Física Cuántica Esencial: Ondas, Espectros Atómicos y Principios Fundamentales

Onda: Propagación de Energía sin Materia

Una onda es la propagación de una perturbación vibracional en la cual se transmite energía, pero no materia. Cualquier onda viene caracterizada por su amplitud, A, longitud, λ (lambda), y frecuencia, f. La relación entre estas es: f = v/λ.

Efecto Fotoeléctrico: Emisión de Electrones por Luz

El efecto fotoeléctrico es el fenómeno por el cual muchos materiales expulsan electrones cuando son iluminados con luz adecuada. Cada material fotoemisor tiene una frecuencia mínima, denominada frecuencia umbral, por debajo de la cual no se emiten electrones por muy intensa que sea la radiación o mayor el tiempo de exposición. Los electrones emitidos son recogidos en un ánodo y pueden emplearse para mantener una pequeña corriente eléctrica.

Espectros Atómicos: La Huella Digital de la Materia

Un espectro discontinuo es un conjunto de frecuencias de la luz emitida o absorbida por una determinada sustancia a escala atómica.

Tipos de Espectros Atómicos

• Espectros de Absorción

  Se hace pasar un haz de luz blanca sobre una muestra gaseosa, la cual absorbe dicha energía. La luz que sale de la muestra se descompone y se estudian las ausencias de líneas características.

• Espectros de Emisión

  La muestra gaseosa contiene átomos excitados. La energía sobrante de la muestra puede eliminarse por emisión de luz, la cual se descompone en un prisma para obtener una serie de líneas, características de cada elemento químico, constituyendo un espectro químico de emisión. Los espectros de emisión contienen más líneas que los de absorción.

El Espectro del Hidrógeno: Un Modelo Fundamental

El espectro del hidrógeno es el más sencillo de todos. Balmer encontró una sencilla fórmula que reproduce de manera precisa la posición de las líneas espectrales en la región del visible, llamadas líneas de Balmer. Rydberg encontró otra expresión para el espectro que incluía tanto las líneas de Balmer (visible) como las de Lyman (ultravioleta). La fórmula de Rydberg es: [1/λ = R (1/n₁² - 1/n₂²)], siendo R la constante de Rydberg y n₂ > n₁.

Explicación del Efecto Fotoeléctrico: La Teoría de Einstein

Einstein expuso que la luz estaría formada por partículas luminosas que se denominaron fotones, cuya energía se calcula con la fórmula: E = h * f. La situación la podemos visualizar como un fotón chocando con un electrón de la placa metálica y comunicándole su energía. Si la frecuencia del fotón es tal que su energía es igual o superior a la energía de enlace del electrón en el metal, este quedará liberado. Y si la frecuencia de la radiación es mayor que la f umbral, no solo se emitirán electrones, sino que tendrán una cierta energía cinética.

Naturaleza Dual de la Luz: Onda y Corpúsculo

La dualidad onda-corpúsculo de la luz: la luz presenta una doble naturaleza ondulatoria y corpuscular. Los rasgos ondulatorios de la luz son más patentes en la zona del espectro de baja frecuencia, mientras que la naturaleza corpuscular predomina en la radiación de alta frecuencia. En la zona del espectro visible es fácil comprobar la existencia de ambas naturalezas. La relación matemática entre las naturalezas ondulatoria y corpuscular de la luz se consigue a partir de dos fórmulas. La primera nos da la energía del fotón que vale E = h * f, y la segunda relaciona la energía y el momento lineal: E = p * c. Igualando ambas ecuaciones y recordando f = c/λ, se obtiene la ecuación de De Broglie: λ = h/p.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

El Principio de Incertidumbre refleja las limitaciones impuestas por la mecánica cuántica. Cuando se estudia el comportamiento de una partícula, es imposible determinar simultáneamente y con total exactitud el valor de la posición y su cantidad de movimiento. El producto de las imprecisiones de esas magnitudes se ve afectado por la restricción: Δx Δp ≥ h/(4π).

Números Cuánticos: Describiendo el Electrón

Los números cuánticos son un conjunto de valores numéricos que describen el estado energético de un electrón en un átomo.

• n) Número Cuántico Principal

  Determina el valor de la energía del electrón. En el modelo de Bohr, la energía de un electrón en un átomo de H viene dada por E_n = -A/n². También determina el tamaño del orbital. Puede valer 1, 2, 3, ...

• l) Número Cuántico Azimutal o Secundario

  Determina la forma del orbital y el valor del momento angular del electrón. Puede valer desde 0 hasta n-1.

• m) Número Cuántico Magnético

  Determina la orientación del orbital en el espacio. Por ejemplo, en el caso de los orbitales p (l=1), las orientaciones son a lo largo de los 3 ejes (p_x, p_y, p_z) y esto da lugar a 3 orbitales. Puede valer desde -l a +l.

• s) Número Cuántico de Espín

  Determina el sentido de giro del electrón alrededor de su eje. Puede valer +1/2 o -1/2.

Principio de Máxima Multiplicidad de Hund

El Principio de Máxima Multiplicidad de Hund establece que cuando en un subnivel energético existen varios orbitales disponibles, los electrones tienden a ocupar el máximo número de ellos y, además, con espines paralelos.