PPTCEL011FS11-A16V1 Clase Mundo atómico

Resumen de la clase anterior Momento angular Depende de Momento de inercia “ I ” Velocidad angular La masa La forma La distribución de la masa respecto del eje de giro I es constante Depende de o y El torque externo es nulo Se conserva cuando Varía cuando Actúa un torque externo Actúa un torque externo I es variable

Aprendizajes esperados Reconocer diferentes modelos atómicos. Reconocer los componentes del núcleo atómico y sus características. Comprender el fenómeno de la radiactividad natural y el concepto de periodo de semidesintegración. Reconocer los diferentes tipos de emisión de una fuente radiactiva. Reconocer la energía nuclear como una importante fuente de energía.

Una partícula alfa corresponde a un átomo de helio con dos electrones menos que el átomo neutro. Sabiendo que el número atómico del helio es Z = 2, se puede afirmar correctamente que una partícula alfa es A)un átomo de helio cargado negativamente. B)un átomo de helio en el cual los electrones han sido reemplazados por neutrones. C)un núcleo atómico con igual número de protones y electrones. D)un núcleo de helio con exceso de neutrones. E)un núcleo de un átomo de helio. Pregunta oficial PSU Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, PSU 2014.

1.Modelos atómicos 2.Teoría mecánico-cuántica 3.Núcleo atómico 4.Radiactividad 5.Energía nuclear Págs.: Cap. 4

1. Modelos atómicos 1.1 El Átomo En el siglo V a.C., el filósofo griego Demócrito expresó la idea de que toda la materia estaba formada por partículas muy pequeñas e indivisibles, a las que llamó átomos (‘sin división’). Demócrito Pág. 98 Cap. 4

1.2 Modelo de Dalton Dalton publicó su teoría atómica en 1808, en la que postuló que: Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos, las que son indivisibles. Todos los átomos de un mismo elemento químico son idénticos en su masa y demás propiedades. Los átomos de diferentes elementos químicos son distintos. En particular, sus masas son diferentes. Los átomos son indestructibles y mantienen su identidad en los cambios químicos. 1. Modelos atómicos

1.3 Descubrimiento del protón En 1886, Eugen Goldstein utilizó el tubo de rayos catódicos perforado y observó otro tipo de rayos que procedían del ánodo (rayos canales o anódicos), estos atravesaban las perforaciones del cátodo iluminando la zona posterior a este. El protón es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva y una masa veces superior a la de un electrón. Sufre desviaciones por campos electromagnéticos. Eugen Goldstein 1. Modelos atómicos

1.4 Descubrimiento del electrón En 1897 experimentos con rayos catódicos condujeron a Joseph John Thomson al descubrimiento de otra partícula subatómica, el electrón. Él demostró que esta era aproximadamente mil veces más ligera que el hidrógeno. 1. Modelos atómicos

1.5 Modelo de Thomson Joseph Thomson cambió dramáticamente la visión moderna del átomo con el descubrimiento del electrón. Thomson propuso que el átomo estaba formado por un conjunto de electrones incrustados en una masa esférica de densidad uniforme y carga positiva, de manera que el conjunto era neutro y estable. Joseph Thomson Al modelo lo llamaron “el queque con pasas” Al modelo lo llamaron “el queque con pasas” 1. Modelos atómicos Pág. 98, 99 Cap. 4

1.6 Experimento de Rutherford En 1911 Ernest Rutherford ejecutó una serie de experimentos con partículas α. La experiencia más importante consistió en bombardear una finísima lámina de oro con estas partículas, las cuales finalmente eran recogidas sobre una pantalla de sulfuro de zinc. Ernest Rutherford Las partículas α son núcleos de helio,formados por dos protones y dos neutrones. Su carga es positiva. Las partículas α son núcleos de helio, formados por dos protones y dos neutrones. Su carga es positiva. 1. Modelos atómicos Pág. 99Cap. 4

El resultado del experimento fue sorprendente: algunas partículas atravesaban la lámina sin desviarse o eran desviadas en pequeños ángulos. Otras eran dispersadas en ángulos bastante grandes, incluso en 180°. Rutherford concluyó que: Los átomos estaban casi vacíos, pues la mayoría de las partículas los atravesaban. Dentro del átomo había una zona con carga positiva, ya que algunas partículas retrocedían o se desviaban. En esta zona la masa era suficiente como para que las pesadas partículas α no la hicieran a un lado; había descubierto el núcleo atómico. Partículas α Núcleo Átomos de oro 1. Modelos atómicos 1.6 Experimento de Rutherford

