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FÍSICA MODERNA


PRESENTACIÓN

INTRODUCCIÓN

PROPÓSITO

1. FÍSICA NUCLEAR

1.1 DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD NATURAL

1.1.1 Proceso histórico del descubrimiento de la radiactividad

1.1.2 Descubrimiento de Becquerel y sus contemporáneos

1.1.3 La radiactividad en la Naturaleza

2..1 MODELOS ATÓMICOS

2.1.1 Dalton

2.1.2 Thomson

2.1.3 Rutherford

2.1.4 Bohr

    1. EL NÚCLEO ATÓMICO
    2. 3.1.1 Modelo de Gota
    3. 3.1.2 Modelo de Capas
    4. 3.1.3 Propiedades de los núcleos
    5. 3.1.4 Quark (Modelo de la estructura de los nucleones)
    1. FUERZAS NUCLEARES
    2. 4.1.1 Interacción débil
    3. 4.1.2 Interacción fuerte
    1. REACCIONES NUCLEARES
    2. 5.1.1 Transmutaciones (reacciones nucleares)
    3. 5.1.2 Fisión nuclear
    4. 5.1.3 Fusión nuclear
    5. 5.1.4 Estrellas (sol)
  1. APLICACIONES

6.1.1 Reactores

6.1.2 Nucleosíntesis

6.1.3 Origen del Universo

RECAPITULACIÓN

ACTIVIDADES DE CONSOLIDACIÓN

AUTOEVALUACIÓN

GLOSARIO

BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA

El Colegio de Bachilleres, en apoyo a su programa “Actualización y Homogeneización delos Programas del Plan de Estudios”, preparó el presente fascículo: FÍSICA NUCLEAR, el cual constituye el último de una serie de cuatro que conforman la asignatura deFÍSICA MODERNA II.

En su contenido se utilizan diversos elementos de manera que te facilitan el aprendizaje y la construcción del conocimiento para que, al finalizar su estudio puedas aplicar lo aprendido en las diferentes actividades de tu vida diaria. Estos elementos son:

La rama de la física que se encarga del estudio de la Física Nuclear, es la Física Moderna.

Para comprender los procesos nucleares y estar en condiciones de predecir su evolución, es fundamental que conozcamos las fuerzas que actúan entre las partículas nucleares.

Si bien la teoría electromagnética permitió dar una explicación bastante satisfactoria de la estructura electrónica del átomo; fue necesario modificarla para aplicarla a la física atómica, lo cual se hizo mediante la introducción de las teorías cuánticas, y de la introducción de la teoría de la relatividad restringida.

Para entender la energía nuclear, es necesario primero conocer la serie de acontecimientos que se sucedieron y que dieron lugar al estudio del núcleo atómico.

El descubrimiento de la radiación nuclear tuvo lugar gracias al empeño y persistencia de científicos que, buscaron la explicación del origen de “ciertas radiaciones” hasta entonces para ellos desconocidas.

En 1895 mientras Röentgen trabajaba en su laboratorio haciendo pasar la descarga de una bobina de Ruhmkorff grande a través de un tubo de Hittorf con suficiente vacío, observó en la pantalla sus huesos al poner su mano frente al tubo!… “había descubierto una nueva clase de rayos”1. Cuando el 28 de diciembre de 1895 envió un informe preliminar a la Sociedad Físico-Médica de Würzburg Alemania, causó gran revuelo en la comunidad científica y en enero de 1896 ya había sido distribuido.

1 Emilio Segré. De los Rayos X a los Quarks. Folios Editores.

Antes de comenzar a leer este fascículo, te sugerimos consideres las siguientes preguntas, ya que con base en ellas podrás organizar tu estudio.

¿Qué voy a aprender? Que la Física Nuclear es una rama de la Física Moderna, la cual se encarga del estudio de la estructura del núcleo atómico. También se comprenderá que existen dos distintos tipos de fuerzas nucleares; y que la teoría que explica la formación de las estrellas y el universo, utiliza la fusión termonuclear.

¿Cómo lo voy a lograr? Mediante el estudio de las teorías que existen para comprender la estructura del núcleo atómico como son los modelos de la gota, capas y los quark; así como las que se utilizan para explicar las fuerzas nucleares: de Interacción débil e Interacción fuerte.

¿Para qué me va a servir? Para explicar el proceso de las reacciones nucleares y comprender la generación de energía en los reactores nucleares y aplicarlo en el análisis de la formación de las estrellas cuyo caso particular es nuestro sol.

1.1 DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD NATURAL

1.1.1 PROCESO HISTÓRICO

En la época de la antigua Grecia se conjeturó que toda la materia estaba compuesta por partículas diminutas, que en circunstancias normales no podían dividirse en nada más pequeño.

