ESTRUCTURA ATÓMICA

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    16-Oct-2015

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<ul><li><p>UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERA ELECTRNICA Y ELCTRICA </p><p>ELECTROTECNIA </p><p>1 </p><p>UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS </p><p>FACULTAD DE INGENIERA ELECTRNICA Y </p><p>ELCTRICA </p><p>INFORME PREVIO N3 </p><p>ESCUELA ACADEMICA: 19.1 </p><p>CURSO: ELECTROTECNIA </p><p>TEMA: NORMAS DE SEGURIDAD </p><p>ALUMNO: DIEGO ALONSO AGUIRRE BARRIONUEVO </p><p>CDIGO: 13190138 GRUPO: ___ MDULO: ___ </p><p>FECHA: 10 / 02 /2014 </p><p> 2014 </p></li><li><p>UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERA ELECTRNICA Y ELCTRICA </p><p>ELECTROTECNIA </p><p>2 </p><p>ESTRUCTURA ATMICA </p><p>Introduccin </p><p>En qumica y fsica, tomo (del latn atomus) es la unidad ms pequea de un </p><p>elemento qumico que mantiene su identidad y sus propiedades y que no es </p><p>posible dividir mediante procesos qumicos. </p><p>El concepto de tomo como bloque bsico e indivisible que compone la materia </p><p>del universo ya fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin </p><p>embargo, su existencia no qued demostrada hasta el siglo XIX. Recin con el </p><p>desarrollo de la fsica nuclear en el siglo XX se comprob que el tomo puede </p><p>subdividirse en partculas ms pequeas. </p><p>Estructura atmica </p><p>Antes que nada, empezaremos por definir el </p><p>concepto de tomo. Este es la parte ms </p><p>pequea en la que se puede obtener materia de </p><p>forma estable, ya que las partculas </p><p>subatmicas que lo componen no pueden existir </p><p>aisladamente salvo en condiciones muy </p><p>especiales. El tomo est formado por un </p><p>ncleo, compuesto a su vez por protones y </p><p>neutrones, y por una corteza que lo rodea en la </p><p>cual se encuentran los electrones, en igual </p><p>nmero que los protones. </p><p>Los tomos estn constituidos por protones, neutrones y electrones. Los </p><p>protones estn cargados positivamente y se encuentran reunidos con los </p><p>neutrones (sin carga) en el ncleo. Los electrones, que tienen una carga </p><p>negativa igual en magnitud a la carga positiva del protn, se mueven en </p><p>el espacio que rodea al ncleo. Los protones y los neutrones tienen </p><p>masas semejantes, aproximadamente 1800 veces mayor que la masa de </p><p>un electrn. Casi toda la masa del tomo reside en el ncleo, pero son </p><p>los electrones los que toman parte en los enlaces y en las reacciones </p><p>qumicas. </p><p>Cada elemento se distingue por el nmero de protones en su ncleo. Por </p><p>lo general, el nmero de neutrones es semejante al nmero de protones, </p><p>aunque puede variar. Los tomos que tienen el mismo nmero de </p></li><li><p>UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERA ELECTRNICA Y ELCTRICA </p><p>ELECTROTECNIA </p><p>3 </p><p>protones, pero diferente nmero de neutrones se llaman istopos. Por </p><p>ejemplo, la especie ms comn de tomo de carbono tiene en su ncleo </p><p>seis protones y seis neutrones. Su nmero de masa (la suma de </p><p>protones y neutrones) es 12, y representamos su smbolo 12C. </p><p>Aproximadamente 1% de los tomos de carbono tienen siete neutrones; </p><p>el nmero de masa es 13, y el smbolo es 13C. </p><p>Protn, descubierto por Ernest Rutherford a principios del siglo XX, el </p><p>protn es una partcula elemental que constituye parte del ncleo de </p><p>cualquier tomo. El nmero de protones en el ncleo atmico, </p><p>denominado nmero atmico, es el que determina las propiedades </p><p>qumicas del tomo en cuestin. Los protones poseen carga elctrica </p><p>positiva y una masa 1.836 veces mayor de la de los electrones. </p><p>Neutrn, partcula elemental que constituye parte del ncleo de los </p><p>tomos. Fueron descubiertos en 1930 por dos fsicos alemanes, Walter </p><p>Bothe y Herbert Becker. La masa del neutrn es ligeramente superior a la </p><p>del protn, pero el nmero de neutrones en el ncleo no determina las </p><p>propiedades qumicas del tomo, aunque s su estabilidad frente a </p><p>posibles procesos nucleares (fisin, fusin o emisin de