UD 1 De los primeros modelos atómicos al modelo cuántico (Modelo de Bohr)

A

TAREA DE APRENDIZAJE 1 (Continuación).- DE LOS PRIMEROS MODELOS ATÓMICOS AL MODELO CUÁNTICO DEL ÁTOMO

Actividad 6.- El modelo de Rutherford ofrece dos inconsistencias: 

a) Según el electromagnetismo clásico, el electrón no podía estar girando en cualquier órbita. ¿Qué significa ésto?

b) El segundo problema es que no podía explicar los espectros atómicos. ¿A qué hace referencia?

Actividad 7.- Los espectros atómicos son consecuencia de hacer pasar la luz incandescente de una sustancia a través de un prisma. ¿Por qué el espectro de la luz blanca es continuo, y, sin embargo, un espectro atómico es discontinuo?

EL MODELO ATÓMICO DE BOHR

En 1913, Niels Bohr, colaborador de Rutherford, mejoró su modelo, introduciendo el concepto de la cuantización de la energía.

Actividad 8.- ¿Cuáles son las dos hipótesis que introdujo Bohr al modelo de Rutherford?

Actividad 9.- La cuantización de la energía de los electrones en la corteza de los átomos es una propiedad fundamental de estos. Borh consiguió, a partir del espectro del átomo de Hidrógeno, determinar cuantitativamente los niveles de energía de los electrones. Responde:

a) ¿Qué indican las líneas en el espectro del átomo de hidrógeno?

b) Observa la analogía de la imagen, y explícalo, indicando por qué los escalones son de diferente altura.

Actividad 10.- Si observas el espectro del hidrógeno, existen cuatro líneas. Responde:

a) ¿Podrían existir más líneas en el espectro de hidrógeno con valores de energías diferentes? En caso afirmativo, ¿a qué salto de energía correspondería?b) Indica si esta afirmación es verdadera o falsa y explica por qué: “Para hacer que un electrón pase del nivel n= 2 al n= 3 es necesario que absorba energía”.

Actividad 11.- El modelo atómico de Bohr es válido para el átomo de hidrógeno. Al observar los espectros de otros átomos se dieron cuenta que junto a las líneas del espectro había otras líneas espectrales más cercanas. Esto determino que en el átomo, no solo hay niveles de energía, sino que también existen subniveles de energía. Esto llevó a determinar un nuevo concepto, el orbital atómico.

a) Explica la diferencia entre órbita y orbital

b) En cada nivel existe un número determinados de subniveles, que ahora denominamos orbitales. ¿Cuántas clases de orbitales existen y cómo se denominan?

c) Haz una tabla, en las que especifiques, por cada nivel n, el número y tipo de orbitales y los electrones que hay. AYUDA: Hay un solo tipo de orbital s, 3 orbitales p, 5 orbitales d y 7 orbitales f

d) Indica si existen o no los siguientes orbitales: 3s; 2p; 2d; 3f; 4s; 5g; 1d; 3d.

UD 1 Documentación: El experimento de Rutherford y el modelo nuclear del átomo

El experimento de Rutherford, también llamado experimento de la lámina de oro, fue realizado por Hans Geiger y Ernest Marsden en 1909, y publicado en 1911 bajo la dirección de Ernest Rutherford en los Laboratorios de Física de la Universidad de Manchester. Los resultados obtenidos y el posterior análisis tuvieron como consecuencia la rectificación del modelo atómico de Thomson (modelo atómico del pudin con pasas) y la propuesta de un modelo nuclear para el átomo.

Accede al VÍDEO explicativo de dicho experimento

El experimento consistió en bombardear con un haz de partículas alfa una fina lámina de oro y observar cómo las láminas de diferentes metales afectaban a la trayectoria de dichos rayos.

Las partículas alfa se obtenían de la desintegración de una sustancia radiactiva, el polonio. Para obtener un fino haz se colocó el polonio en una caja de plomo, el plomo detiene todas las partículas, menos las que salen por un pequeño orificio practicado en la caja. Perpendicular a la trayectoria del haz se interponía la lámina de metal. Y, para la detección de trayectoria de las partículas, se empleó una pantalla con sulfuro de zinc que produce pequeños destellos cada vez que una partícula alfa choca con él. Según el modelo de Thomson, las partículas alfa atravesarían la lámina metálica sin desviarse demasiado de su trayectoria:

Pero se observó que un pequeño porcentaje de partículas se desviaban hacia la fuente de polonio, aproximadamente una de cada 8.000 partícula al utilizar una finísima lámina de oro con unos 200 átomos de espesor. En palabras de Rutherford ese resultado era "tan sorprendente como si le disparases balas de cañón a una hoja de papel y rebotasen hacia ti".