Sin embargo, la teoría atómica no recibió un fundamento sólido hasta 1828, cuando el químico inglés John Dalton publicó su libro en el que estudiaba a los átomos con detalle. Para Dalton la diferencia principal entre los diferentes átomos reside en su peso o masa2. Después el químico sueco J. Jakob Berzelius continuó la labor de Dalton.

Las leyes de la Física, y los fenómenos que ésta describe, se clasifican por lo común en dos categorías:

− La Física Clásica. − La Física Moderna.

La Física Clásica estudia los fenómenos de la naturaleza en los que son válidas las leyes de Newton, en una escala macroscópica.

La Física Moderna explica los procesos de la naturaleza que salen del alcance de la física clásica (dentro de la microescala y macroescala); contiene una constante que explica el espectro de frecuencia de radiación de un cuerpo caliente, y que es fundamental, dicha constante fue descubierta por Max Planck en 1900. También trata de dar una explicación de la estructura interna del átomo y de la formación del universo. En el límite de la física moderna cuando la constante h de Planck = 0 se está dentro del estudio de la física clásica.

Planck propuso que los osciladores pueden emitir luz sólo en unidades de energía E = hf, donde f es la frecuencia de oscilación y h es lo que se conoce como constante de Planck.

La Física moderna hace uso de la naturaleza ondulatoria de la materia, la cual fue descubierta en 1927 por Louis de Broglie, y de las reglas y formalismos matemáticos que se utilizan para describir la naturaleza ondulatoria de la materia, se le denomina en conjunto Mecánica Cuántica.

Cuando se estudia el átomo se le considera compuesto por un núcleo central rodeado por una estructura compleja de electrones. El estudio de esta estructura corresponde ala física atómica.

2 El término correcto es masa y no peso.

La Física nuclear. Es la parte de Física Teórica, experimental y aplicada que estudia las propiedades de los núcleos atómicos y de las partículas elementales.

Es imposible que se comprendan los átomos, moléculas, partículas elementales, física nuclear, astrofísica, etcétera, sin que se comprenda la naturaleza ondulatoria de la materia.

En los fascículos anteriores estudiaste el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y pudiste comprender por qué la luz puede presentar al mismo tiempo propiedades tanto de onda como de partícula.

El descubrimiento de la radiactividad y de los elementos radiactivos naturales dió inicio a una serie de descubrimientos y marcó el inicio de una serie de comportamientos de los hombres de ciencia respecto al uso de la energía nuclear.

Actualmente sabemos que todos estamos expuestos a las radiaciones naturales y que principalmente son de tres tipos:

1) Las que provienen de la desintegración de isótopos radiactivos de la corteza terrestre, que depende del tipo de rocas que existan en el lugar, las cuales están constituidas principalmente por basalto y granito. En la corteza terrestre, las rocas de granito contienen una concentración de uranio que varía de 2 a 6 partes por millón (ppm) y una concentración de torio de tres a cinco veces mayor el uranio.

2) Otra segunda clase de radiación es la radiación cósmica que proviene del espacio exterior.

3) La de los isótopos radiactivos que forman parte de los seres vivos (también llamada radiación interna) la cual proviene de las sustancias radiactivas presentes en los alimentos, en el agua y en el aire, que al ser ingeridas o inhaladas se absorben en los tejidos vivos. Los principales isótopos radiactivos que contiene el cuerpo humano son el potasio -40, el carbono -14, el tritio, y cantidades menores de algunos elementos pesados como plomo, radio y uranio.

¿Cómo llegó el científico al descubrimiento de la radiactividad?

A continuación se presentan los hechos más sobresalientes que dieron lugar a este importante descubrimiento.

En 1789 el científico alemán Martín Heinrich Klaproth descubrió el elemento uranio al separarlo del mineral pechblenda, Klaproth estaba impresionado por el descubrimiento del planeta uranio y fue por lo que bautizó al elemento con el nombre de uranio. El uranio es mucho más abundante en la naturaleza que otros elementos comunes, se encuentra en una proporción 40 veces mayor que la plata y 800 veces más que el oro.

En 1818 el químico sueco Joens Jacob Berzelius descubrió el torio, al separarlo de la “torita” (así se le conoce actualmente al mineral con alto contenido de torio).

Los dos científicos anteriores jamás se imaginaron que de esos elementos (uranio y torio) emanaran radiaciones y que tendrían tanta importancia en el desarrollo del conocimiento científico.

