Descarga la aplicación para disfrutar aún más
Vista previa del material en texto
Tema 13 Estructura del átomo 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 2 13.1 El Electrón 13.2 Núcleo atómico y Radiactividad 13.3 Radiación y materia 13.4 Espectros de emisión y absorción 13.5 La naturaleza dual del electrón 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 3 Al hacer pasar la electricidad a través de tubos de vidrio sometidos al vacío, Faraday descubrió los RAYOS CATÓDICOS, un tipo de radiación emitida por el polo negativo o cátodo que atravesaba el tubo evacuado hacia el polo positivo o ánodo. 13.1 El electrón 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 4 +- Rayos catódicos Alto vacío Faraday construyó los primeros tubos de rayos catódicos hace ∼∼∼∼ 150 años vidrio Cátodo (electrodo negativo) Ánodo (electrodo positivo) 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 5 +- Rayos catódicos En ausencia de campos magnéticos los rayos catódicos viajan en línea recta. Si se les somete a campos eléctricos y magnéticos variables se puede obtener su relación q/m = -1.76x108 C/g (Thomson, 1897) Los rayos catódicos son partículas fundamentales de la materia cargadas negativamente y que se encuentran en todos los átomos. 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 6 Esa relación q/m es independiente del material de cátodo (Fe,Pt ...) Los rayos catódicos son un constituyente universal de la materia Hoy los conocemos como ELECTRONES 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 7 Millikan (1913) determinó por primera vez su carga y su masa por separado q(e-) = -1.6022 10-19 C = -q(p) m(e-) = 9.109××××10-28 g m(p) = m(n) = 1.673 ××××10-24 (g) La m(p) es aprox. 2000 veces la m(e-) 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 8 Los tubos de los rayos catódicos (RC) emitían otro tipo de radiación que se descubrió al comprobar que materiales que formaban el anticátodo (lámina colocada delante del ánodo) emitían radiación con longitud de onda mínima dependiendo del material del anticátodo (ley de Moseley). Este tipo de radiación se conoce como Rayos X Roentgen (1895) +- e- Rayos catódicos RAYOS X 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 9 Propiedades de los Rayos X •Son muy energéticos •Pueden atravesar la materia y velar placas fotográficas •No se desvían de su trayectoria mediante campos magnéticos ⇒⇒⇒⇒ No son partículas cargadas Ahora sabemos que son una radiación electromagnética de alta energía 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 10 13.2 Núcleo atómico y radiactividad Experimento de Rutherford Bombardeo de una lámina de oro con partículas alfa LA MAYORIA LA TRASPASABAN SIN DESVIARSE !!! a) Núcleo atómico 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 11 Conclusiones del experimento de Rutherford •La mayor parte de la masa y toda la carga + están concentradas en una zona muy pequeña denominada núcleo. •La cantidad de carga + es diferente para distintos átomos y es aproximadadamente la mitad del peso atómico. •Esta carga está contrarrestada con la de los electrones fuera del núcleo. 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 12 Radio del Núcleo: 10-14 m Radio de la corteza 10-10 m 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 13 Becquerel (1896) descubrió que algunos materiales (sales de uranio) velaban las placas fotográficas en ausencia de luz. Eran materiales radiactivos Radiactividad: Emisión espontánea de radiación y partículas. El nombre de radiactividad fue sugerido por Marie Curie b) Radiactividad: 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 14 Material radiactivo Aislante de Pb Tipos de radiaciones producidos por los materiales radiactivos Si un material radiactivo está encerrado en un bloque de Pb, toda la radiación excepto la que pasa a través de la abertura estrecha es absorbida por el Pb. Cuando esta radiación emitida pasa a través de un campo eléctrico, se descompone en 3 haces. Un haz permanece sin desviarse son los rayos γγγγ. Los rayos γγγγ son radiación del mismo tipo que los Rayos X pero más energética. Otro haz es atraído por la placa cargada negativamente, son las partículas αααα y el tercer haz se desvía hacia la placa positiva, son las partículas ββββ. 