1.7 Modelo de Rutherford Rutherford propuso que: La mayor parte de la masa y toda la carga positiva del átomo se encuentran concentradas en un diminuto núcleo. Por fuera del núcleo están los electrones, con una masa despreciable comparada con la del núcleo y en número suficiente para neutralizar la carga de este. 1. Modelos atómicos Pág. 100 Cap. 4

1.8 Limitaciones del modelo de Rutherford Toda partícula cargada acelerada, como es el caso del electrón cuando gira describiendo una órbita, emite energía en forma de radiación electromagnética. En consecuencia, el electrón pierde energía en forma continua, provocando que gire a distancias del núcleo cada vez más cortas, hasta que finalmente termina precipitándose en él (catástrofe atómica). Además, tampoco lograba explicar la existencia de los espectros atómicos. 1. Modelos atómicos Pág. 100 Cap. 4

1.9 Descubrimiento del neutrón El descubrimiento de esta tercera partícula fundamental fue hecho en 1932 por el físico inglés James Chadwick. La dificultad de este descubrimiento radicó en que esta partícula carecía de carga eléctrica. Su hallazgo significó una mejora al modelo atómico de Rutherford, que quedó completado en los siguientes términos. Los átomos constan de un núcleo muy pequeño y sumamente denso, rodeado de una nube de electrones que giran a distancias relativamente grandes del núcleo. Todos los núcleos contienen protones. Los núcleos de todos los átomos, con excepción de la forma más común del hidrógeno, también contienen neutrones. James Chadwick 1. Modelos atómicos

2. Teoría mecánico-cuántica 2.1 Postulados de Planck La materia está formada por partículas que oscilan, emitiendo energía en forma de radiación electromagnética. La energía que emiten estas partículas no puede tener cualquier valor, sino tan solo algunos valores que son múltiplos de una cantidad discreta de energía (paquetes de energía) llamada cuanto. El valor de la energía de un cuanto es directamente proporcional a la frecuencia de la radiación emitida. Max Planck E cuanto : energía de un cuanto. f : frecuencia de la radiación emitida. h : constante de Planck, cuyo valor es 6,63∙ [J·s]

2.2 Interacción radiación electromagnética - materia Efecto fotoeléctrico Es la emisión de electrones en un metal, cuando sobre él incide radiación electromagnética, ya sea luz visible o ultravioleta. Efecto Compton Consiste en el aumento de la longitud de onda (o disminución de la frecuencia) de un fotón de rayos X cuando choca con un electrón libre y cede parte de su energía a éste. La frecuencia y la longitud de onda de la radiación dispersada depende de la dirección de dispersión. 2. Teoría mecánico-cuántica

2.3 Modelo de Bohr Niels Bohr propone un nuevo modelo atómico, en el que se mantiene la estructura planetaria propuesta por Rutherford, pero se utilizan los principios cuánticos sobre la emisión de energía. Introduce una serie de condiciones sobre el comportamiento del electrón que resuelven el problema de inestabilidad del modelo atómico de Rutherford. Para realizar su modelo, utiliza el átomo de hidrógeno, con un protón en el núcleo y un electrón girando a su alrededor. Niels Bohr Bohr aplica la hipótesis cuántica planteada por Planck en Teoría mecánico-cuántica Pág. 101 Cap. 4

El electrón se mueve siguiendo órbitas circulares alrededor del núcleo, llamadas órbitas electrónicas. Cada una de estas corresponde a un nivel de energía permitido o “estado estacionario”; es decir, la energía del electrón dentro del átomo está cuantizada y bien establecida. El átomo tiene siete órbitas. Mientras más cercano esté el electrón al núcleo, menor cantidad de energía necesita para permanecer en esa órbita. hf 2. Teoría mecánico-cuántica 2.3 Modelo de Bohr

Los niveles de energía permitidos al electrón son aquellos en los que su momento angular ( ) es un múltiplo entero de. m : masa v : rapidez del electrón r : radio de la órbita h : constante de Planck n : 1,2,3,… correspondiente al número cuántico principal. 2. Teoría mecánico-cuántica 2.3 Modelo de Bohr Pág. 102 Cap. 4

2.4 Espectros atómicos Mientras el electrón permanece en una de estas órbitas “permitidas”, no emite energía. Cuando el electrón baja de un nivel energético mayor a uno menor, libera energía en forma de luz. Cuando el electrón sube de nivel, absorbe energía. Cuando un electrón cambia de estado, se tienen dos posibilidades: absorbe o libera energía. Cuando un electrón cambia de estado, se tienen dos posibilidades: absorbe o libera energía. 2. Teoría mecánico-cuántica

2.5 Incompatibilidad del modelo de Bohr con la realidad El modelo de Bohr fue abandonado porque no se hallaba concordancia con los espectros atómicos de otros átomos distintos del hidrogeno. El modelo era incapaz de explicar como los átomos podían formar moléculas. 2. Teoría mecánico-cuántica