Rutherford concluyó que el hecho de que la mayoría de las partículas atravesaran la hoja metálica, indica que gran parte del átomo está vacío, que la desviación de las partículas alfa indica que el deflector y las partículas poseen carga positiva, pues la desviación siempre es dispersa. Y el rebote de las partículas alfa indica un encuentro directo con una zona fuertemente positiva del átomo y a la vez muy densa.

El modelo atómico de Rutherford mantenía el planteamiento de Thomson, de que los átomos poseen electrones, pero su explicación sostenía que todo átomo estaba formado por un núcleo y una corteza. El núcleo debía tener carga positiva, un radio muy pequeño y en él se concentraba casi toda la masa del átomo. La corteza estaría formada por una nube de electrones que orbitan alrededor del núcleo.

Según Rutherford, las órbitas de los electrones no estaban muy bien definidas y formaban una estructura compleja alrededor del núcleo, dándole un tamaño y forma indefinida. También calculó que el radio del átomo, según los resultados del experimento, era diez mil veces mayor que el núcleo mismo, lo que implicaba un gran espacio vacío en el átomo.

UD 1 Tarea 1 El modelo atómico de Thomson

Accede a los siguientes recursos para estudiar el modelo atómico de Thomson

Video de los RAYOS CATÓDICOS

DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRON

En el año 1897, el físico inglés Joseph J.Thompson estudió el comportamiento y los efectos de los rayos catódicos. En sus experimentaciones observó que cuando en un tubo de vidrio que tiene dos electrodos metálicos conectados a una fuente de alto voltaje (de 2000 a 10000 V) y donde se ha hecho el vacioo (aproximadamente 0,001 mm Hg), al producirse una descarga se aprecia una luminosidad o fluorescencia verdosa en la pared localizada frente al cátodo, que los investigadores supusieron que era debida a la existencia de unos rayos procedentes del electrodo negativo, que llamaron rayos catódicos.

Según las observaciones de Thomson, los rayos catódicos:

• Son invisibles y se propagan en línea recta.
  

• Se pueden observar por su efecto sobre pantallas fluorescentes.

• Son desviados por campos eléctricos hacia la zona positiva.

• Producen efectos mecánicos, térmicos, químicos y luminosos.

De esta manera, Thomson propuso su modelo del átomo. A este modelo se le llamó del "pudin de ciruelas", en el que las pasas representaban a los electrones "incrustados" en una masa de bizcocho positiva (aún se desconocía de la existencia del protón, pero sí se sabía que debía haber una carga positiva)

La teoría atómica de Dalton y las leyes ponderales

Puedes estudiar la Teoría atómica de Dalton gracias a la animación del IES Aguilar y Cano, de Sevilla.

Acceso a pantalla completa: TEORÍA ATÓMICA DE DALTON

UD 1 El átomo y el Sistema Periódico de los elementos. Tarea 1 Modelos atómicos

TAREA 1.- DE LOS PRIMEROS MODELOS ATÓMICOS AL MODELO CUÁNTICO DEL ÁTOMO

LO QUE DEBES SABER
1.- La Teoría Cinética de la materia: la materia está formada por partículas.

2.- Las partículas a las que hace referencia la TCM son o átomos o moléculas.

3.- Para describir el comportamiento de la materia es necesario explicar la estructura y propiedades de los átomos. ¿Recuerdas los modelos atómicos de Thomson y Rutherford?

4.- Los átomos están formados por tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones.

5.- Los elementos químicos se ordenan en 18 grupos y 7 períodos, que constituyen el Sistema Periódico de los elementos. 

 

CONCEPTOS BÁSICOS QUE DEBES REPASAR:

R1.- Los postulados de la teoría atómica de Dalton.

R2.- Las características de las partículas subatómicas.

R3.- El concepto de isótopo, número atómico y número másico.

R4.- El concepto de ión.

UD 0 Tarea de Recapitulación

1.- La ley de conservación de la energía establece que en un sistema aislado la energía se conserva. Busca información sobre esta ley, y explica por qué se habla de “ley” y no de “teoría”.

2.- Dos personas empujan un objeto con sendas fuerzas del mismo módulo, F= 90 N. Representa la fuerza resultante (la suma vectorial), , y calcula su módulo, si las fuerzas se ejercen a) en la misma dirección y sentido, b) la misma dirección y sentidos opuestos, y c) direcciones perpendiculares.

3.- La aceleración de la gravedad terrestre, como estudiaremos, la podemos expresar en m/s2 y en N/kg (Newton/kilogramo). Si las dimensiones de la F (Newton) son , comprueba que en ambos casos tiene la misma ecuación de dimensiones.

