la configuración electrónica

De esta forma se pueden obtener los números cuánticos de los electrones de los niveles superiores. Para mayor facilidad se presentará una tabla para asignar los números cuánticos correctos, conociendo la configuración electrónica y la localización exacta del electrón. 
1s²/2s²2p⁶/3s²3p⁶/4s²3d¹⁰4p⁶/5s²4d¹⁰5p⁶/6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶/7s²5f¹⁴6d¹⁰7p⁶

El número que precede al orbital es igual al número cuántico principal,por ejemplo para los electrones que están en el orbital 4p, el nivel = 4.

El número cuántico secundario se establece observando el orbital referido, por ejemplo para el orbital 4p , el subnivel es el orbital , l = 1 (p)  

Orbital	Equivalencia
s	0
p	1
d	2
f	3

ATOMOS

 El Átomo es la unidad más pequeña de un elemento quimico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos quimicos..

Su denso núcleo representan el 99.9% de la masa del átomo, y está compuesto de barionesllamados protones y neutrones, rodeados por una nube de electrones, que -en un átomo neutro- igualan el número de protones.

El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universofue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin embargo, su existencia no quedó demostrada hasta el siglo XIX. Con el desarrollo de la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas.

 

El núcleo atómico

El núcleo del átomo se encuentra formado por nucleones, los cuales pueden ser de dos clases:

• Protones: una partícula con carga eléctrica positiva igual a una carga elemental, y una masa de 1,67262 × 10^–27 kg.
• Neutrones: partículas carentes de carga eléctrica, y con una masa un poco mayor que la del protón (1,67493 × 10^–27 kg).

El núcleo más sencillo es el del hidrógeno, formado únicamente por un protón. El núcleo del siguiente elemento en la tabla periódica, elhelio, se encuentra formado por dos protones y dos neutrones. La cantidad de protones contenidas en el núcleo del átomo se conoce como número atómico, el cual se representa por la letra Z y se escribe en la parte inferior izquierda del símbolo químico. Es el que distingue a un elemento químico de otro. Según lo descrito anteriormente, el número atómico del hidrógeno es 1 (₁H), y el del helio, 2 (₂He).

La cantidad total de nucleones que contiene un átomo se conoce como número másico, representado por la letra A y escrito en la parte superior izquierda del símbolo químico. Para los ejemplos dados anteriormente, el número másico del hidrógeno es 1 (¹H), y el del helio, 4 (⁴He).

Existen también átomos que tienen el mismo número atómico, pero diferente número másico, los cuales se conocen como isótopos. Por ejemplo, existen tres isótopos naturales del hidrógeno, el protio (¹H), el deuterio (²H) y el tritio (³H). Todos poseen las mismas propiedades químicas del hidrógeno, y pueden ser diferenciados únicamente por ciertas propiedades físicas.

Otros términos menos utilizados relacionados con la estructura nuclear son los isótonos, que son átomos con el mismo número de neutrones. Los isóbaros son átomos que tienen el mismo número másico.

Debido a que los protones tienen cargas positivas se deberían repeler entre sí, sin embargo, el núcleo del átomo mantiene su cohesión debido a la existencia de otra fuerza de mayor magnitud, aunque de menor alcance conocida como la interacción nuclear fuerte.

luz, reflexion y espejos

Luz

Hay 3 principales características  de la luz:

·         Propagación rectilínea: la luz viaja en línea directa

·         Reflexión: cuando a luz incide sobre la superficie lisa, aquella retorna al medio original.

·         Refracción: la trayectoria de la luz cambia cuando entra en un medio transparente.

De acuerdo a la teoría corpuscular, se consideraba que partículas muy pequeñas de  masa despreciable eran emitidas por fuentes de luz como el sol o una llama. Dichas partículas viajan hacia afuera de la fuente en líneas rectas y gran velocidad. Cuando las partículas entraban al ojo se estimulaba el sentido de la visión. La propagación rectilínea se explicaba fácilmente en términos de partículas. De hecho, uno de los argumentos más fuertes que apoyaban la teoría corpuscular se basa en esta propiedad. Se pensaba que las partículas producían sombras con contornos bien definidos. Imagen d ondas y luz

Las sombras nítidas que forman los rayos de la luz sugirieron a newton que la luz debiera estar constituida por partículas. Huygens, por su parte, explico que la deflexión de ondas de agua y de las sonoras alrededor de obstáculos, se notaban fácilmente debido a las largas longitudes de onda. El pensó que si la luz fuera una onda con una longitud de onda muy corta, entonces aquella aparecería como una sombra bien definida debido a que la deflexión sería muy pequeña.

También era difícil explicar porque las partículas, viajando en líneas rectas en muchas direcciones, podían cruzarse entre sí sin efecto alguno.  Huygens expreso:

“si, además, centramos nuestra atención, y apreciamos la velocidad extraordinaria con que la luz se dispersa en todas las direcciones teniendo en cuenta el hecho de que ella proviene desde muy diferentes y opuestas direcciones, y que los rayos se interpenetran sin obstruirse entre sí , entonces podemos comprender que cuando vemos un objeto luminoso no puede deberse a la transmisión de materia, que nos alcanza desde el objeto como por ejemplo un proyectil o una flecha que vuela atravez del aire”.