radiactividad). </p><p>Los neutrones carecen de carga elctrica, y son inestables cuando se </p><p>hallan fuera del ncleo, desintegrndose para dar un protn, un electrn </p><p>y un antineutrino. </p><p>Electrn, partcula elemental que constituye parte de cualquier tomo, </p><p>descubierta en 1897 por J. J. Thomson. Los electrones de un tomo </p><p>giran en torno a su ncleo, formando la denominada corteza electrnica. </p><p>La masa del electrn es 1836 veces menor que la del protn y tiene </p><p>carga opuesta, es decir, negativa. En condiciones normales un tomo </p><p>tiene el mismo nmero de protones que electrones, lo que convierte a los </p><p>tomos en entidades elctricamente neutras. Si un tomo capta o pierde </p><p>electrones, se convierte en un ion. </p></li><li><p>UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERA ELECTRNICA Y ELCTRICA </p><p>ELECTROTECNIA </p><p>4 </p><p>Interacciones elctricas entre protones y electrones </p><p>Antes del experimento de Rutherford la comunidad cientfica aceptaba el </p><p>modelo atmico de Thomson, descubridor del electrn en 1897. </p><p>Thomson determin que la materia se compona de dos partes, una negativa y </p><p>una positiva. La parte negativa estaba constituida por electrones, los cuales se </p><p>encontraban segn este modelo, inmersos en una masa de carga positiva a </p><p>manera de pasas en un pastel. Para explicar la formacin de iones, positivos y </p><p>negativos, y la presencia de los electrones dentro de la estructura atmica, </p><p>Thomson ide un tomo consistente en una nube positiva que contena las </p><p>pequeas partculas negativas (los electrones) suspendidos en ella. El nmero </p><p>de cargas negativas era el adecuado para neutralizar la carga positiva. En el </p><p>caso de que el tomo perdiera un electrn, la estructura quedara positiva; y si </p><p>ganaba un electrn, la carga final sera negativa. De esta forma explicaba la </p><p>formacin de iones; pero dej sin explicacin la existencia de las otras </p><p>radiaciones. </p><p>Los modelos posteriores se basan en una estructura de los tomos con una </p><p>masa central cargada positivamente rodeada de una nube de carga negativa. </p><p>Este tipo de estructura del tomo llev a Rutherford a proponer su modelo en </p><p>que los electrones se moveran alrededor del ncleo en rbitas. Adems, </p><p>Rutherford predijo la existencia del neutrn en el ao 1920, razn por la cual en </p><p>el modelo anterior (Thomson), no se habla de ste. El modelo de Rutherford, a </p><p>pesar de ser obsoleto en trminos cientficos, es la percepcin ms comn del </p><p>tomo del pblico no cientfico. Este modelo tiene una dificultad proveniente del </p><p>hecho de que una partcula cargada acelerada, como sera necesario para </p><p>mantenerse en rbita, emitira radiacin electromagntica, perdiendo energa. </p><p>Las leyes de Newton, junto con las ecuaciones del electromagnetismo de </p><p>Maxwell aplicadas al tomo de Rutherford llevan a que en un tiempo del orden </p><p>de 10-10s, toda la energa del tomo se habra radiado, con la consiguiente </p><p>cada de los electrones sobre el ncleo. Para salvar estos inconvenientes, Bohr </p><p>propone su modelo (que en rigor es solo un modelo del tomo de hidrgeno </p><p>tomando como punto de partida el modelo de Rutherford), tratando de </p><p>incorporar los fenmenos de absorcin y emisin de los gases, as como la </p></li><li><p>UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERA ELECTRNICA Y ELCTRICA </p><p>ELECTROTECNIA </p><p>5 </p><p>nueva teora de la cuantizacin de la energa desarrollada por Max Planck y el </p><p>fenmeno denominado efecto fotoelctrico observado por Albert Einstein. Para </p><p>Bohr, el tomo es un pequeo sistema solar con un ncleo en el centro y </p><p>electrones movindose alrededor del ncleo en rbitas bien definidas, que </p><p>estn cuantizadas (es decir que los e- pueden estar solo en ciertas rbitas). </p><p>Cada rbita tiene una energa asociada. La ms externa es la de mayor </p><p>energa. Los electrones no radian energa (luz) mientras permanezcan en </p><p>rbitas estables. Los electrones pueden saltar de una a otra rbita. Si lo hacen </p><p>desde una de menor