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 15 αααα ββββ γγγγ ββββ+ p n núcleo de 4He (42He2+,42αααα,αααα) electrón (0-1e,ββββ-,ββββ) fotón (radiación de alta energía) positrón (01e,ββββ+) protón (11H+, 11p, p) neutrón (10n,n) Radiación y partículas emitidas en fenómenos de radiactividad 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 16 Efectos de la radiactividad Radiación Poder penetrante relativo Protección requerida αααα 1 papel, piel ββββ 100 aluminio 3mm γγγγ 100000 cemento, plomo 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 17 Reacciones nucleares Núclido = núcleo específico con un número determinado de neutrones y protones (valores de Z y A) Reacción nuclear = Transformación de un núclido en otro. Libera gran cantidad de energía XAZ Símbolo Isótopo = átomo con un Z y un A fijos 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 18 Reacción nuclear •Se producen nuevos elementos •Cambios de energía muy grandes (1 g 235U = 8.2 x 107 kJ) •Depende del tipo de isótopo Reacción Química •No se producen nuevos elementos •Cambios de energía moderados (combustión de 1 g CH4 = 52 kJ) •No depende del isótopo 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 19 235 92U 90 38Sr 143 54Xe Tipos de reacciones nucleares Fisión = Un núcleo pesado (A > 200) se divide para formar núcleos más pequeños y uno o más neutrones 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 20 Estabilidad nuclear Balance entre la repulsión entre los protones debida a la carga y la atracción entre las partículas del núcleo (p y n, nucleones) ↑↑↑↑ n0 p ↑↑↑↑ ↑↑↑↑ ↑↑↑↑ n0 n 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 21 Series radiactivas 238U →→→→ 206Pb 235U →→→→ 207Pb 232U →→→→ 208Pb Serie radiactiva del 238U Conjunto de reacciones nucleares que conducen a un núclido estable La mayoría de las series radiactivas terminan en un isótopo del Pb 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 22 Fusión = Unión de dos o más núclidos para formar otro mayor y alguna que otra partícula 14 7N + 42He →→→→ 178O + 11H 27 13Al + 42He →→→→ 3015P + 10n Es la base de la energía del sol 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 23 Los radionúclidos tienen estabilidades diferentes y se desintegran a velocidades diferentes. Algunos se desintegran casi completamente en una fracción de segundo y otros sólo después de millones de años. Las velocidades de todas las desintegraciones radiactivas son independientes de la temperatura y obedecen a una cinética de primer orden. velocidades de desintegración = k [A] La semivida, t1/2, de una reacción es el tiempo necesario para que reaccione la mitad de la muestra original. t1/2 = 0.693 /k Velocidad de desintegración radiactiva 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 24 La desintegración de núclidos, de vida media conocida es la base de la datación radiactiva DATACIÓN DE MUESTRAS ORGÁNICAS 14 7N + n →→→→ 146C + p presente en la alta atmósfera asimilado en los seres vivos MIENTRAS ESTAN VIVOS Datación radiactiva El 14C se produce continuamente en la atmósfera superior, cuando los átomos de N capturan neutrones de los rayos cósmicos. 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 25 Los átomos de C-14 reaccionan con moléculas de O2 para formar 14CO2 radiactivo,que se retira de la atmósfera por fotosíntesis. El 14CO2 se incorpora a los organismos vivos igual que el 12CO2 ordinario, así que una cierta fracción de todos los átomos de C de las sustancias vivas es C-14. 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 26 14CO2 Organismo VIVO 14C/12C = 1/1012 Excreción y respiración EQUILIBRIO Cuando el organismo muere, el 14C empieza a desintegrarse y ya no se produce ningún aporte más n = n0 ×××× e-k t 14C que queda después del tiempo t 14C inicial (12C/1012) 0.693 /t1/2 despejar t 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 27 La vida media y la precisión de las medidas determinan hasta donde se puede datar con fiabilidad un resto orgánico La vida media del 14C es de 5730 años -(t1/2 / ln 2) ln [[[[n / n0]]]] = t Si la máxima precisión en obtener n es el 1% ⇒⇒⇒⇒ n/n0 = 0.01 como máximo ⇒⇒⇒⇒ t puede ser como máximo ≈≈≈≈ 38000 años 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 28 El 90Sr es un isótopo radiactivo de vida media corta (28 años) Fue introducido en la atmósfera mediante las pruebas de armas nucleares, de allí pasó a al agua y a la cadena alimentaria Por su semejanza con el Ca se acumula en los huesos y puede producir leucemia y otros tipos de cáncer. 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 29 La RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA es una forma de transmisión de energía en la que los campos eléctricos y magnéticos se propagan por ondas a través del espacio o a través de un medio como el vidrio. Una ONDA es una perturbación que transmite energía a través de un medio. 