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Capítulo 38C – Física atómica

Capítulo 38C – Física atómica. Presentación PowerPoint de Paul E. Tippens, Profesor de Física Southern Polytechnic State University. © 2007. Objetivos: Después de completar este módulo deberá:. Discutir los primeros modelos del átomo que condujeron a la teoría de Bohr del átomo.

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Capítulo 38C – Física atómica

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  1. Capítulo 38C – Física atómica Presentación PowerPoint de Paul E. Tippens, Profesor de Física Southern Polytechnic State University © 2007

  2. Objetivos: Después de completar este módulo deberá: • Discutir los primeros modelos del átomo que condujeron a la teoría de Bohr del átomo. • Demostrar su comprensión de los espectros de emisión y de absorción y predecir las longitudes de onda o frecuencias de las series espectrales de Balmer, Lyman y Pashen. • Calcular la energía emitida o absorbida por el átomo de hidrógeno cuando el electrón se mueve a un nivel energético superior o inferior.

  3. Propiedades de los átomos • Los átomos son estables y eléctricamente neutros. • Los átomos tienen propiedades químicas que les permiten combinarse con otros átomos. • Los átomos emiten y absorben radiación electromagnética con energía y cantidad de movimiento discretos. • Los primeros experimentos demostraron que la mayoría de la masa de un átomo se asociaba con carga positiva. • Los átomos tienen cantidad de movimiento angular y magnetismo.

  4. Pudín positivo Electrón Pudín de ciruelas de Thomson Modelo de Thomson para el átomo El modelo de pudín de ciruelas de J. J. Thomson consiste de una esfera de carga positiva con electrones incrustados en su interior. Este modelo explicaría que la mayor parte de la masa era carga positiva y que el átomo era eléctricamente neutro. El tamaño del átomo (10-10 m) evitó la confirmación directa.

  5. Experimento de dispersión de Rutherford Fuente alfa Hoja de oro Pantalla Experimento de Rutherford El modelo de Thomson se abandonó en 1911, cuando Rutherford bombardeó una delgada hoja metálica con un haz de partículas alfa cargadas positivamente. La mayoría de las partículas pasan a través de la hoja, pero unas cuantas se dispersan en una dirección hacia atrás.

  6. Dispersión alfa - + - Hoja de oro Pantalla El núcleo de un átomo Si los electrones se distribuyeran uniformemente, las partículas pasarían rectas a través de un átomo. Rutherford propuso un átomo que es espacio abierto con carga positiva concentrada en un núcleo muy denso. Los electrones deben orbitar a una distancia para no ser atraídos hacia el núcleo del átomo.

  7. e- - Ley de Coulomb: FC centrípeta: FC r + Núcleo Órbitas electrónicas Considere el modelo planetario para los electrones que se mueven en un círculo alrededor del núcleo positivo. La figura siguiente es para el átomo de hidrógeno. Radio del átomo de hidrógeno

  8. e- v - + La pérdida de energía debe hacer que la velocidad v disminuya, lo que envía al electrón a chocar en el núcleo. Núcleo Esto NO ocurre y el átomo de Rutherford falla. Falla del modelo clásico Cuando un electrón se acelera por la fuerza central, debe radiar energía.

  9. l1 Gas l2 Espectros atómicos Anteriormente se aprendió que los objetos continuamente emiten y absorben radiación electromagnética. En un espectro de emisión, la luz se separa en longitudes de onda características. Espectro de emisión Espectro de absorción En un espectro de absorción, un gas absorbe ciertas longitudes de onda, lo que identifica al elemento.

  10. Longitudes de onda características 434 nm n6 n = 3 n = 4 n = 5 653 nm 486 nm 410 nm R 1.097 x 107 m-1 Espectro de emisión para el átomo H Balmer desarrolló una fórmula matemática, llamada serie de Balmer, para predecir las longitudes de onda absorbidas del gas hidrógeno.

  11. Ejemplo 1:Use la ecuación de Balmer para encontrar la longitud de onda de la primera línea (n = 3) en la serie de Balmer. ¿Cómo puede encontrar la energía? R = 1.097 x 107 m-1 l = 656 nm La frecuencia y la energía se encuentran a partir de: c = fl y E = hf

  12. e- + Órbitas de electrón El átomo de Bohr Los espectros atómicos indican que los átomos emiten o absorben energía en cantidades discretas. En 1913, Neils Bohr explicó que la teoría clásica no se aplica al átomo de Rutherford. Un electrón sólo puede tener ciertas órbitas y el átomo debe tener niveles de energía definidos que son análogos a ondas estacionarias.

  13. n = 4 e- + Órbitas de electrón Análisis ondulatorio de órbitas Existen órbitas estables para múltiplos enteros de longitudes de onda de De Broglie. 2pr = nl n = 1,2,3, … Al recordar que la cantidad de movimiento angular es mvr, se escribe:

  14. Niveles de energía, n + El átomo de Bohr El átomo de Bohr Un electrón sólo puede tener aquellas órbitas en las que su cantidad de movimiento angular sea: Postulado de Bohr: Cuando un electrón cambia de una órbita a otra, gana o pierde energía igual a la diferencia en energía entre los niveles inicial y final.

