HISTORIA DE LOS MODELOS ATOMICOS.pdf

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE MEDICINA HUMANA ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE MEDICINA HUMANA “CURSO – QU-141”

“HISTORIA DE LOS MODELOS ATOMICOS” DOCENTE: GARCIA BENDEZU, Aníbal Pablo ESTUDIANTES: ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢

MORENO CCONOCC, Fridman Eder QUISPE SULCA, Yelsin ROJAS ROJAS, Christian Saúl LOAYZA AGUILAR, Yems Hanmer VILLANUEVA AGUILAR, Andersen RIVAS CÁRDENAS, Alan Vladimir ARCE AVALOS, Flor de Liz Cinthya BARRIOS CONDORY, Erich BELLIDO JAICO, Yair

FECHA DE EJECUCIÓN: 25/04/2017 FECHA DE ENTREGA:02/05/2017

AYACUCHO-PERÚ 2017 1

Este trabajo va dedicado hacia las personas que nos apoyaron a realizar este trabajo, especialmente a nuestros padres quieres son las personas que me apoyan, así como también mis profesores quienes nos orientan y enseñan día a día para brindarnos un poco de su basto conocimiento.

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INDICE Portada Dedicatoria ÍNDICE……………………………..…………………….…………….………..……..3 Introducción……………………….…………………………….………………...……4 ¿Qué es un modelo atómico?...........................................................................................5 Historia del modelo atómico………….…………….……………….….……..….…….6 MODELOS ATÓMICOS……………….…………….………………..…..…….……..7 MODELO ATÓMICO DE DEMOCRITO…………….………………….……....……8 MODELO ATÓMICO DE DALTON……….……….………………………..….…….9 MODELO ATÓMICO DE THOMSON…………………………………….…….…..10 MODELO ATÓMICO DE PERRIN……………………………………….…….……11 MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD……………………………….………….12 MODELO ATÓMICO DE BOHR…………………………………………….………13 MODELO ATÓMICO DE SOMMERFELD………………………………………….14 MODELO ATÓMICO DE SCHRÖDINGER……………………………..….……….15 MODELO ATÓMICO DE DIREC Y JORDAN………………………..…………….16 Principios de incertidumbre…………………………………………….….…….…….19 Modelo Atómico actual…………………………………………………..…………….20 Números Cuánticos…………………………………………………….…..….……….21 Isótopos e isobaros……………………………………………………….…………….22 Fusión y Fisión nuclear……………………………………………….….…………….25 Conclusión……………………………….………………………….…...…….……….26 Bibliografía………………………….………...…………………..…….……..……….27

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INTRODUCCION

A lo largo de las todas las fases de la historia Universal se puede observar que los seres humanos han estado en una constante investigación tanto teórica, hipotética, experimental, etc. de todo lo que se encuentra en el entorno del planeta tierra, la vía láctea y el universo en general con la finalidad de entenderlo y así poder desarrollar las bases que demuestran el comienzo de todo para poder evolucionar a partir de la herramienta más útil de la cual se puede disponer que es el conocimiento. En el desarrollo de las investigaciones el hombre dividió los esfuerzos en ciencias aplicadas para poder focalizar debidamente según el área de más interés para el mismo, de allí derivan la Matemática, Biología, física y química. Siendo estas últimas dos antes mencionadas en la cuales ha habido un desarrollo tan grande que hoy en día se nos puede mostrar la composición de los elementos y con ello las unidades que lo componen y su unidad más pequeña. Los cuatro elementos la quintaesencia de las cosas; primero fueron Tierra, Agua, Aire, Fuego y después se le sumó Éter. Ellos han sido los elementos que durante más de dos mil años ha considerado la humanidad como los formadores de su mundo, una idea acuñada en la Grecia clásica y que ha perdurado hasta hace muy poco, cuando el pensamiento científico se comienza a desarrollar y aplicar para logar la explicación de muchas interrogantes. Otra esas ideas concebidas ya en la antigüedad, la de la existencia de una sustancia indivisible y fue relegada al ostracismo y curiosamente toma fuerza en un momento en el que se está formando un cuerpo doctrinal sobre la materia, cuando la observación, el planteamiento de hipótesis, su experimentación y discusión de resultados está construyendo la moderna ciencia, hace apenas cuatro siglos. Se le atribuye a Dalton la descripción de un modelo en el que la materia adquiere su máxima indivisibilidad ya no podía ser dividida más veces. Vuelve a utilizarse la palabra griega “átomo” que significa “indivisible”. Hasta cien años después no sería posible demostrar experimental las afirmaciones realizadas has ese momento. Después la ciencia se encargará de ir más allá, encontrando y describiendo partículas con mayor indivisibilidad.

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1. HISTORIA DEL MODELO ATOMICO

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¿QUÉ ES UN MODELO ATÓMICO? Un Modelo Atómico es una representación gráfica que permite explicar, lo mejor posible a la estructura del átomo. Como bien se sabe los átomos son representaciones, pues nadie los ha visto; se deducen de experimentaciones, que evolucionan con la tecnología. HISTORIA DEL MODELO ATÓMICO. Cinco siglos antes de Cristo, los filósofos griegos se preguntaban si la materia podía ser dividida indefinidamente o si llegaría a un punto, que tales partículas, fueran indivisibles. Es así, como Demócrito formula la teoría de que la materia se compone de partículas indivisibles, a las que llamó átomos. En 1803 el químico inglés John Dalton propone una nueva teoría sobre la constitución de la materia. Según Dalton toda la materia se podía dividir en dos grandes grupos: los elementos y los compuestos. Los elementos estarían constituidos por unidades fundamentales, que, en honor a Demócrito, Dalton denominó átomos. Los compuestos se constituirían de moléculas, cuya estructura viene dada por la unión de átomos en proporciones definidas y constantes. Hacia finales del siglo XIX, se descubrió que los átomos no son indivisibles, pues se componen de varios tipos de partículas elementales. La primera en ser descubierta fue el electrón en el año 1897 por el investigador Sir Joseph Thomson, Posteriormente, Hantaro Nagaoka (1865-1950) durante sus trabajos realizados en Tokio, propone su teoría según la cual los electrones girarían en órbitas alrededor de un cuerpo central cargado positivamente, al igual que los planetas alrededor del Sol. Hoy día sabemos que la carga positiva del átomo se concentra en un denso núcleo muy pequeño, en cuyo alrededor giran los electrones. El núcleo del átomo se descubre gracias a los trabajos realizados en la Universidad de Manchester, El experimento utilizado consistía en dirigir un haz de partículas de cierta energía contra una plancha metálica delgada, de las probabilidades que tal barrera desviara la trayectoria de las partículas, se dedujo la distribución de la carga eléctrica al interior de los átomos.