13.3 Radiación y materia 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 30 La luz y todas las demás ondas electromagnéticas son ondas transversales La luz es el tipo de radiación electromagnética que somos capaces de ver 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 31 λλλλ ×××× νννν = c Relación entre longitud de onda, λλλλ, y frecuencia, νννν c es la velocidad de todas las ondas electromagnéticas incluyendo la luz ∼∼∼∼ 3 108 m/s El espectro electromagnético es el conjunto de todas las posibles longitudes de onda. 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 32 El espectro electromagnético Ultravioleta Rotaciones Vibraciones Transiciones electrónicas UV-A 320-400 nm UV-B 280-320 nm UV-C 200-280 nm Transiciones electrónicas internas Transiciones nucleares Ondas de Radio Microondas Infrarojo Rayos X Rayos γγγγ 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 33 13.4 Espectros de emisión y absorción Cuando se hace pasar una descarga eléctrica a través de hidrógeno atómico a baja presión, el H reemite solamente radiación de unas pocas longitudes de onda características ENERGÍA→→→→ MUESTRA →→→→ EMISIÓN Se analiza la emisión de radiación por la muestra Espectros de emisión: 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 34 Espectros de absorción: Energía inicial Muestra Energía final E final = E inicial – E absorbida por la muestra 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 35 h νννν’ = E2-E1 E E1 E2 E3 h νννν = E3-E1 E1 E2 E3 h νννν = E3-E1 h νννν’ = E2-E1 Absorción Emisión 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 36 λλλλ / nm 200 240 260 280 300 A bs or ci ón r el at iv a Espectro de absorción de O3 220 Ejemplo: Espectro de absorción del O3 Está en la zona del UV 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 37 λλλλ / nm 400 500 UV Visible Sobre la estratosfera En la troposfera In te ns id ad r el at iv a 300 Como el O3 de la estratosfera absorbe radiación UV, ésta no llega a la superficie 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 38 EFECTO INVERNADERO El gran incremento en el uso de combustibles fósiles ha causado un aumento significativo en la concentración de CO2 en la atmósfera. La E del sol alcanza la tierra en forma de luz. Ni el CO2 ni el vapor de H2O absorbe la luz visible de la luz solar, de modo que no evitan que llegue a la superficie de la tierra. 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 39 Sin embargo, la E proporcionada por la tierra en forma de radiación IR (calor) es absorbida por el CO2 y H2O. Así parte del calor que la tierra debe perder para permanecer en equilibrio térmico, queda atrapado por la atmósfera, causando que la temperatura de la tierra suba. Este fenómeno se llama EFECTO INVERNADERO. 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 40 Tierra Radiación IR Luz visible (procede del Sol) Molécula de “efecto invernadero” Las principales moléculas que causan e.i. son CO2 y H2O Otra molécula 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 41 13.5 Naturaleza dual del electrón La idea de que la luz puede exhibir tanto propiedades ondulatorias como corpusculares, le sugirió a LOUIS DE BROGLIE (1924) que partículas muy pequeñas, como los e-, podrían también presentar propiedades ondulatorias en circunstancias apropiadas. 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 42 Deducción de la ecuación de De Broglie Ecuación de Einstein Ecuación de Planck E = m c2 E = h ννννm c2 = h νννν m c = h νννν / c p = m cmomento del fotón: c = λλλλ νννν p = h νννν / λλλλ νννν Para aplicar esta ecuación a una partícula material, como un e- p = m v h λλλλ m v = h m v λλλλ = 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 43 De Broglie predijo que una partícula con una masa m y una velocidad v tendría una longitud de onda asociada. El valor numérico de esta λλλλ está dada por esta expresión: h m v λλλλ = 16/02/2004 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Tema 13 44 La hipótesis de De Broglie fue confirmada por Davisson y Germer en 1925 Demostraron la difracción de e- por un cristal de Ni. Este comportamiento es una característica importante de las ondas. Demostrando que los e- tienen propiedades ondulatorias Cristal de Ni Bombardeo con e- sobre un cristal de Ni Aparición de un patrón de difracción
Compartir