  15. Emisión Absorción Átomo de Bohr y radiación Cuando un electrón cae a un nivel inferior, se emite radiación; cuando absorbe radiación, el electrón se mueve a un nivel superior. Energía: hf = Ef - Ei Al combinar la idea de niveles de energía con la teoría clásica, Bohr fue capaz de predecir el radio del átomo de hidrógeno.

  16. Radio de Bohr Radio clásico Radio del átomo de hidrógeno Radio como función del nivel energético: Al eliminar r de estas ecuaciones, se encuentra la velocidad v; la eliminación de v da los posibles radios rn:

  17. m = 9.1 x 10-31 kg e = 1.6 x 10-19 C Ejemplo 2:Encuentre el radio del átomo de hidrógeno en su estado más estable (n = 1). r = 53.1 pm r = 5.31 x 10-11 m

  18. Pero recuerde que: Energía total de un átomo La energía total en el nivel n es la suma de las energías cinética y potencial en dicho nivel. Al sustituir v y rse obtiene la expresión para la energía total. Energía total del átomo de hidrógeno para el nivel n.

  19. m = 9.1 x 10-31 kg e = 1.6 x 10-19 C eo = 8.85 x 10--12 C2/Nm2 h = 6.63 x 10-34 J s Energía para un estado particular Será útil simplificar la fórmula de energía para un estado particular mediante la sustitución de constantes. o

  20. Ecuación de Balmer: Balmer Revisitado Energía total del átomo de hidrógeno para el nivel n. Negativa debido a energía externa para elevar el nivel n. Cuando un electrón se mueve de un estado inicial ni a un estado final nf, la energía involucrada es:

  21. Emisión Energía del n-ésimo nivel: Absorción Niveles de energía Ahora se puede visualizar al átomo de hidrógeno con un electrón en muchos niveles de energía posibles. La energía del átomo aumenta en la absorción (nf > ni) y disminuye en la emisión (nf < ni). El cambio en energía del átomo se puede dar en términos de los niveles inicial ni y final nf :

  22. n =1 n =2 n =3 n =4 n =5 n =6 Series espectrales para un átomo La serie de Lyman es para transiciones al nivel n = 1. La serie de Balmer es para transiciones al nivel n = 2. La serie de Pashen es para transiciones al nivel n = 3. La serie de Brackett es para transiciones al nivel n = 4.

  23. Ejemplo 3:¿Cuál es la energía de un fotón emitido si un electrón cae del nivel n = 3 al nivel n = 1 para el átomo de hidrógeno? Cambio en energía del átomo. DE = -12.1 eV La energía del átomo disminuye por 12.1 eV conforme se emite un fotón de dicha energía. Debe demostrar que se requieren 13.6 eV para mover un electrón de n = 1 a n = .

  24. El modelo cuántico ahora presenta la ubicación de un electrón como una distribución de probabilidad, una nube alrededor del núcleo. Teoría moderna del átomo El modelo de un electrón como partícula puntual que se mueve en una órbita circular ha experimentado un cambio significativo. • Se agregaron números cuánticos adicionales para describir cosas como forma, orientación y espín magnético. • El principio de exclusión de Pauli mostró que dos electrones en un átomo no pueden existir en el mismo estado exacto.

  25. Aquí el nivel n = 2 del átomo de hidrógeno se muestra como una distribución de probabilidad. El átomo de Bohr para el berilio sugiere un modelo planetario qeu no es estrictamente correcto. Teoría atómica moderna (Cont.)

  26. e- - FC r + Núcleo Resumen El modelo de Bohr del átomo supone que el electrón sigue una órbita circular alrededor de un núcleo positivo. Radio del átomo de hidrógeno

  27. l1 Gas l2 Resumen (Cont.) En un espectro de emisión, en una pantalla aparecen longitudes de onda características. Para un espectro de absorción, ciertas longitudes de onda se omiten debido a la absorción. Espectro de emisión Espectro de absorción

  28. Espectro para nf = 2 (Balmer) 434 nm n6 n = 3 n = 4 n = 5 653 nm 486 nm 410 nm Ecuación de Balmer: Resumen (Cont.) Espectro de emisión Ecuación general para un cambio de un nivel a otro:

  29. Emisión Energía del n-ésimo nivel: Absorción Resumen (Cont.) El modelo de Bohr ve al átomo de hidrógeno con un electrón en muchos posibles niveles de energía. La energía del átomo aumenta en absorción (nf > ni) y disminuye en emisión (nf < ni). El cambio en energía del átomo se puede dar en términos de los niveles inicial ni y final nf :

  30. CONCLUSIÓN: Capítulo 38CFísica atómica

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