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MODELO ATÓMICO Historia y evolución del modelo atómico. Principales características del modelo atómico de Dalton, Rutherford, Bohr, Schrödinger, Sommerfeld y perspectivas modernas.

EVOLUCIÓN E HISTORIA DEL MODELO ATÓMICO La estructura de la materia ha sido objeto de análisis y reflexión desde los albores de la civilización moderna, la palabra átomo viene de la palabra griega de igual sonido y que significaba indivisible. Es decir, la unidad mínima de la materia, masa o como lo dijeran los griegos. El significado actual de átomo proviene de su evolución del siglo XIX, y en el siglo pasado se descubrió que había partículas subatómicas y se comenzó a elaborar la estructura del átomo actual o interrelación de los tipos de partículas elementales más pequeñas que lo componen. Antes de exponer el modelo de átomo actual propuesto por la Mecánica Global, dada la importancia que tiene la evolución de los diferentes modelos atómicos desarrollados, vamos a comentar muy brevemente la historia del átomo en orden cronológico:

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MODELO ATÓMICO DE DEMÓCRITO - 450 a.C.

El desarrollo filosófico de Demócrito postulaba la imposibilidad de la división infinita de la materia y la consecuente necesidad de la existencia de una unidad mínima, de la cual estarían compuestas todas las sustancias. Interesante el que se haya pensado durante 2.500 años que Demócrito pudiera haber acertado plenamente; la verdad es que lo parecía, pero ahora uno de los postulados o principios más importantes de la Mecánica Global es precisamente lo contrario. En el modelo actual de la Física Global todas las sustancias forman parte de una única partícula llamada éter global, constituida por una red tridimensional reticular irrompible que se extiende por todo el universo. En resumen, la teoría atómica de Demócrito sobre la materia, propone que absolutamente todas las cosas se encuentran conformadas por partículas pequeñísimas, invisibles, que no pueden ser divididas ni destruidas, estas partículas se encuentran en movimiento a través de la eternidad en un espacio infinito y vacío. También postula que a pesar que los átomos se encuentren hechos de la misma materia, pueden tener la misma forma, ni la misma medida, así como no pueden poseer el mismo peso, ir en la misma secuencia y tener la misma posición. Demócrito llegó a considerar que la creación de mundos es el resultado del incesante movimiento giratorio de los átomos dentro del espacio, es decir que los átomos se encuentran y giran, de tal manera que llegan a formar grandes agregaciones de materia. Entonces la teoría atómica de Demócrito llega a anticipar los principios de la conservación de la energía y la irreductibilidad de la materia.

Los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos, incompresibles e invisibles. Los átomos se diferencian solo en forma y tamaño, pero no por cualidades internas. Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los átomos.

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MODELO ATÓMICO DE DALTON - 1808

La evolución del modelo de Dalton apuntaba ya al átomo moderno, pero como una sola partícula; si bien al principio no estaba muy claro si el modelo atómico de Dalton sería un átomo o una molécula. Aproximadamente por el año 1808, Dalton define a los átomos como la unidad constitutiva de los elementos (retomando las ideas de los atomistas griegos). Las ideas básicas de su teoría, publicadas en 1808 y 1810 pueden resumirse en los siguientes puntos: ➢ La materia está formada por partículas muy pequeñas para ser vistas, llamadas átomos. ➢ Los átomos de un elemento son idénticos en todas sus propiedades, incluyendo el peso. ➢ Diferentes elementos están formados por diferentes átomos. ➢ Los compuestos químicos se forman de la combinación de átomos de dos o más elementos, en un átomo compuesto; o lo que es lo mismo, un compuesto químico es el resultado de la combinación de átomos de dos o más elementos en una proporción numérica simple. ➢ Los átomos son indivisibles y conservan sus características durante las reacciones químicas. ➢ En cualquier reacción química, los átomos se combinan en proporciones numéricas simples. ➢ La separación de átomos y la unión se realiza en las reacciones químicas. En estas reacciones, ningún átomo se crea o destruye y ningún átomo de un elemento se convierte en un átomo de otro elemento. A pesar de que la teoría de Dalton era errónea en varios aspectos, significó un avance cualitativo importante en el camino de la comprensión de la estructura de la materia. Por supuesto que la aceptación del modelo de Dalton no fue inmediata, muchos científicos se resistieron durante muchos años a reconocer la existencia de dichas partículas. Además de sus postulados Dalton empleó diferentes símbolos para representar los átomos y los átomos compuestos, las moléculas. Sin embargo, Dalton no elabora ninguna hipótesis acerca de la estructura de los átomos y habría que esperar casi un siglo para que alguien expusiera una teoría acerca de la misma. Otras Leyes que concordaban con la teoría de Dalton: ➢ Ley de la Conservación de la Masa: La Materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma. ➢ Ley de las Proporciones Definidas: Un Compuesto Puro siempre contiene los mismos elementos combinados en las mismas proporciones en masa.

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➢ Ley de las Proporciones Múltiples: Cuando dos elementos A y B forman más de un compuesto, las cantidades de A que se combinan en estos compuestos, con una cantidad fija de B, están en relación de números pequeños enteros.