3. Núcleo atómico 3.1 Componentes El núcleo es una masa muy compacta formada por protones y neutrones. Unidad de masa atómica (UMA): Unidad utilizada para expresar la masa de átomos y moléculas. Su valor es 1,6605· [kg] Protón (p + ) Es una partícula elemental con carga eléctrica positiva igual a 1,602· [C]. Su masa es 1840 veces mayor que la del electrón. La masa del protón: 1,672649· [kg] = 1,00727 [uma]. Neutrón (n) No tienen carga eléctrica y son casi del mismo tamaño que los protones. Los neutrones ayudan a reducir la repulsión eléctrica que existe entre los protones, cargados positivamente, estabilizando el núcleo atómico. Su masa =1,674954· [kg]= 1,00867 [uma] Pág. 105 Cap. 4

Spin: Corresponde al giro del electrón dentro del orbital. En un orbital lleno existen dos electrones con spin contrario. Se designa con +1/2 cuando el electrón gira con sentido contrario a las manecillas del reloj. Se designa con -1/2 cuando el electrón gira en el sentido de las manecillas del reloj. 3. Núcleo atómico 3.1 Componentes

3.2 Notación atómica Número atómico (Z) Corresponde al número de protones presentes en el núcleo atómico. Como los átomos son neutros, este número corresponde también al número de electrones del átomo. Número másico (A) Corresponde a la cantidad de protones más neutrones presentes en el núcleo. A estas partículas (protones o neutrones) se les llama nucleones. El número de neutrones presentes en el núcleo se puede calcular como A - Z 3. Núcleo atómico Pág. 106 Cap. 4

3.3 Tipos de átomos Isóbaros: aquellos átomos que presentan igual número másico y distinto número atómico. Isótonos: son átomos que presentan distinto número másico, distinto número atómico, pero tienen igual número de neutrones. Isótopos: son átomos que presentan distinto número másico (A), pero igual número atómico (Z). Se establece en átomos de un mismo elemento. Por ejemplo, para los isótopos del hidrógeno tenemos: Hidrógeno común (Protio): Tiene un protón en el núcleo (a). Deuterio: Tiene un protón y un neutrón en el núcleo (b). Tritio: Tiene un protón y dos neutrones en el núcleo (c). 3. Núcleo atómico

4.1 Características Proceso mediante el cual algunos elementos emiten radiaciones. La radiactividad se relaciona con la estabilidad del núcleo, la que, a su vez, depende de la proporción entre protones y neutrones existentes en él. Se llaman isótopos radiactivos o radioisótopos a todos los isótopos que emiten radiaciones. Si este proceso ocurre de manera espontánea se llama radiactividad natural, mientras que si un núcleo estable es transformado artificialmente en radioisótopo, se dice que presenta radiactividad artificial. Decaimiento radiactivo: Proceso en el que un núcleo emite partículas ,  y radiación electromagnética . Pág. 108 Cap Radiactividad

4.2 Emisión de una fuente radiactiva Si un haz emitido por un elemento radiactivo se hace pasar a través de un campo magnético, la radiación se descompone en rayos ,  y . 4. Radiactividad

4.2 Emisión de una fuente radiactiva Pág. 109 Cap. 4

4. Radiactividad 4.3 Rayos X En el transcurso de su estudio sobre descargas eléctricas en gases, el físico alemán Wilhelm Röentgen descubrió la existencia de una radiación invisible, muy penetrante, que era capaz de ionizar el gas y provocar fluorescencia en él. Como desconocía el origen de esta radiación le dio el nombre de “rayos X”. Wilhelm Röntgen Pág. 110 Cap. 4

4.3 Rayos X en medicina La propiedad de los rayos x de atravesar cuerpos opacos depende de la composición de éstos. La madera, la carne, el papel, compuestos por elementos químicos ligeros no absorben los rayos x, pero sí lo hacen los materiales como el plomo, el hueso y el acero, formados por elementos químicos pesados. Para sacar radiografías, sólo los rayos x que atraviesan las partes blandas del cuerpo impresionan la placa, que aparece negra al revelarse. Por eso, los huesos aparecen blancos sobre un fondo oscuro. 4. Radiactividad

4.4 Periodo de semidesintegración Es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los núcleos presentes en una muestra de un material radiactivo. Ejemplo: el Uranio 238 tiene un periodo de semidesintegración de millones de años. El periodo de semidesintegración varía para las distintas sustancias radiactivas. Sin embargo, cualquier sustancia radiactiva evoluciona en el tiempo ajustándose a una curva como la que se muestra en la figura. 4. Radiactividad