Su argumento lo baso en un principio simple que todavía resultaba útil para describir la propagación de la luz. Supóngase que se deja caer una piedra en una alberca de agua tranquila. Se origina una perturbación que se mueve alejándose del punto de impacto como una serie de ondas concéntricas., en el proceso continua aun después de que la piedra a llegado al fondo de la alberca.

“cualquier punto de onda de un frente de onda que avanza puede considerarse como una fuente de ondas secundarias llamadas pequeñas olas. La nueva posición de frente de onda vuelve a las pequeñas ondas emitidas desde todos los puntos del frente de onda en su posición previa”.

Flujo luminoso

Es aquella fracción de la potencia radiante total emitida por una fuente de luz capaz de afectar el ojo.

En una lámpara común de luz incandescente solo alrededor del 10% de la energía radiante es flujo luminoso. La mayor parte de la potencia radiante no es luminosa el ojo humano no es igualmente sensible a todos los colores,  es decir, una misma potencia radiante de diferentes longitudes de onda no se produce de igual brillo. Para longitudes de ondas mayores y menores la sensibilidad cae rápidamente. Lo que realmente se requiere es una unidad que mida el brillo. Tal unidad es el lumen y se expresa
(lm), se determina por comparación con una fuente estándar. Para determinar la definición del lumen en términos de la fuente tipo, primero debe desarrollarse el concepto de ángulo solido en estereorradianes (sr) se define en la misma forma que un ángulo plano en radianes.

   Rad

Donde: S= es la longitud del arco,  R= es el radio similante se define el ángulo sólido  , que no es otra cosa que la abertura del extremo de un cono obtenido por un segmento del área de la superficie esférica.

Un estereorradián es el ángulo solido obtenido en el centro de una esfera por un área A sobre la superficie que es igual al cuadrado de su radio R.

Ω =  sr

                           

Reflexión

Cuando incide la luz sobre la frontera entre 2 medios, como aire y vidrio, puede suceder una o mas de 3 cosas, parte de la luz incidente sobre la superficie de vidrio se refleja y otra parte pasa por el vidrio. La luz que penetra en el vidrio se absorbe y se transmite parcialmente. La luz que se transmite suele sufrir un cambio de dirección llamado refracción. La reflexión de una luz obedece a la misma ley general de la mecánica que gobierna a otros fenómenos de rebote, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Existen 2 leyes básicas de reflexión:

1.- el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

2.- el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie se encuentran en un mismo plano.

                                     

Espejos

Espejos planos una superficie muy bien pulida en la que se forma imágenes por reflexión especular de la luz se llama espejo.  Cuando se ve la luz reflejada a un cierto ángulo del espejo, puede deducirse una cosa similar; es decir que la distancia de la imagen P es igual que la distancia al objeto Q. esto es cierto puesto que le ángulo    es igual que el ángulo  .   Para un espejo plano, la distancia del espejo al objeto es siempre de igual magnitud que la distancia a la imagen del mismo. 

P=q

Imagen virtual; es aquella que parece formarse por luz proveniente de la imagen, aunque en realidad los rayos de luz no pasan por ella.

Imagen real; se forma por rayos de luz verdaderos que pasan por ella. Las imágenes reales pueden proyectarse sobre una pantalla.

Puesto que las imágenes virtuales no se forman por rayos reales de luz, no pueden proyectarse sobre una pantalla. El ojo es el uso del principio de refracción para hacer convertir la luz reflejada que parece provenir de la imagen virtual. Asi pues una imagen real se realiza sobre la retina del ojo. Esta imagen que se forma por rayos reales de luz reflejados, es interpretada por  el cerebro como si se hubiera originado en un punto detrás del espejo. El cerebro está condicionado a la propagación rectilínea de la luz, y se confunde cuando de alguna manera se produce un cambio en las direcciones.

Espejos esféricos

El mismo método geométrico aplicado para la reflexión de la luz en un espejo plano puede aplicarse a un espejo curvo. Todavía el ángulo de incidencia es igual que el ángulo de reflexión, pero la normal a la superficie cambia en cada punto a lo largo de la misma. El resultado es una relación compleja entre el objeto y su imagen. La mayor parte de los espejos curvos utilizados en la práctica son esféricos. Un espejo esférico es aquel que puede imaginarse como una porción de una esfera reflectante.

F=

La longitud focal de un espejo cóncavo es igual a la mitad de su radio de curvatura R.

termodinamica

Primera Ley de la Termodinamica

Esta ley se expresa como:

E_int = Q - W

Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W)
Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema.
Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.

Segunda Ley de la Termodinamica

La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley.
En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinamica, que tiene dos enunciados equivalentes:
Enunciado de Kelvin - Planck : Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.
Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.