La imagen del átomo expuesta por Dalton en su teoría atómica, para explicar estas leyes, es la de minúsculas partículas esféricas, indivisibles e inmutables, iguales entre sí en cada elemento químico.

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MODELO ATÓMICO DE THOMSON - 1897

El siguiente paso importante en la historia del átomo actual lo añade la teoría atómica de Thomson con la división del átomo entre cargas positivas y negativas, tipo pastel de frutas o sopa de ajo, con fuerzas de atracción eléctricas. El modelo atómico de Thomson logró demostrar que existen partículas pequeñísimas que poseen carga eléctrica negativa, las cuales se encuentran dentro de los átomos, a estas partículas las llaman electrones, entonces según este modelo se entiende que el átomo es una esfera que posee carga positiva y en su interior se encuentran incrustados los electrones. Thomson logró descubrir que las partículas subatómicas estaban cargadas negativamente, gracias a un estudio que realizó de los rayos catódicos, así como la caracterización de estos. El modelo atómico de Thomson también es conocido como el pudín de ciruelas, debido a que según esto los electrones vienen a ser como ciruelas de carga negativa, que se encuentran incrustadas dentro de un pudín que posee materia positiva. Aparte cabe resaltar que el modelo atómico de Thomson, y la explicación que se da sobre la estructura atómica, este modelo fue propuesto en el año 1904, antes que se descubriera el protón y el neutrón. Dentro de lo que se dice en este modelo, se dice que el átomo se encuentra compuesto por electrones de carga negativa en un átomo positivo. Pero este modelo fue rebatido luego del experimento que hiciera Rutherford, ya que el fue quien descubrió el núcleo del átomo. Thomson usó entonces su sabiduría y conocimiento y bases anteriores para poder determinar la relación carga-masa que poseían los rayos catódicos. Por esto es que Thomson es considerado como el precursor de los tubos de televisión, del osciloscopio, de las pantallas de radar, entre otros instrumentos. 10

El principal instrumento que uso para llegar a este hallazgo fue un aparato que tenía forma de un tubo de descarga de vidrio, en el cual se hizo un vacío elevado, en este además se disponía en el interior varios electrodos metálicos.

De este descubrimiento dedujo que el átomo debía de ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones.

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MODELO ATÓMICO PERRIN- 1895

Modificó el modelo atómico de Thomson, sugiriendo por primera vez que las cargas negativas son externas al "budin”. En 1895 el físico francés Jean Baptiste Perrin encontró que los rayos catódicos depositaban carga en un electroscopio, con lo que confirmó que se trataba de partículas cargadas. Fue por aquellas fechas que el inglés Joseph John Thomson se interesó en medir la velocidad de dichas partículas.

Modifico el modelo de Thomson sugiriendo por primera vez que las cargas negativas son externas al “budín”.

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MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD - 1911

El modelo de Rutherford separa el núcleo con carga positiva de los electrones con carga negativa. Los electrones estarían en órbitas circulares o elípticas alrededor del núcleo. El neutrón se añadió al modelo de Rutherford en 1920 de forma teórica y fue descubierto experimentalmente en 1932. 11

Algo más sobre el modelo atómico de Rutherford, es que es considerado como un modelo atómico que se basa en la estructura interna del átomo, en resumen, esto lo explico el químico y físico británico-neozelandés Ernest Rutherford, de tal manera que así podía explicar los resultados del experimento de la lámina de oro, el cual realizó en el año de 1911. Este modelo es considerado como el primer modelo atómico que consideró que el átomo estaba conformado por dos partes y que además concentraba toda la carga eléctrica positiva y toda la masa del átomo. Gracias a la visión de Rutherford se pudo ver la dispersión de las partículas alfa de parte de los átomos que se encuentran en una lámina de oro muy delgada, de tal forma que los ángulos que resultaban de la desviación de las partículas logran aportar información de cómo era la distribución de carga en los átomos. Entonces como las cargas se encuentran distribuidas de manera uniforme (como dice el modelo atómico de Thomson), las partículas podrían atravesar la lámina haciendo sólo pequeñísimas deflexiones. El modelo de Rutherford es la imagen visual que todos tenemos del átomo moderno, pero tenía dos problemas: ➢ Contradecía las leyes de Maxwell del electromagnetismo por las que las partículas cargadas en movimiento deberían emitir fotones continuamente. Por ello los electrones deberían perder energía y caer al núcleo del átomo. ➢ La teoría atómica de Rutherford no explicaba los espectros atómicos.

Dedujo que el átomo debía estar formado por una corteza con los electrones girando alrededor de un núcleo central cargado positivamente.

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MODELO ATÓMICO DE BOHR -1913

La teoría atómica de Bohr introduce mejoras sustanciales al modelo de Rutherford al incorporar aspectos energéticos derivados de la energía de Planck y del efecto fotoeléctrico de Einstein.