4.- En este curso estudiarás la ecuación general de la hidrostática, p= d·g·h (p, presión, d, densidad, g, aceleración de la gravedad, h, profundidad). Comprueba su homogeneidad dimensional si .

5.- Con una balanza antigua se mide la mas de una pesa que marca 50 g, obteniendo un valor de 53,3 g. ¿Qué error relativo he cometido?

6.- Se realizan tres medidas de la masa de un objeto (εr= 0,1 g): m1= 45.8 g; m2= 45,6 g; m3= 46,1 g. ¿Cuál es el resultado final de la medida?

ANÁLISIS DE DATOS EXPERIMENTALES

Para analizar los datos obtenidos en un experimento, se acude a representaciones gráficas, a partir de las cuales se extraen las leyes físicas.

De la gráfica obtenida se establece la relación entre las variables, que en nuestro caso, son magnitudes físicas.

7.- En una práctica de laboratorio se realizan, para tres voltajes distintos, tres medidas de la intensidad que circula por una lámpara incandescente. A partir de ella, extrae la ley física que relaciona estas magnitudes, y exprésala en lenguaje verbal, matemático y gráfico.

UD 0 Tarea 2.- El conocimiento científico se basa en el estudio de las magnitudes físicas

Actividad de estudio A1.- Con la ayuda del libro y el blog debes estudiar:

a) ¿Qué es magnitud y unidad física?

b) ¿A qué definimos magnitudes escalares y magnitudes vectoriales?
c) Una magnitud vectorial se representa por un vector, para lo que necesitamos conocer punto de aplicación, dirección, sentido y módulo. 

d) Las magnitudes vectoriales no se puede sumar como una magnitud escalar.
e) Recuerda qué son magnitudes fundamentales y derivadas, para lo que introducimos el Sistema Internacional de Unidades.
f) Repasa los múltiplos y submúltiplos.
g) ¿Qué son las “dimensiones” de una magnitud? Trata de explicar por qué la ecuación de dimensiones de la densidad . ¿Para qué sirven las ecuaciones de dimensiones?
h) Al realizar medidas cometemos errores. Estudia lo que son errores sistemáticos y aleatorios.
i) Al realizar una medida, podemos conocer su error absoluto y su error relativo.
j) Al realizar una medida, siempre hay un error que lo da el propio instrumento de medida. Es el error absoluto debido a la sensibilidad del instrumento.
k) Estudia cómo podemos minimizar los errores de medida.
l) Estudia cómo hay que expresar correctamente una medida utilizando las cifras significativas.

Actividades prácticas:
A2.- Decide cuáles son magnitudes escalares y cuáles vectoriales: masa, tiempo, longitud, fuerza, velocidad, aceleración, presión, energía, trabajo y calor.

A3.- Dibuja el vector velocidad de un punto material que se desplaza hacia el norte a 30 m/s. Describe los elementos del vector.

A4.- En un examen tienes que calcular la energía potencial de un objeto y no recuerdas si la expresión correcta es Ep= m·g·h, o Ep= m·g·h2. Dedúcelo mediante análisis dimensional.

A5.- Deduce la dimensión de las magnitudes derivadas, superficie, volumen, velocidad, aceleración
 

A6.- Con una cinta métrica se mide la longitud de una cuerda, obteniendo 79,98 cm. Si la cuerda mide 80 cm, determina los errores absoluto y relativo de la medida.

A7.- a) Indica la sensibilidad de los siguientes instrumentos de medida: l= 71 cm; m= 24,5 g; t= 2,35 s; l= 35,7 cm; m= 1235 g; t= 23,7 s. b) Expresa las medidas anteriores, indicando el error absoluto.

A8.- Con un cronómetro que aprecia hasta la centésima de segundo (cs) se realizan cuatro medidas del tiempo que tarda un objeto en caer al suelo de una determinada altura, obteniendo los siguientes valores: t1= 3,47 s; t2= 3,89 s; t3= 3,53 s; t4= 3,65 s. Expresa estas medidas y el error de la medida final, indicando los errores.

A9.- Redondea a la centésima; a) 3,124; b) 15,357; c) 9,5850; d) 0,2350

A10.- Indica qué medidas están mal expresadas, y exprésalas correctamente: a) t= 1,236 g; b) m= 15,4 g; c) l= 3,98 cm

A11.- Con una balanza digital de sensibilidad 1 cg se realizan las siguientes medidas de la masa de un objeto: m1= 12,00 g; m2= 11,89 g; m3= 11,94 g; m4= 12,07 g. Expresa el resultado de la medida.

Análisis dimensional

El análisis dimensional tiene gran importancia en Física, ya que mediante las ecuaciones de dimensiones, se relacionan las magnitudes derivadas con las fundamentales. Además, el análisis dimensional permite comprobar la homogeneidad de una ecuación física.