El modelo atómico.

Tema 1: La explicación de los fenómenos 

eléctricos: El modelo atómico.

I Desarrollo histórico.

La búsqueda por una teoría atómica, una teoría de la naturaleza de las materias, que afirman que están compuestas por pequeñas partículas llamadas átomos, comenzó desde tiempos casi remotos en la Antigua India, aproximadamente en el siglo VI a. C. A pesar de eso, los vaisesika y los niaiá desarrollaron elaboradas teorías de cómo los átomos se combinaban en objetos complejos. Los griegos continuaron con su búsqueda, pero a diferencia de otros, estos no querían explicar la estructura interna, sino el cambio y la permanencia. La teoría atómica fue abandonada durante mucho tiempo y se restauró su investigación hasta el Renacimiento y sus siglos posteriores,

 cuando se plantearon las bases de lo que hoy se considera es el correcto modelo atómico; introducido por John Dalton.

Antes del modelo atómico, existieron gran cantidad de modelos para tratar de explicar la materia como el modelo cinético de Daniel Bernoulli, y en el siglo XX el modelo cinético de partículas o molecular que intentaba, mayoritariamente, explicar el comportamiento de los gases a través de ciertos supuestos. Asimismo, surgieron teorías que ayudaron a explicar dichos modelos como la ley de Avogadro y el movimiento browniano.

II Desarrollo cronológico.

• 450 a.C. - Modelo atómico de Demócrito.

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 Teoría de la Equivalencia Global todas las sustancias forman parte de una única partícula llamada Globus, constituida por una red tridimensional reticular irrompible que se extiende por todo el universo.

                                             

• 1808 - Modelo atómico de Dalton.

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.

• 1897 - Modelo atómico de Thompson.

El siguiente paso importante en la historia del átomo actual lo añade la teoría atómica de Thompson con la división del átomo entre cargas positivas y negativas, tipo pastel de frutas o sopa de ajo, con fuerzas de atracción eléctricas.

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1911 - Modelo atómico de Rutherford.

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.

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.

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1913 - Modelo atómico de Bohr.

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.

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 laMecánica 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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1916 - Modelo atómico de Sommerfeld.

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 deEinstein.

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.

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1926 - Modelo de Schrödinger o modelo actual.

El modelo de Schrödinger cambia la filosofía de las órbitas, seguramente por las nuevas aportaciones a lateoría atómica de 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.

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2008 - Evolución del modelo de átomo actual.

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.

http://www.youtube.com/watch?v=Qk2B-ne3OuI

III Alcances y limitaciones de lo modelos.

Democrito:

La ventaja de este modelo es que explica que es el átomo, su definición y en lo que consiste, pero no cuales son sus partes.

Dalton:

Solo explica lo que el de Democrito, pero un poco mas detallado.

Tompson:

El primer gran golpe que recibe el modelo atómico explica lo mismo que los dos anteriores solo que este nos da a conocer que el átomo tiene cargas positivas y negativas y descubrió el electrón, pero también decía que era una molécula  electropositiva, y con electrones distribuidos con carga negativa, pero aun así seguía incompleto.

Rutherford:

  Explica que el núcleo es denso formado por portones  alrededor del cual giran los electrones, pero aunque paresa el actual no lo es.

Borh:

Relaciono la energía de los electrones con sus órbitas pero aun así seguía incompleto.

Sommerfeld:

Da a conocer que cuando los electrones esta en su órbita no pierden energía  pero que cuando cambian de órbita  pueden absorber radiación electromagnética pero aun así seguía incompleto.

Schrödinger:

Este es el que actualmente usamos ahora en el que se cambian las orbitas.

Caracteristicas basicas del modelo atomico.

I Núcleo con portones y neutrones:

Protones:

 Es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva (1,602 × 10–19 columbios) y una masa de (1,6726 × 10–27 kg) o, del mismo modo, unas 1836 veces la masa de un electrón. Experimentalmente, se observa el protón como estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años, aunque algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse, es decir el que sus partículas pierdan la consistencia que poseen y como tal el átomo. El protón y el neutrón , en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos

Una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva 1, con un valor absoluto igual y signo contrario a la del electrón. Su masa, además, es 1836 veces superior a la de un electrón.

El protón, junto a un neutrón, forman los nucleones, y forman un núcleo de átomos. Y es que dentro de un átomo, el número de protones que lo formen determina sus propiedades químicas.

Neutron:

Definicion

Un neutrón es una partícula subatómica contenida en el núcleo atómico. No tiene carga eléctrica neta, a diferencia de carga eléctrica positiva del protón. El número de neutrones en un núcleo atómico determina el isótopo de ese elemento.

Detalles

El neutrón está formado por tres quarks, un quark up y dos quarks abajo.

La masa del neutrón es ligeramente mayor que la del protón.

El neutrón no existe fuera largo del núcleo atómico, sólo unos meros 885 segundos (15 minutos) en promedio.

Masa: 1.67492729 × 10^-27 kg

Carga: 0

Spin: 1/2

Electron en orbita

Debido a que el neutrón tiene un espín 1/2, es un fermión.

Los electrones son uno de los tipos más importantes de partículas subatómicas. Los electrones se combinan con protones y (generalmente) con neutrones para crear átomos.

Los electrones son mucho más pequeños que los neutrones y protones. La masa de un simple neutrón o protón es más de 1 800 veces mayor que la masa de un electrón. El tiene tiene una masa de 9.11 x 10^-28 gramos.