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Entonces se entiende que, según este modelo, los electrones se encuentran girando en órbitas circulares alrededor del núcleo, de tal manera que ocupan la órbita que tiene menos energía, o que se encuentre más cerca al núcleo. Bohr interpretó que el momento angular que posee cada electrón se encuentra cuantizado y solamente puede variar en fracciones enteras de la constante de Planck, además dependiendo al número cuántico principal puede llegar a calcularse las distancias en las cuales se encuentra el núcleo en relación a cada una de las órbitas que están permitidas en el átomo de hidrógeno. En resumen, el modelo atómico de Bohr propone un nuevo modelo atómico, el cual dice que los electrones pueden girar alrededor del núcleo, pero en niveles que se encuentren bien definidos. Lamentablemente el modelo atómico de Bohr debió ser abandonado, debido a que no podía explicar los espectros de los átomos más complejos, entonces el concepto de que los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas definidas también fue una teoría descartada. Actualmente las teorías que se tienen sobre el átomo se encuentran basadas en la mecánica cuántica, concepto que el propio Bohr ayudó a desarrollar. Aunque una descripción detallada del modelo de Bohr es compleja, las siguientes características son relevantes en relación al modelo que va a introducir la Mecánica Global: ➢ Los electrones se sitúan en órbitas circulares estables; es decir, donde no emiten energía y no todas están permitidas. ➢ Las órbitas permitidas de los electrones del modelo atómico de Bohr tienen un momento angular que es un múltiplo exacto de hbar (constante de Planck dividido por 2π) ➢ Los electrones emiten o absorben un fotón al cambiar de órbitas atómicas, cuya energía coincide con la diferencia de energía de las órbitas y no necesitan pasar por estados intermedios. ➢ En el átomo de Bohr, las órbitas de los electrones siguen las reglas de la Mecánica Clásica pero no así los cambios de órbita. Al margen del gran acierto de este modelo en muchos aspectos, el problema del modelo de Bohr y de toda la Mecánica Cuántica es que se van añadiendo supuestos a lo largo de la historia, pero sin explicar las razones que los justifican, únicamente que funcionan y explican mejor la realidad; lo cual, no estando nada mal, no ayuda mucho a la comprensión de la realidad si se apoyan en principios físicos despistantes. Para variar, podrían haber intentado una explicación plausible.

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Propuso un nuevo modelo atómico, según el cual los electrones giran alrededor del núcleo en unos niveles bien definidos.

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MODELO ATÓMICO DE SOMMERFELD - 1916

Con la evolución, en el modelo de Sommerfeld se incluyen subniveles dentro de la estructura del átomo de Bohr, se descartan las órbitas circulares y se incorpora en cierta medida la Teoría de la Relatividad de Einstein. El modelo de Sommerfeld también configura los electrones como corriente eléctrica y no explica por qué las órbitas han de ser elípticas, yo creo que son elipsoides y que Sommerfeld lleva razón en que el electrón es un tipo especial de onda electromagnética, al que la Mecánica Global denomina ondón. Posteriormente Sommerfeld para hacer coincidir las frecuencias que eran calculadas con las frecuencias experimentadas, manifiesta que el núcleo del átomo no puede estar completamente inmóvil, sino más bien el núcleo y el electrón giran alrededor del medio de las masas del sistema, que debido a que el núcleo tiene una masa miles de veces superior a la masa del electrón, el núcleo deberá encontrarse ubicado cerca al electrón. Todos estos nuevos aportes, Sommerfeld basándose en la Teoría de la relatividad de Albert Einstein, es que pudo modificar el modelo de Bohr de tal manera que en resumen se sabe por este modelo atómico que: Los electrones se encuentran moviéndose entorno al núcleo, dispuestos en órbitas de forma circular o de forma elíptica. Además, que cada electrón viene a ser una corriente eléctrica minúscula. Luego que a partir del segundo nivel energético hay dos subniveles o talvez más, que se encuentran en el mismo nivel. En resumen, desde el punto de vista relativista el modelo atómico de Sommerfeld no es nada más que una generalización del modelo atómico de Bohr, aunque no pudo comprobar las formas de emisión de las órbitas elípticas, solamente aseguró que la forma de estas no era circular.

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Órbitas elípticas en el modelo de Sommerfeld.

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MODELO DE SCHRÖDINGER O MODELO ACTUAL SEGÚN WIKIPEDIA -1926

El modelo de Schrödinger cambia la filosofía de las órbitas, seguramente por las nuevas aportaciones a la teoría atómica de Broglie sobre la naturaleza ondulatoria de la masa en 1924, y describe a los electrones con funciones de onda. Dicha configuración permite obtener la probabilidad de que el electrón se encuentre en un determinado punto del espacio. De esta forma, se obtienen orbitales de densidad espacial de probabilidad de encontrar un electrón. Este modelo de átomo de Schrödinger se ajusta mucho mejor a las observaciones; pero, al abandonar la visión anterior sobre la forma de las órbitas se aleja de una explicación intuitiva de las causas de esas órbitas tan caprichosas. Al mismo tiempo, Schrödinger se adentra en el mundo de las probabilidades y de la abstracción matemática que, en grandes dosis, podría llegar a ser muy perjudicial o negativa.

Densidad de probabilidad de ubicación de un electrón para los primeros niveles de energía.

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MODELO ATÓMICO DIRAC Y JORDAN

El modelo atómico de Dirac-Jordán es el que desarrollo Schrodinger, basado en el descubrimiento de los científicos anteriores. Basándose en la mecánica cuántica ondulatoria, en 1928 Paúl Dirac logró una descripción cuántico relativista del electrón, predicando la existencia de la anti materia. En las ecuaciones de Dirac y Pascual Jordán (1902-1980) aparece el cuarto parámetro con característica cuántica, denominado S, además de los ya conocidos N, L y M.

Logró una descripción cuántico relativista del electrón, predicando la existencia de la antimateria

✓ Consideraron que cuando las partículas son muy pequeñas no se pueden fijar su velocidad ni su posición simultáneamente. ✓ En sus ecuaciones aparece el cuarto parámetro con característica cuántica denominado número cuántico de espín ✓ De esta manera entonces se puede determinar el lugar en 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 la energía liberada por un átomo en una reacción.

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EVOLUCIÓN DEL MODELO DE ÁTOMO ACTUAL - 2008

Este libro en línea de la Mecánica Global propone en el siguiente apartado un nuevo paso en la evolución del modelo del átomo moderno, en un intento de seguir avanzando en el conocimiento de una realidad física tan bonita y tan simple como compleja.

TEORÍA Y CONCEPTO DE ÁTOMO GLOBAL Concepto y definición de átomo. Principales propiedades y características de la teoría del átomo en la Mecánica Global y comparación con teorías del átomo previas.

