ESTRUCTURA EXTRANUCLEAR DEL TOMO.EVOLUCIN HISTRICA

Estructura de la materiaPlatn y Aristteles: la materia es continua.Demcrito (470-370AC): la materia est formada por tomos (partcula indivisible).Dalton (~ 1800): - La materia esta formada por tomos. - Elementos diferentes estn formados por tomos diferentes. - Los tomos no se crean ni se destruyen en las reacciones qumicas. - Los tomos se combinan en proporciones diferentes para formar compuestos.

Estructura del tomoThomson (1856-1940): electrn (1897)Millikan (1860 1953): carga del electrnRadiactividad (Becquerel).Thomson: modelo del budn.Rutherford (1871-1937): experimento de la placa de oro. Modelo nuclear (1911)Rutherford (1919): protn.Chadwick (1932): neutrn.

Partculas subatmicas* 1,6 10-19 Culombios = 1 unidad

PartculaMasa (uma)Masa (gramos)Carga* (culombios)Electrn0,000549 (5,49 10-4)9,1095 10-28-1,6 10-19Protn1,007281,6726 10-241,6 10-19Neutrn1,008671,6750 10-240

Tamao

A : Nmero msicoZ : Nmero atmico X : Smbolo qumicoISTOPOS: el mismo Z pero distinto A

Estructura electrnica de los tomosInteraccin de la materia con la luz

LUZonda y partcula

La luz como onda: longitud de onda c : velocidad de la luzc = 2,99792458 10-8 m/s

: frecuencia

= c/

Unidades

Planck: cuantizacin de la energaRadiacin del cuerpo negro: la energa slo puede absorberse o liberarse en los tomos en cantidades definidas llamadas cuantos. La relacin entre la energa y la frecuencia de la radiacin est dada por:

h es la constante de Planck (6.626 10-34 J.s).

(ejemplo: escalera vs rampa)

La luz como partculaEfecto fotoelctrico (Einstein 1905): la luz est formada por partculas, fotones.

Energa de un fotn:

Haz incidenteIntensidad I0Haz emergenteIntensidad IMuestra gaseosallEsquema de un experimento de absorcin atmica

Espectro visibleEspectro de emisin del tomo de hidrgeno en el visibleEspectro de absorcin del tomo de hidrgeno en el visible

Espectros de lneas1885. Balmer encontr que las lneas en la regin visible del espectro del hidrgeno responden a la siguiente ecuacin:

Posteriormente Lyman generaliz esta expresin:

Donde RH es la constante de Rydberg (3,29 1015 Hz)n1 y n2 son nmeros naturales y distintos de cero (n2 > n1).

Espectro de emisin de diferentes tomos

Los espectros y el modelo atmico de Bohr (1913)Rutherford asumi que los electrones estn en rbitas alrededor del ncleo (modelo planetario). Este modelo no explica los espectros de lneas.Bohr considerando el concepto de cuantizacin de la energa propone un nuevo modelo: - los electrones describen rbitas circulares alrededor del ncleo. - solamente estn permitidas ciertas rbitas. - los electrones no emiten ni absorben radiacin mientras se encuentren en una rbita permitida. Slo hay emisin o radiacin cuando el electrn cambia de una rbita a otra permitida.

Emisin de energaCambio de energa en el tomo E = Efinal - Einicial = E1-E2E < 0 El tomo pierde energaEnerga del fotn emitido Efotn = | E| = hAbsorcin de energaE1E2E3Cambio de energa en el tomo E = Efinal - Einicial = E3-E2 E > 0 El tomo gana energaEnerga del fotn absorbido Efotn = E = hQu pasa si Efotn E?Mayor estabilidad

Como la energa est cuantizada, la luz emitida o absorbida por un tomo aparece en el espectro como una lnea.Siguiendo una deduccin matemtica Bohr llega a la conclusin (para hidrgeno):

n es el nmero de rbita (nmero cuntico principal). n es natural (n=1, 2 , 3, )

La primer rbita en el modelo de Bohr corresponde a la rbita con n=1. Es la ms cercana al ncleo. Los electrones en el modelo de Bohr slo se pueden mover entre rbitas emitiendo o absorbiendo energa (cuantizada) Como se mencionara, la cantidad de energa absorbida o emitida durante el movimiento de un electrn entre 2 rbitas est dada por:

Y entonces:

Si ni > nf, emisin de energa.Si nf > ni, absorcin de energa

Limitaciones del modelo de BohrSlo explica satisfactoriamente el espectro del hidrgeno (e iones hidrogenoides, 1 electrn).