energa a una de mayor energa absorben un cuanto de </p><p>energa (una cantidad) igual a la diferencia de energa asociada a cada rbita. </p><p>Si pasan de una de mayor a una de menor, pierde energa en forma de </p><p>radiacin (fotn). </p><p>El mayor xito de Bohr fue dar explicacin al espectro de emisin del hidrgeno </p><p>y proporcionar una base para el carcter cuntico de la luz, ya que el fotn es </p><p>emitido cuando un electrn cae de una rbita a otra, siendo un pulso de </p><p>energa radiada. En trminos cuantitativos, la variacin de energa ( ) </p><p>asociada con la transicin del electrn desde un nivel a otro, est relacionada </p><p>con la frecuencia ( ) del fotn a travs de la ecuacin de Planck: </p><p>Para la radiacin electromagntica, la constante de Planck relaciona la </p><p>velocidad de la luz (c= 3,00 x 108 metros/segundo) con su longitud de onda ( ) </p><p>mediante la ecuacin </p><p>Por lo tanto, el cambio de energa asociado al fotn, tambin puede expresarse </p><p>como: </p><p>La verificacin experimental de las energas asociadas con electrones que son </p><p>excitados a niveles de energa discreta superior o la prdida de energa y cada </p><p>a niveles discretos ms bajos, se obtiene principalmente por los anlisis de las </p><p>longitudes de onda e intensidades de las lneas espectrales. Cuando los </p><p>tomos son excitados elctrica o trmicamente y cesa esta excitacin, emiten </p><p>una radiacin. Si esta es dispersada por un prisma y detectada por una placa </p><p>fotogrfica, se revelan lneas o bandas. A los conjuntos de estas lneas se los </p><p>denomina espectros de emisin atmica. Cada lnea espectral corresponde a </p><p>una cantidad de energa especfica que se emite. </p><p>Utilizando los datos del espectro de hidrgeno, </p><p>Niels Bohr desarroll en 1913 un modelo para el tomo de hidrgeno que </p><p>consista en un electrn sencillo girando alrededor de un protn con un radio </p><p>fijo. Una buena aproximacin de la energa del electrn en el tomo de </p></li><li><p>UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERA ELECTRNICA Y ELCTRICA </p><p>ELECTROTECNIA </p><p>6 </p><p>hidrgeno para un nivel energtico determinado viene dada por la ecuacin de </p><p>Bohr: </p><p>En la teora atmica moderna, la n de la ecuacin de Bohr se designa como </p><p>nmero cuntico principal y representa los niveles energticos principales para </p><p>los electrones en los tomos. A partir de la ecuacin de Bohr, se determina que </p><p>el nivel de energa del electrn del hidrgeno en su estado fundamental es - </p><p>13,6 eV y corresponde a la lnea donde n = 1 en el diagrama de los niveles </p><p>energticos del hidrgeno. Cuando el electrn del hidrgeno es excitado a </p><p>niveles energticos superiores, su energa aumenta pero su valor numrico es </p><p>menor. Por ejemplo, cuando el electrn del hidrgeno es excitado al segundo </p><p>nivel cuntico principal, su energa es 3,4 eV y si el electrn es excitado hasta </p><p>el estado libre, donde n = infinito, el electrn tendr energa nula. La energa </p><p>requerida para hacer que el electrn abandone el tomo de hidrgeno es 13,6 </p><p>eV que es la energa de ionizacin del electrn del hidrgeno. </p><p>Energa de Ionizacin </p><p>Generalizando la mencin hecha para el hidrgeno, se define la energa de </p><p>ionizacin como la cantidad mnima de energa necesaria para eliminar el </p><p>electrn ms dbilmente ligado a un tomo aislado en forma gaseosa, para dar </p><p>lugar a la formacin de un ion con una carga de +1: </p><p>Este valor tambin se conoce como la primera energa de ionizacin, puesto </p><p>que hay otros electrones susceptibles de ser arrancados del tomo. La figura 5 </p><p>muestra una grfica de energa de primera ionizacin frente al nmero atmico </p><p>de los primeros 20 elementos de la tabla peridica. </p></li><li><p>UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERA ELECTRNICA Y ELCTRICA </p><p>ELECTROTECNIA </p><p>7 </p><p>En esta imagen se observa como los elementos de un mismo perodo </p><p>requieren ms energa conforme se incrementa su nmero atmico (Li, Be, B, </p><p>C, N, O, F y Ne). Por otra parte, para elementos de un mismo grupo se verifica </p><p>que