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2. TEORÍA Y CONCEPTO DE ÁTOMO La estructura y concepto de átomo se ha venido desarrollando históricamente, como se ha comentado en la página anterior, con indudables avances conceptuales y técnicos en el conocimiento de los diferentes estados de agregación de la materia en general, o con mayor propiedad, de la estructura reticular de la materia o éter global. Creo que una de las formas más bonitas de explicar la estructura y la definición de átomo en la nueva teoría es la presentación de sus propiedades o características principales en relación a las anteriores concepciones o teorías atómicas. De un lado se rinde tributo a dichas aportaciones por implicar aspectos importantes y, de otro, se simplifica tanto la explicación como el entendimiento de las nuevas ideas y del concepto de átomo, se compartan o no. Por otro lado, se trata de presentar las propiedades del átomo más innovadoras, no las implicaciones sobre el desarrollo de todo el Modelo Estándar de la Física de Partículas Elementales. En cualquier caso, conviene señalar que las características del átomo más innovadoras de la Mecánica Global son las relativas al concepto y movimiento de los electrones junto a la condición de estabilidad de las partículas de su núcleo. La nueva teoría del átomo explica las propiedades del movimiento de los electrones tanto dentro de una órbita como las que generan el cambio entre órbitas. Las características y propiedades del nuevo concepto de átomo de la Mecánica Global serán las siguientes: •

Naturaleza continua de la materia.

La teoría de la naturaleza discreta de la materia viene del concepto de átomo de Demócrito; en definitiva, lo que expresa filosóficamente es la no existencia en la realidad física del infinito, en este caso, de la divisibilidad infinita. El anterior modelo semi-rígido de la Mecánica Global asumía la idea de Demócrito. A pesar de haberme permitido desarrollar la Mecánica Global y toda la Física Global, la premisa de naturaleza discreta de la materia obligaba a imaginar mecanismos si no imposibles (como los de otras teorías) sí ciertamente complejos.

Teoría del átomo (a) Naturaleza continua del éter global

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Por ello, decidí cambiar al actual modelo elástico de la Mecánica Global, el desarrollo de este modelo se basa en el cambio del principio de naturaleza discreta por el de naturaleza continua e irrompible de la estructura reticular de la materia. En la nueva definición de átomo y de materia normal, todos los objetos físicos y energías son propiedades del éter global. •

Naturaleza discreta de la masa de las partículas atómicas.

Al explicar el proceso de formación de la masa se ha visto que comienza con un rizo o bucle del éter global cuando se alcanza cierto límite físico de energía elástica por torsión transversal relacionado con c². La fuerza elástica necesaria para el medio bucle, rizo o bucle inicial nos determinará un mínimo de masa física para los electrones. De la definición de partículas atómicas estables, protones y neutrones, se deduce que tienen un tamaño variable en condiciones normales, pero muy próximo a su máximo y son mayores que las partículas inestables del átomo, como los electrones. Este aspecto se discutirá en el apartado siguiente y estará referido al tamaño máximo de una retícula del éter global teniendo en cuenta la elasticidad de sus filamentos. Alguna razón tenía que existir para que el tamaño de los neutrones fuese tan parecido al de los protones. Según Wikipedia la masa de un neutrón es 1,008587833 uma (unidad de masa atómica) y su vida media es unos 15 minutos. También pienso que pueden existir otras partículas de masa mucho más grandes que los protones y los neutrones; pero solo serán estables en condiciones de campos magnéticos muy fuertes, como en los agujeros negros y las estrellas. •

El átomo como unidad constitutiva de la masa de la materia normal.

Esta aportación inicial sobre la teoría del átomo moderno se debe a Dalton. Digo materia normal por la característica del átomo de ser estable en relación a partículas subatómicas aisladas, como los neutrones y partículas elementales más pequeñas, y porque es así como se perciben los elementos químicos puros en la escala espacial humana. La vida media de los protones es muy alta, tan alta que no se conoce exactamente y depende de los modelos teóricos utilizados. •

Carga eléctrica de las partículas subatómicas.

Fue la teoría atómica de Thomson la que introdujo la idea de los dos tipos de partículas atómicas con propiedades de atracción y repulsión. En la teoría del átomo, dichas partículas son denominadas cargas negativas y positivas.

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Hemos visto al hablar de los fotones y el electromagnetismo como la interacción electromagnética se configura como un segundo tipo de interacción soportada por la estructura reticular de la materia.

Teoría del átomo (b) Campo gravito magnético generado en el núcleo atómico

La interacción electromagnética es debida a la elasticidad de torsión de las líneas de tensión longitudinal del éter global con simetría radial o esférica. Normalmente se dice, con muy poca base científica, que la tensión transversal de torsión es mucho más fuerte que la tensión de la curvatura longitudinal o fuerza gravitacional clásica en las cortas distancias que implican la teoría del átomo. Yo diría que se sabe muy poco de la gravedad en el interior de los objetos y que la fuerza electromagnética a menudo se cancela en las distancias cortas. En los siguientes apartados de la teoría, concepto y estructura de átomo y las moléculas intentaré profundizar en la configuración del campo gravito-magnético en las distancias cortas o atómicas, entendido como el efecto conjunto de los campos gravitacional y electromagnético. La imagen hojológica muestra la estructura del átomo con los filamentos elásticos del éter global como líneas negras que representan la torsión que se produce a lo largo de los mismos por efecto de la carga eléctrica del núcleo del átomo, es decir, el efecto conjunto de protones y neutrones. La carga eléctrica del átomo se sitúa en los protones del núcleo y en los electrones, mientras los neutrones no poseen carga eléctrica en conjunto. La idea de configurar a los electrones como corriente eléctrica corresponde al modelo de átomo de Sommerfeld de 1926, posterior a la teoría atómica de Bohr de 1913. Una postura más clara para la teoría del átomo es la inclusión de los electrones en la categoría de ondones, como se ha definido en el apartado de Partículas subatómicas inestables; puesto que decir corriente eléctrica tampoco aclara mucho.

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Estructura cuántica del átomo.