5. Energía nuclear 5.1 El núcleo como fuente de energía Al medir experimentalmente la masa de un núcleo y compararla con la suma de las masas individuales de los nucleones que lo componen (protones y neutrones), se descubrió algo sorprendente: se obtuvo una diferencia de masa, a la que se llamó defecto de masa. Esta se produce porque parte de la masa se transforma en energía cuando las partículas se unen para formar un núcleo atómico. La energía que se desprende en la formación de un núcleo se conoce como energía de enlace nuclear. Pág. 113 Cap. 4

Los procesos en los que se modifican los núcleos de los átomos, liberando energía, reciben el nombre de procesos nucleares. En las reacciones nucleares, pequeñas cantidades de masa se transforman en grandes cantidades de energía, de acuerdo con la equivalencia establecida por Einstein. Donde E : es la energía liberada. m : es la masa. c : es la rapidez de propagación de la luz en el vacío. Debido al elevado valor de c, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía. Albert Einstein 5. Energía nuclear 5.1 El núcleo como fuente de energía

5.2 Fisión nuclear Proceso en el que un núcleo pesado se separa en fragmentos de menor masa, liberándose gran cantidad de energía. Este proceso deja residuos radiactivos. Por ejemplo, el núcleo del uranio 235 se rompe en dos núcleos intermedios cuando se bombardea con neutrones; se obtiene un átomo de bario 142, un átomo de criptón-91, tres neutrones y una energía de 210 (MeV), que se desprende en forma de calor. 5. Energía nuclear Pág. 114 Cap. 4

Los neutrones que se obtienen en la fisión de un núcleo de uranio 235 pueden utilizarse para bombardear otros núcleos de este isótopo y provocar nuevas fisiones que, a su vez, liberarán nuevos neutrones. Así, el proceso se repetirá sucesivamente originando una reacción en cadena mediante la cual, en un tiempo muy breve, se consigue la fisión de un gran número de núcleos y se libera una enorme cantidad de radiación y energía. 5. Energía nuclear 5.2 Fisión nuclear

Deuterio Tritio Neutrón Helio-417,6 MeV Proceso de unión de núcleos livianos para formar otro más pesado. Este proceso no deja residuos radiactivos. Por ejemplo, la fusión de un núcleo de deuterio con un núcleo de tritio da lugar a la formación de un núcleo de helio-4, además de un neutrón y una energía de 17,6 (MeV), que se desprende en forma de calor. Éste es el tipo de reacción mediante la que el Sol produce su energía. Esta forma de producir energía todavía se encuentra en fase de estudio y desarrollo, debido a que plantea serios problemas técnicos que no han sido resueltos. 5. Energía nuclear 5.2 Fusión nuclear Pág. 116 Cap. 4

5.4 Fuerzas fundamentales Pág. 117 Cap Energía nuclear

Una partícula alfa corresponde a un átomo de helio con dos electrones menos que el átomo neutro. Sabiendo que el número atómico del helio es Z = 2, se puede afirmar correctamente que una partícula alfa es A)un átomo de helio cargado negativamente. B)un átomo de helio en el cual los electrones han sido reemplazados por neutrones. C)un núcleo atómico con igual número de protones y electrones. D)un núcleo de helio con exceso de neutrones. E)un núcleo de un átomo de helio. Pregunta oficial PSU Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, proceso de admisión E Reconocimiento

Tabla de corrección ÍtemAlternativaHabilidadUnidad temática 1 B Reconocimiento Mundo atómico 2A Reconocimiento Mundo atómico 3A Reconocimiento Mundo atómico 4E Reconocimiento Mundo atómico 5C Aplicación Mundo atómico 6 E Reconocimiento Mundo atómico 7C Reconocimiento Mundo atómico 8DComprensiónMundo atómico 9 D Reconocimiento Mundo atómico 10C Reconocimiento Mundo atómico

Tabla de corrección ÍtemAlternativaHabilidadUnidad temática 11 DComprensión Mundo atómico 12B Reconocimiento Mundo atómico 13D Aplicación Mundo atómico 14C Aplicación Mundo atómico 15D Reconocimiento Mundo atómico 16 D Reconocimiento Mundo atómico 17E Reconocimiento Mundo atómico 18A Comprensión Mundo atómico 19 E Reconocimiento Mundo atómico 20E Reconocimiento Mundo atómico

Síntesis de la clase ÁTOMO Bohr Rutherford Thomson Dalton Electrones Protones Neutrones Núcleo atómico Puede presentar Energía nuclear Radiactividad FusiónFisión Periodo de semidesintegración Artificial Reactores nucleares Natural Series de decaimiento Estructura Modelos atómicos

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