la energa requerida es similar pero cada vez menor, (por ejemplo Li, Na y </p><p>K). Asimismo se observa que al comparar un perodo con el siguiente, el </p><p>comportamiento energtico es similar. En conclusin, la energa de ionizacin </p><p>tambin es una de las propiedades peridicas, es decir forma parte del </p><p>conjunto de propiedades repetitivas o similares que se dan sobre elementos de </p><p>un mismo grupo y/o de un mismo perodo. </p><p>Modelo atmico actual </p><p>Despus de que de Broglie propusiera la naturaleza ondulatoria de la materia </p><p>en 1924, la cual fue generalizada por Edwin Schrdinger en 1926, se actualiz </p><p>nuevamente el modelo del tomo. En el modelo de Schrdinger se abandona la </p><p>concepcin de los electrones como esferas diminutas con carga que giran en </p><p>torno al ncleo (que es una extrapolacin de la experiencia a nivel </p><p>macroscpico hacia las diminutas dimensiones del tomo). En vez de esto, </p><p>Schrdinger describe a los electrones por medio de una funcin de ondas, el </p><p>cuadrado de la cual representa la probabilidad de presencia en una regin </p><p>delimitada del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce como orbital. </p><p>El movimiento de los electrones en los tomos es ms complicado que el </p><p>presentado por el modelo atmico sencillo de Bohr. Los electrones pueden </p><p>tener rbitas no circulares (elpticas) en torno al ncleo y, de acuerdo con el </p><p>principio de incertidumbre de Heisenberg, la posicin y el momento (masa x </p><p>velocidad) de una partcula pequea como es el electrn no pueden ser </p><p>determinados simultneamente. As, la posicin exacta del electrn en un </p><p>instante no puede ser determinada debido a que el electrn es una partcula </p><p>muy pequea. Puesto que la posicin del electrn en el hidrgeno no puede ser </p><p>determinada con precisin, se utiliza frecuentemente una distribucin de la </p><p>densidad de la nube de carga electrnica para representar la posicin del </p><p>electrn en el tomo de hidrgeno en su movimiento orbital alrededor de su </p></li><li><p>UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERA ELECTRNICA Y ELCTRICA </p><p>ELECTROTECNIA </p><p>8 </p><p>ncleo. La mayor densidad de carga electrnica se encuentra en un radio de </p><p>0,05 nm, que corresponde al radio de Bohr del tomo de hidrgeno. </p><p>Nmeros cunticos </p><p>La moderna teora atmica establece que el movimiento de un electrn en </p><p>torno a su ncleo y su energa estn caracterizado no slo por un nmero </p><p>cuntico principal sino por cuatro nmeros cunticos: principal n, secundario l, </p><p>magntico ml, y de spin ms. De acuerdo con el principio de exclusin de Pauli7, </p><p>no puede haber dos electrones en un mismo tomo que tengan los cuatro </p><p>nmeros cunticos iguales. </p><p>Nmero cuntico principal (n): </p><p>El nmero cuntico principal corresponde a la n en la ecuacin de Bohr. </p><p>Representa los niveles energticos principales para el electrn y puede ser </p><p>interpretado como una zona en el espacio donde es alta la probabilidad de </p><p>encontrar al electrn con un valor particular de n. Los valores de n son nmeros </p><p>enteros positivos comprendidos entre 1 y 7. Cuanto mayor es el valor de n, ms </p><p>se aleja la corteza del ncleo y por consiguiente cuanto mayor es el valor del </p><p>nmero cuntico principal de un electrn, ms lejano est el electrn (sobre </p><p>una base de tiempo medio) del ncleo. Tambin, en general, cuanto mayor es </p><p>el nmero cuntico principal de un electrn, mayor es su energa. </p><p>Nmero cuntico secundario (1): </p><p>El segundo nmero cuntico es el nmero cuntico secundario 1. Este nmero </p><p>cuntico especifica los subniveles de energa dentro de los lmites de los </p><p>niveles principales, y tambin especifica una subcapa donde la probabilidad de </p><p>encontrar al electrn es alta si ese nivel energtico est ocupado, Los valores </p><p>permitidos de 1 son 1 = 0, 1, 2, 3, ..., n 1. Las letras s, p, d, y f se utilizan8 </p><p>para designar a los subniveles energticos 1 como sigue: </p><p>Los subniveles energticos s, p, d y f de un electrn son trminos o...</p></li></ul>