Las órbitas permitidas de los electrones responden a niveles de energía estables relacionados con la constante de Planck, lo mismo ocurre con la absorción o emisión de energía de los electrones al cambiar de órbita, todo ello propuesto en 1913 por la teoría atómica de Bohr. Hay que remarcar que la naturaleza continua de la materia no está reñida con la cuantificación de la energía en el concepto de átomo moderno. Es más, la energía elástica del éter global necesita de elementos internos con propiedades elásticas. El concepto de continuidad no significa uniformidad, las retículas de la estructura reticular de la materia implican en sí mismas elementos internos al éter global y su simetría inicial. Los elastocitos serán los elementos que soportan la propiedad de elasticidad de la materia y de la cuantificación de la Física de Partículas actual; si bien, en ocasiones se llega al extremo de cuantizar características totalmente independientes de la energía desde un punto de vista conceptual, como el espacio o el tiempo. En los puntos siguientes se comenta por qué los protones y neutrones del núcleo del átomo son estables, qué son los electrones y las causas del movimiento de los electrones, según la estructura espacial en el concepto de átomo de la Mecánica Global.

PARTÍCULAS ATÓMICAS Estabilidad de las partículas atómicas como los neutrones y protones del núcleo del átomo. Características de las partículas del átomo. Masa de los neutrones y protones y su relación con la de los quarks y los electrones. Cada vez que introducimos un concepto de la Mecánica Global debemos tener presente que es necesario haber leído los capítulos anteriores. El modelo de átomo propuesto 20

necesita los nuevos conceptos de la masa física, del electromagnetismo y de la fuerza de gravitación. Al mismo tiempo, los conceptos citados se entenderán mejor una vez leído todo el presente capítulo sobre el núcleo del átomo y las partículas atómicas, especialmente la fuerza de gravedad originada por la masa física. El análisis de las partículas atómicas se ha divido por un lado en el estudio de las partículas del núcleo del átomo, protones y neutrones y, por otro, de los electrones. A su vez, el estudio de las partículas atómicas del núcleo se efectúa en dos partes; la primera sobre la masa, la vida media y la característica especial que proporciona estabilidad a los neutrones y protones dentro y fuera del núcleo atómico. En la segunda parte de las partículas atómicas del núcleo se comentan ideas tanto sobre la interacción nuclear fuerte y débil en el interior de un protón o neutrón, como de la llamada fuerza nuclear fuerte residual que mantiene el núcleo atómico unido. Al concepto de electrones, su formación y las características de sus órbitas se dedica la primera parte del segundo bloque de propuestas sobre los electrones; completándose con un estudio de las condiciones analíticas de equilibrio del movimiento de los electrones en la teoría del átomo propuesta por la Mecánica Global. Todo ello se realiza de una forma muy superficial y únicamente a los efectos de exponer las novedades del modelo de átomo de la Mecánica Global. Veamos las siguientes características de las partículas estables del núcleo del átomo, protones y neutrones:

Las partículas estables del núcleo del átomo, protones y neutrones

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Masa de las partículas de átomo estables.

De acuerdo con Wikipedia, la masa del protón es 1836 veces la del electrón y la del neutrón es de 1838 la del electrón. La masa del electrón según Wikipedia es 9,10 x 10 31 kg

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Para facilitar las comparaciones se toma como unidad de masa atómica (uma) a la masa del protón. El radio del átomo no está claro y seguramente diferirá bastante entre los distintos átomos. Para el átomo de hidrógeno se calcula que es del orden de 10-10 m. Asimismo el radio de un protón es del orden de 10-15 m, lo que hace que el radio del átomo sea unas cien mil veces mayor que el del protón para el caso del hidrógeno. Si pensamos que la masa del electrón es consecuencia de haberse alcanzado el límite físico de elasticidad transversal de la estructura reticular de la materia o éter global, nos podemos hacer una vaga pero intuitiva idea del tamaño de las partículas atómicas estables, protones y neutrones, en relación al tamaño de los filamentos del éter global. Desde otro punto de vista, la masa del protón y del neutrón está formada por la masa de los tres quarks que los componen más la masa de los bucles o rizos del denominado campo fuerte. Evidentemente la fórmula en la Teoría de la Relatividad de E = mc² no deja de ser un eufemismo matemático, puesto que la Física Moderna no solo no sabe lo que es la masa física de las partículas atómicas, sino que ni siquiera tiene una propuesta física al efecto. •

Vida media de protones y neutrones.

De acuerdo con Wikipedia la vida media de un neutrón fuera del núcleo atómico es de 15 minutos aproximadamente. Respecto a la vida media de un protón no existe una cantidad concreta, pero es muy alta, miles de millones de años o más. Sin olvidar que la vida media del protón y del neutrón se refiere a las condiciones concretas que se dan en la Tierra, hay que reconocer que tiene que haber alguna causa física para la gran estabilidad del protón y el neutrón, ya que el neutrón tampoco se desintegra, sino que se transforma en protón. La estabilidad de las partículas del átomo significa que se necesita una gran energía para su descomposición o que su tendencia elástica a revertir a su estado inicial tiene una gran barrera energética. •

Tamaño máximo de las partículas atómicas: neutrones y protones.

El tamaño similar de los elementos del núcleo atómico, neutrones y protones, nos da una pista de que pudiera ser un tamaño muy cercano al tamaño máximo de las partículas atómicas estables en condiciones normales. Todas las partículas mayores que los neutrones y protones son muy inestables. Asimismo, como las partículas elementales con masa y más pequeñas que los neutrones y los protones son casi todas muy inestables parece que existe una relación entre un tamaño mínimo y la estabilidad de las partículas atómicas. En otras palabras, el tamaño mínimo de las partículas estables del átomo es muy parecido al tamaño máximo de las 22

mismas. Parece que el tamaño reticular es muy importante en el juego de fuerzas nucleares del mundo atómico. Como se puede observar, el microscopio hojológico nos permite mostrar una retícula con un protón o neutrón en su volumen interior, en la figura se pueden distinguir algo así como tres quarks compuestos por gomas elásticas en representación de los filamentos del éter global, a todas luces invisible. Voy a seguir el proceso de creación de una partícula subatómica estable con masa poniendo especial atención a su volumen, para ello separaré el proceso de creación en las siguientes etapas: •

Formación de bucles o rizos del éter global con su contracción.