El comportamiento ondulatorio del electrnConsiderando las ecuaciones de Einstein y Planck, Louise de Broglie (1924) demostr:

de Broglie rene los conceptos de onda y de partcula

El principio de incertidumbreAl considerar partculas con masas muy pequeas (escalas atmicas) no es posible determinar con suficiente precisin y simultneamente su posicin y su velocidad (Heisemberg 1927).

No tiene sentido describir el comportamiento del electrn en torno al ncleo con las leyes de la mecnica clsica. Hay que considerar su comportamientocomo onda.

La ecuacin de SchrdingerEs una ecuacin que incluye las componentes ondulatorias. El movimiento deuna onda se describe matemticamente mediante una ecuacin que sedenomina ecuacin de onda.Schrdinger describi el comportamiento del electrn girando alrededor delncleo como una onda y plante la ecuacin de onda.Al resolver matemticamente esta ecuacin se obtienen distintas soluciones(estados del sistema).

Para el tomo de hidrgeno existen infinitas soluciones de la ecuacin de onda (infinitos estados o estados electrnicos del sistema). Cada estado electrnico est caracterizado por 4 nmeros, los nmeros cunticos: n, l, ml, ms

Nmeros cunticosOrbital

Los nmeros cunticos estn relacionados don distintas propiedades de los estados electrnicos.La solucin de la ecuacin de Schrdinger muestra que para el tomo de hidrgeno el estado caracterizado por el conjunto (n, l, ml, ms) tiene una energa dada por:

Orbitaless (l=0)

Orbitales p (l=1) ml (-1; 0; 1)

Orbitales dlml

Configuracin electrnicaConfiguracin electrnicaindica en qu orbitales se encuentran los electrones.Principio de Paulien un tomo no puede haber dos electrones con los 4 nmeros cunticos iguales.Regla de Hund cuando se agregan electrones a una subcapa a medio llenar, la configuracin ms estable es aquella que tiene el mayor nmero de e- desapareados.

*Del Micromundo al Macromundo

*El micromundo y el macromundoPara estudiar la materia que hay en nuestro Universo, hay tres preguntas que son claves:cmo est organizada la materia?cmo ha llegado a ser lo que es?cmo evolucionar?Veremos en esta tarea, cmo a medida que nos adentramos en el mundo de lo muy pequeo, nos vamos acercando cada vez ms al Universo en sus primeros momentos. Y cmo el estudio del Universo primitivo nos ayuda a entender el micromundo.El micromundo y el macromundo hay un momento en que confluyen.

*El estudio del firmamentoDesde muy antiguo el hombre se interes por los objetos del firmamento.El Sistema Solar y las estrellas fueron estudiados por las antiguas civilizaciones.Las constelaciones fueron catalogadas hace bastantes siglos y modelos para nuestro sistema Solar fueron propuestos ya antes de nuestra era.

*Tcnicas de observacinCon mtodos de observacin primarios e ingeniosos, se establecieron las bases de nuestro conocimientoLas astronomas chinas, babilnica y occidental, conocieron un grado de desarrollo elevado. Ya en esas pocas tomaron el nombre muchas de las constelaciones.Observatorio de StonehengeConstelaciones de Canis Maior y Orin

*El Sistema solarEl Sistema Solar fue objeto de estudio desde el principio. Aristarco de Samos (320-230 a.C) propuso un modelo heliocntrico, estando el Sol en el centro.Ptolomeo de Alejandra situ en cambio a la Tierra en el centro del Sistema Solar y propuso para explicar los movimientos de los planetas, la teora de los epiciclos.Aristarco de S.Ptolomeo de A.

*Astrofsica (resumen)Gravitacin(NEWTON)

Electromagnetismo(MAXWELL)

Fsica Nuclear(H. BETHE)

*Astrofsica del ms allLa exploracin del universo con sondas lanzadas al espacio exterior y telescopios de diversas longitudes de onda, ampli el horizonte de nuestras observaciones.Se lleg mucho ms cerca de los orgenes de nuestro Universo, en el tiempo y en el espacio.Telescopio espacial Huble

*Modelo estndar del universoSe establece el Modelo Estndar del Universo, a partir del Big-Bang, con las siguientes bases experimentales:Las cantidades de Deuterio y Helio sintetizadas en la fase inicial del UniversoLa expansin de las Galaxias La radiacin de fondo de microondas.Evolucin del Universo a partir del Big-Bang

*Evolucin del UniversoLa sonda COBE manifiesta cmo, a pesar de que el Universo, es homogneo e istropo, en muy pequeas proporciones, 1 en 100.000, presenta unas inhomogeneidades que pueden muy bien explicar el origen de las diversas estructuras que observamos.

