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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
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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
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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 =
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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