Los bucles debido a la energía electromagnética acumularán energía de deformación reversible y existirá una gran tendencia a la reversión. Debido a la contracción espacial del éter global con las tres dimensiones del espacio euclídeo, el volumen inicial de la masa o rizos será menor al de una retícula del éter global. •

Máxima elasticidad de los filamentos de una retícula.

La acumulación de rizos irá aumentando el volumen de la bola de masa en formación, pero llegará un momento en que el crecimiento de la bola estará limitado por el volumen de una retícula, los filamentos tienen una gran elasticidad, pero, aun así, su elasticidad tiene un límite. La contraposición de fuerzas entre la formación de la masa y la retícula es clara. Conviene señalar que la elasticidad de los filamentos está relacionada con el cuadrado de la distancia, etc., pues no deja de ser la misma energía elástica de los filamentos que soportan la fuerza de gravitación y electromagnética. Ahora bien, la resistencia de los filamentos a estirarse aumentará con la distancia; operando en cierta manera al revés que la fuerza de la gravedad o del electromagnetismo, que disminuyen con la distancia. Este aspecto recuerda el concepto de libertad asintótica de la Cromo dinámica Cuántica. •

Equilibrio entre energía electromagnética acumulada y energía elástica de la retícula.

Necesitamos de alguna condición de equilibrio estable para explicar las partículas atómicas estables. Si imaginamos que en la retícula se introducen diversas partículas muy grandes, podría ocurrir que quedasen atascadas y formar una especie de nudo o estrangulamiento con los filamentos de la retícula, de forma que configurasen una partícula atómica estable.

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Sería un proceso algo parecido a los nudos que se forman en los hilos o gomas elásticas cuando se retuercen, al estirarlos después lo que se consigue es que algunos nudos sean todavía más fuertes y estables. Aquí se hace obligatoria una referencia a la teoría de nudos de Lord Kelvin. •

Proceso aleatorio con múltiples partículas elementales.

Seguramente la consecución del equilibrio mencionado no sea tan sencilla ni tan probable, pero si pensamos en la gran cantidad de partículas elementales que se pueden formar con campos electromagnéticos muy fuertes y variables, quizás se entienda intuitivamente que no sería tan extraño que se consiguiera. El hecho que sean tres quarks los que forman las partículas atómicas de los protones y neutrones si es que son realmente tres debería estar relacionado con la forma tridimensional de la retícula. La Mecánica Global propone una forma cúbica porque es sencilla y al tener seis caras coincide con la idea de tres partículas cruzadas en su interior, una cara de entrada y otra de salida por cada quark, pero es un detalle aventurado y renormalizable. Eventualmente se pueden crear partículas elementales mayores que los correspondientes al máximo volumen de una retícula, pero serán muy inestables porque no habrá ningún mecanismo que impida su reversión salvo que se mantenga una enorme fuerza electromagnética. Este podría ser el caso en algunas fases de la creación de los agujeros negros, en el libro sobre Astrofísica y Cosmología Global se volverá a incidir en este tema. •

La masa de las partículas atómicas estables es la causa de la fuerza de gravitación.

Un elemento esencial de la Mecánica Global se deduce de este mecanismo de la formación de la masa. El aumento de volumen de una retícula por la presencia de partículas atómicas provocará una fuerza elástica, derivada de la tensión de la curvatura longitudinal de los filamentos de las retículas adyacentes con la ley del inverso de los cuadrados, que se conoce como fuerza de gravitación. La misma argumentación nos conduce a que la masa de las partículas más pequeñas no genera la fuerza de gravedad por no tener un volumen suficiente como para provocar curvatura longitudinal en los filamentos del éter global. Al menos, la configuración espacial será diferente, aunque podría producir un leve efecto gravitacional. Por sus distintas características a esta masa la denomino ondina.

PRINCIPIOS DE INCERTIDUMBRE Para poder estudiar las propiedades de un átomo y de sus partículas constituyentes, es necesario iluminarlo; es decir lograr la incidencia de luz sobre él; esto trae un cambio en su contenido energético y, a s vez en la posición. En otras palabras: el estudio del átomo 24

lleva un error necesario que nos impide hablar con certeza de la posición o contenido energético del mismo. Esto imposibilita presentar un átomo como hasta el momento se ha hecho, puesto que se puede describir un espacio donde es muy probable encontrar un electrón, pero no se pude excluir la posibilidad de que se encuentre en otro lugar. Según el principio de incertidumbre no se puede conocer con exactitud la posición del electrón ni su contenido energético. Esto obliga a usar un nuevo término "probabilidad", para la descripción del átomo. MODELO ATÓMICO ACTUAL La imposibilidad de dar una explicación teórica satisfactoria de los espectros de los átomos con más de un electrón con los principios de la mecánica clásica, condujo al desarrollo del modelo atómico actual que se basa en la mecánica cuántica. También es conocido como el modelo atómico de orbitales, expuesto por las ideas de científicos como: E. Schrödinger y Heisenberg. Establece una serie de postulados, de los que cabe recalcar los siguientes: ✓ El electrón se comporta como una onda en su movimiento alrededor del núcleo ✓ No es posible predecir la trayectoria exacta del electrón alrededor del núcleo ✓ Existen varias clases de orbitales que se diferencian por su forma y orientación en el espacio; así decimos que hay orbitales: S, P, D, F. ✓ En cada nivel energético hay un número determinado de orbitales de cada clase. ✓ Un orbital atómico es la región del espacio donde existe una probabilidad aceptable de que se encuentre un electrón. En cada orbital no puede encontrarse más de dos electrones. El modelo se fundamenta en los siguientes principios: 1. Principio de onda-partícula de Broglie: Señala que la materia y la energía presentan caracteres de onda y partícula; que los electrones giran por la energía que llevan y describen ondas de una longitud determinada. 2. Principio estacionario de Bohr: El mismo que señala que un electrón puede girar alrededor del núcleo en forma indefinida. 3. Principio de incertidumbre de Heisenberg: Determina que es imposible conocer simultáneamente y con exactitud la posición y velocidad del electrón.