Cosmic Background ExplorerFluctuaciones detectadas por el COBE

*Enigmas en el UniversoActualmente no se comprende por qu se observa menos materia de la que se detecta, segn los efectos gravitatorios. Se habla por ello de materia oscura.Parece que el Universo se est expandiendo pero de modo acelerado, segn observaciones del movimiento de alguna supernovas. Se habla de una energa oscura, cuyo contenido no se comprende.

*Cuestiones pendientesSegn nuestro conocimiento acual se sabe la composicin de un 5% de la materia del Universo. Pero se ignora la naturaleza del resto, la materia y la energa oscura. No sabemos cmo fu el Universo en los primeros momentos? por qu en el Universo hay materia en lugar de antimateria? Hubo un perodo de expansin acelerada o inflacin? Cmo evolucionar el Universo en el futuro? seguir expandindose?

*Astrofsica de las partculasLa Astrofsica cercana al Big-Bang enlaza con la Fsica de las Partculas elementales o Fsica de Altas Energas. Para comprender cmo fue estado inicial del universo necesitamos conocer la estructura de la materia a muy alta energa. As se podremos entender cmo ha evolucionado, como es actualmente y cual ser su destino.As se espera saber tambin de qu est hecha la materia oscura, la energa oscura, etc.La Fsica de los muy pequeo y de lo muy grande confluyen de modo definitivo.

*Universo y PartculasEl Universo en sus orgenes, con muy alta temperatura, se demuestra que se puede reproducir en los laboratorios, al hacer colisionar partculas a altas energas.De esas experiencias se espera que nuevas teoras de partculas puedan contestar a cuestiones sobre la composicin del universo, en sus estadios iniciales

*Pero y la historia del micromundo?Ahora sabemos que el micromundo y el macromundo convergen. Hemos descrito someramente cmo fue la historia del descubrimiento del Macromundo. Se ha visto lo fructferas que han sido las interacciones entre las leyes de la Fsica y la Astronoma, que dieron nacimiento a la Astrofsica. Per cmo fue la historia del micromundo?

*De qu est hecha la materia?Paralelamente al inters por el estudio de los cielos, se desarroll el estudio de la composicin de la materiaLos primeros filsofos propusieron 4 elementos para explicarla: tierra, agua, aire y fuego.Otros empezaron a hablar de tomos como entes indivisibles: DemcritoLa materia segn Aristteles

*Teora cuntica-relativista Las partculas se comportan como ondas y al moverse a velocidades cercanas a las de la luz, obedecen a la teora cuntica y relativistaEsto implica que l=h/p y E=mc2Y ste ser el marco adecuado para el estudio de las estructuras del microcosmos.

*Tcnicas experimentalesLa comprensin del comportamiento de las partculas mejor las tcnicas de aceleracin y deteccinLas tcnicas de espectroscopa tambin se desarrollaron y permitieron estudiar los procesos de desintegracin radiactiva.Con esto se establecieron las bases experimentales para el estudio los sistemas del micromundo.

*Tcnicas de dispersinLa Mecnica cuntica nos dice que las partculas se comportan como ondas y viceversa:l = h/pEl microscopio electrnico se usaEl acelerador LEP fu el mayor microscopio electrnico del mundo electrnCuanto mayor es la energa de una partcula, menor es su l y con mayor finura puede sondear un sistema

*Nueva estructura para el tomoEn la nueva estructura del tomo, los neutrones y protones estn formados por los quarks up (u) y down (d), que son las nuevas partculas elementales.

Los protones contienen uud - carga = +eLos neutrones contienen udd - carga = 0

*Tcnicas de dispersin (2)electrnquarkLos electrones muy energticos fueron utilizados como sondas para descubrir la estructura del protn.Se vi que estaban compuestos de quarks.ACELERADORDETECTOREl protn y el neutrn tienen una subestructura y estn compuestos de quarks.