Los electrones tienen una carga eléctrica negativa, con una magnitud llamada algunas veces carga elemental o carga fundamental. Por esto se dice que un electrón tiene una carga de -1. Los protonestienen una carga del mismo valor, pero con polaridad opuesta, es decir +1. La carga fundamental tiene un valor de 1.602 x 10^-19coulombio.

Atracción y repulsión electrostática.

Los átomos que están presentes en todos los cuerpos, están compuestos de electrones, portones y neutrones.

Los tres tienen masa pero solamente el electrón y el portón tienen carga. El portón tiene carga positiva y el electrón tiene carga negativa.

Si se colocan dos electrones (carga negativa los dos) a una distancia "r", estos se repelerán con una fuerza "F".

Esta fuerza depende de la distancia "r" entre los electrones y la carga de ambos. Esta fuerza "F" es llamada Fuerza electrostática.

Si en vez de utilizar electrones se utilizan portones  la fuerza será también de repulsión pues las cargas son iguales. (positivas las dos)

La fuerza cambiará de repulsiva a atractiva, si en vez de poner dos elementos de carga igual  se ponen se cargas opuestas. (un electrón y un portón)

El que la fuerza electrostática sea de atracción o de repulsión depende de los signos de las cargas:

- cargas negativas frente a frente se repelen

- cargas positivas frente a frente se repelen

- carga positiva frente a carga negativa se atraen

- un electrón con un neutrón no generan ninguna fuerza

- un protón con un neutrón no generan ninguna fuerza

Acordarse que el neutrón es "neutro", no tiene carga.

Conclusión:

Cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen

I Corriente eléctrica.

Lo que conocemos como corriente eléctrica no es otra cosa que la circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM).

Quizás hayamos oído hablar o leído en algún texto que el sentido convencional de circulación de la corriente eléctrica por un circuito es a la inversa, o sea, del polo positivo al negativo de la fuente de FEM. Ese planteamiento tiene su origen en razones históricas y no a cuestiones de la física y se debió a que en la época en que se formuló la teoría que trataba de explicar cómo fluía la corriente eléctrica por los metales, los físicos desconocían la existencia de los electrones o cargas negativas. Al descubrirse los electrones como parte integrante de los átomos y principal componente de las cargas eléctricas, se descubrió también que las cargas eléctricas que proporciona una fuente de FEM (Fuerza Electromotriz), se mueven del signo negativo (–) hacia el positivo (+), de acuerdo con la ley física de que "cargas distintas se atraen y cargas iguales se rechazan". Debido al desconocimiento en aquellos momentos de la existencia de los electrones, la comunidad científica acordó que, convencionalmente, la corriente eléctrica se movía del polo positivo al negativo, de la misma forma que hubieran podido acordar lo contrario, como realmente ocurre. No obstante en la práctica, ese “error histórico” no influye para nada en lo que al estudio de la corriente eléctrica se refiere.

II Resistencia eléctrica.

Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.

Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma más o menos organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa resistencia, mayor será el orden existente en el micromundo de los electrones; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor. Esa situación hace que siempre se eleve algo la temperatura del conductor y que, además, adquiera valores más altos en el punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso.

III Materiales aislantes.

Aislantes.

Se denomina aislante eléctrico al materia con escasa conductividad eléctrica. El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y de conducción que dificultan la existencia de electrones libres capases de conducir la electricidad atravez del material, el aislante es el que posee mas de 4 electrones en su ultima capa de valencia.

Tipos y características.

Aislantes sólidos: Un buen aislante entre vueltas de las bobinas de transformadores es el cartón prensado, el cual da forma a estructuras de aislamiento rígidas. En los sistemas de aislamiento de transformadores destacan las cintas sintéticas, que se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados.

Aislantes Líquidos: Los fluidos o líquidos dieléctricos cumplen la doble función de aislar los bobinados en los transformadores y disipar el calor al interior de estos equipos. El líquido dieléctrico más empleado es el aceite mineral. El problema es que es altamente inflamable. Fluidos dieléctricos sintéticos, (hidrocarburos) con alto punto de inflamación.

Aislantes Gaseosos: Los gases aislantes más utilizados en los transformadores son el aire y el nitrógeno, este último a presiones de 1 atmósfera. Estos transformadores son generalmente de construcción sellada. El aire y otros gases tienen elevadísima resistividad y están prácticamente exentos de pérdidas dieléctricas.

El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material (para más detalles ver semiconductor).

Los materiales aislantes son mejor conocidos como aquellos que tiene sus electrones de valencia relativamente fijos formando enlaces no conductores eléctricos.

Ejemplos: Oxigeno, azufre, diamante.

IV Materiales conductores.

Una propiedad común a prácticamente todos los materiales, es la de permitir, en algún grado, la conducción de la corriente eléctrica, pero así como algunos materiales son buenos conductores, otros son malos conductores de dicha corriente.

Desde este punto de vista, los materiales pueden clasificarse en conductores y no conductores.

Un material es conductor cuando puede desempeñar esa función en un circuito, independiente del valor de su conductividad.

Los conductores en general pueden clasificarse en: metálicos, electrolíticos y gaseosos.

En los conductores metálicos la conducción es electrónica, es decir, los portadores de cargas son electrones libres. Pertenecen a este grupo los metales y aleaciones. Se suele hablar en estos casos de conducción metálica.

En los conductores electrolíticos la conducción es iónica; pertenecen a este grupo los llamados electrolitos, es decir, los ácidos (bases o sales, disueltos o fundidos). Las moléculas de estas sustancias, cuando se disuelven o funden, de disocian total o parcialmente formando iones positivos o negativos, y estos iones son portadores de cargas. En estos casos, el paso de la corriente eléctrica corresponde a un desplazamiento de material, y viene acompañada de una reacción química.