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NÚMEROS CUÁNTICOS Son cuatro (04) los números encargados de definir la función de onda (PSI) asociada a cada electrón de un átomo: el principal, secundario, magnético y de Spin. Los tres (03) primeros resultan de la ecuación de onda; y el último, de las observaciones realizadas de los campos magnéticos generados por el mismo átomo. 1. Número cuántico principal Es un criterio positivo, representado por la letra "n", indica los niveles energéticos principales. Se encuentra relacionado con el tamaño. En la medida que su valor aumenta, el nivel ocupa un volumen mayor y puede contener más electrones, y su contenido energético es superior. Sus valores pueden ser desde 1 hasta infinito. 2. Número cuántico secundario Representado por la letra "I", nos indica la forma que pueden tener el espacio donde se encuentra el electrón. El valor que se le asigna depende del número principal; va desde cero (0) hasta n-1. Se ha conseguido que para dos (02) electrones que pertenecen al mismo nivel energético (igual "n"), las diferencias en valores de "I", se expresan en diferencias de contenidos energéticos, debido a esto reciben la denominación de subniveles de energía con un aumento progresivo en la medida que "I" aumenta de valor. 3. Número cuántico magnético Representa las orientaciones que pueden asumir los diferentes orbitales frente a un campo magnético; el símbolo utilizado es "m"; y los valores que tienen son los números orbitales enteros que van desde -1 hasta +1. El número de valores que pueden tener "m" indican los números de órbitas que puede contener un sub-nivel de energía.

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4. Número cuántico de Spin Tiene dos (02) valores permitidos +1/2 y -1/2. Estos valores representan el movimiento del electrón, tipo de rotación sobre su eje, con dos (02) únicas posibilidades y opuestas entre sí, hacía la derecha o hacía la izquierda. Cada una de los orbitales puede contener dos (02) electrones, uno con cada spin. De estar los dos (02), el momento magnético se anula, es cero, esto sucede debido a lo apuesto. NOMBRE

Número cuántico principal Número cuántico secundario o azimutal Número cuántico magnético Número cuántico proyección de espín

SÍMB

SIGNIFICADO ORBITAL

RANGO DE VALORES 1≤𝑛

VALOR EJEMPLO

𝑛

𝑆ℎ𝑒𝑙𝑙 𝑜 𝑐𝑎𝑝𝑎

𝑛

𝑆𝑢𝑏𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 𝑜 𝑠𝑢𝑏𝑐𝑎𝑝𝑎

0≤𝑙 ≤𝑛−1

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑛 = 3: 𝑙 = 0,1,2(𝑠, 𝑝, 𝑑)

𝑚𝑙

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑠ℎ𝑖𝑓𝑡

−𝑙 ≤ 𝑚𝑙 ≤ 𝑙

𝑚𝑠

𝐸𝑠𝑝𝑖𝑛

1 1 − , 2 2

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑙 = 2: 𝑚𝑙 = −2, −1,0,1,2 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟ó𝑛, 𝑠𝑒𝑎: 1 1 − , 2 2

𝑛 = 1,2,3. ..

ISÓTOPOS E ISÓBAROS Los Isótopos: Son átomos que tienen el mismo número atómico, pero diferentes masas. Al pertenecer al mismo elemento químico presentan las mimas propiedades, pero no son reconocibles por su masa diferente La diferencia se encuentra en el número de neutrones presentes en el núcleo. Los Isobaros: Son átomos que, a pesar de presentar diferentes números atómicos, tiene masas iguales. Sus propiedades químicas son diferentes puesto que se trata de elementos químicos también diferentes. FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR 1. Fusión Nuclear: Es la unión de dos núcleos ligeros, para producir uno más pesado. Dos Isótopos de Hidrógeno se unen formando un núcleo con dos protones y dos neutrones que corresponden a un átomo de Helio.

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Sin embargo, esta reacción requiere de una alta energía de activación, para que los núcleos se acerquen y se fundan en uno. Una vez comenzada la reacción, la energía liberada es enorme, del orden de 1700GJ (Gigajoule). 2. Fisión Nuclear: Es la ruptura de un núcleo atómico en dos partes parecidas en el contenido de protones, originado con el bombardeo de neutrones. Al chocar un neutro con un átomo de Uranio, se crea un núcleo provisional que posteriormente se divide en dos núcleos. Con respecto a la energía que se produce, para la fisión de un gramo de Uranio, es de 85 Gigajoule (Gj) 109 J, aproximadamente a la misma que se produce al quemar tres toneladas de Carbón. Debido a este enorme despedimiento de energía fue usado como bomba la segunda guerra mundial.

Fisión

Fusión

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CONCLUSIÓN La evolución de los modelos físicos del átomo se vio impulsada por los datos experimentales. El modelo de Rutherford, en el que los electrones se mueven alrededor de un núcleo positivo muy denso, explicaba los resultados de experimentos de dispersión, pero no el motivo de que los átomos sólo emitan luz de determinadas longitudes de onda (emisión discreta). Bohr partió del modelo de Rutherford, pero postuló además que los electrones sólo pueden moverse en determinadas órbitas; su modelo explicaba ciertas características de la emisión discreta del átomo de hidrógeno, pero fallaba en otros elementos. El modelo de Schrödinger, que no fija trayectorias determinadas para los electrones sino sólo la probabilidad de que se hallen en una zona, explica parcialmente los espectros de emisión de todos los elementos; sin embargo, a lo largo del siglo XX han sido necesarias nuevas mejoras del modelo para explicar otros fenómenos espectrales.

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BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS.

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