*Tcnicas de dispersinSi los experimentos son colisiones, toda la energa se aprovecha para formar nuevas partculas. De este modo se puede explorar la composicin de la materia a alta energa E = mc2

*Estructura del tomo a altas energasLa construccin de aceleradores cada vez ms potentes y detectores ms precisos y rpidos, permiti explorar la composicin de la materia a ms y ms alta energa.Se descubrieron nuevas partculas, de vida efmera, compuestas de nuevos quarks. Se necesitaban nuevas partculas elementales para explicar la estructura de la materia al muy alta energa: charm (c); strange (s); bottom (b) y top (t)Los grandes aceleradores que eran supermicroscopios, demostraban ser tambin supermacroscopios, ya que auscultaban la materia tal como era en los primeros momentos del Universo.La Fsica de Partculas y el estudio del Universo primitivo confluan de nuevo

*Grandes aceleradoresLos aceleradores de CERN, Fermilab, Stanford, etc. nos han permitido conocer la composicin del Universo hasta una fraccin muy pequea desde su comienzo.Las grandes energas alcanzadas por las partculas aceleradas, se materializan en nueves partculas, segn la ecuacin de Einstein: E=mc2Acelerador LEP de CERNAcelerador lineal de Stanford

*Grandes detectoresParalelamente al desarrollo de los aceleradores, se construyeron detectores idneos para examinar las caractersticas de las nuevas partculas. Los detectores se colocan cercanos al punto de la colisin. Los detectores estn formados por un conjunto de detectores superpuestos destinados a examinar las caractersticas de las diferentes partculas que surgen de las colisiones, de modo que la informacin que obtenga cada uno sea complementaria con la de los dems.Se utiliza la ionizacin producida por las diferentes partculas al atravesar la materia que compone cada detector.

*Modelo Estndar (Partculas)La informacin obtenida de los experimentos se sintetiza en el Modelo Estndar de Partculas e Interacciones.Las partculas elementales de la materia se clasifican en familias y generaciones. Existen dos familias (quarks y leptones) y tres generaciones. Las generaciones 2 y 3 la forman los constituyentes de la materia a alta energa.

*Modelo Estndar (Fuerzas)El Modelo Estandar de Partculas se completa con el esquema de la fuerzas:Las interacciones electromagnticas, las dbiles y las interacciones fuertes, cada una con sus cuantos mediadores, explican las interacciones entre todas las partculas. Queda fuera la gravedad, a la que no se le aplica la teora cuntica.

*Modelo Estndar (fuerzas) Segn el Modelo Estndar, se reconocen cuatro interacciones bien distintas:

Fuerza campo partcula mediadora

campo gravitatorio gravitn (?) campo electromagntico(a) g (fotn) (*)campo nuclear dbil Z0, W+, W-campo nuclear fuerte 8 gluones, g

Campo de Higgs (*) h0, H0, H+, H-..

(a) Interacciones elctrica y magntica unificadas por Maxwell (1864)(*)Unificando las interacciones dbil y electromagnticada masa a las partculas Z y las W y a todas las dems !!!

Esta es la cuestin: Pueden todas las Fuerzas unificarse?

*Cuestiones pendientes (1)El esquema estndar, que junto a la partculas reconoce sus respectivas antipartculas, busca una mayor simplificacin en la descripcin de la constitucin de la materia, en base a sus partculas e interacciones

Las teoras de unificacin, pretenden en un esquema abarcar las cuatro fuerzas, entre ellas la gravitatoria. Hay teoras llamadas supersimtricas que intentan esa unificacin y que conducen a la existencia de nueva partculas, llamadas supersimtricas, an no detectadas.

Hay cuestiones pendientes relacionadas con la diferencia de masa entre los cuantos de las interacciones electromagntica y la dbil, atribuida al campo de Higgs cuyas cuantos seran las partculas de Higgs, an no detectadas

*Cuestiones pendientes (2)Por qu hay materia en vez de antimateria?Por qu hay tres familias de partculas y de masas tan diferentes?Tienen masa los neutrinos?Existe algna fuerza distinta de las ya conocidas? De qu tipo de materia est formada la materia oscura?

*Desafos y esperanzasEstas cuestiones pendientes se confa en que tendrn su respuesta en los experimentos que estn por llegar: en concreto, el proyecto LHC, en el que se alcanzarn energas del orden del TeV, energas que tendra el universo cuando su tiempo de existencia era de 10-12 s.Examinar la estructura de la materia a una escala de 10-19 mEl estudio de las Partculas a alta Energa, desemboca una vez ms en el estudio del universo en las edades ms tempranas.

*El LHC y sus detectoresEl LHC comenzar a funcionar en el 2007. Sin duda cambiar nuestra visin del Universo.

Acelerador de partculas

*Cmo ser el futuro??AcceleradoresMicroscopiosTelescopiosBinoculares

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