En 1895 el físico alemán Wilhelm Konrad Röentgen (primer Nobel de Física en 1901 por su descubrimiento de los rayos X), mientras investigaba la luz ultravioleta, usando como fuente tubos de descarga eléctrica y el cianuro plantínico de bario: (BaPt(Cn)4), (el cual presenta el fenómeno de la fluorescencia cuando se expone a la radiación ultravioleta), a cierta distancia del tubo había una hoja de papel, utilizada como pantalla, la cual estaba tratada con el cianuro plantínico de bario, notó que aún cuando la fuente se encontraba a alguna distancia de la pantalla con el BaPt(Cn)4, la fluorescencia de la pantalla se mantenía. Cuando giró la pantalla de manera que la cara sin cianuro plantínico de bario quedara frente al tubo de rayos, observó que la fluorescencia persistía; después, al colocar varios objetos entre el tubo y la pantalla, todos parecían transparentes. Al colocar sus manos frente al tubo pudo ver sus huesos. Lo mismo ocurría envolviendo la fuente en papel negro (el cual detiene la luz ultravioleta), Röentgen dedujo que la explicación a este extraño comportamiento debería estar en “algo” diferente a la luz ultravioleta. Había descubierto una nueva clase de rayos. A dicha radiación les dio el nombre de rayos X.

En su descubrimiento Röentgen encontró que:

  1. La fluorescencia se presentaba en otras sustancias de naturaleza totalmente diferente.
  2. Que los rayos atravesaban unos materiales y otros no.
  3. Que los rayos de las fluorescencias velaban las placas fotográficas.
  4. Que permitían “fotografiar” objetos ocultos, como los huesos de la mano.

1.1.2 DESCUBRIMIENTO DE BECQUEREL Y SUS CONTEMPORÁNEOS

En 1896, un año después del descubrimiento de Röentgen y 107 años después del descubrimiento de Klaproth, un científico, hijo y nieto de dos científicos notables, que se distinguieron por sus investigaciones en los campos de física y la química, descubrió que el elemento Uranio emanaba radiaciones.

¿Te interesaría saber quién fue este científico y cómo llegó a su descubrimiento?

Antoine Henry Becquerel (1852-1908) fue quien en 1896 encontró la existencia de unos rayos hasta entonces desconocidos, cuando examinaba la capacidad de fluorescencia de minerales, descubrió que si una placa fotográfica bien protegida se colocaba en contacto con un mineral que contuviera uranio, aparecían halos en las placas cuando eran reveladas. También descubrió que había cierto compuesto, el sulfato de uranilo potásico, que resplandecía al ser expuesto a la luz solar, y Becquerel se preguntó si este resplandor no contendría rayos X. Además también observó que al poner en contacto el compuesto de uranio con una placa fotográfica envuelta en papel negro, se producía el mismo efecto que si la placa estuviera en presencia de los rayos X. La radiación fue detectada porque, al igual que la luz, era capaz de velar una placa fotográfica cuando la placa se encontraba protegida de la luz (envuelta en papel negro).

¿Qué producía esas radiaciones?

Becquerel se dio cuenta que las radiaciones no eran originadas por una reacción química, y que al aumentar la concentración de uranio en el compuesto químico se velaba más rápidamente la placa fotográfica.

También descubrió que el efecto producido no dependía de los otros elementos presentes en las sales de uranio: atribuyó el fenómeno de las radiaciones, a la emanación de partículas subatómicas, que podían pasar a través del papel de envoltura.

Se dió a la tarea de repetir el experimento, pensando que en la oscuridad nada pasaría, ya que sabía que el sulfato de uranilo potásico sólo resplandece cuando sobre él incide luz ultravioleta, y que cuando no la recibe, la fluorescencia desaparece en aproximadamente 1/100 s. transcurridos cuatro días sacó las placas y se sorprendió cuando descubrió que:

  1. Las placas mostraban manchas que eran más negras que las que antes había observado.
  2. Los cristales del compuesto seguían emitiendo sus rayos en ausencia de luz.
  3. El poder de los rayos penetrantes no parecía disminuir con el tiempo.

Usó para sus experimentos diferentes sustancias, encontrando que siempre que la sustancia utilizada contuviera Uranio, sin importar que fuera o no fluorescente, o expuesta a la luz o la oscuridad, los rayos se seguían emitiendo.

Cuando utilizó en sus experimentos Uranio puro, descubrió que los rayos eran más potentes y penetrantes que los rayos de Röentgen.

Hasta entonces el uranio no había tenido mucho interés para los químicos y carecía de usos concretos. Sin embargo, cuando los químicos aprendieron a determinar los pesos atómicos de los elementos, comprobaron que el uranio era el que tenía el peso atómico más alto: 238.

Cuando Becquerel publicó los resultados de sus investigaciones sobre los rayos provenientes del uranio, la física polaca (luego francesa) Marie Sklodowska Curie se puso a investigar el nuevo fenómeno. Madame Curie pensó que ese tema lo podría utilizar para desarrollar su tesis doctoral con lo que culminó sus estudios en la Universidad, y descubrió en 1898 que la fuente de la radiación era el átomo de uranio y que cualquier compuesto que contuviera átomos de uranio emitiría estos rayos penetrantes.

ƒ Madame Curie dio el nombre de

RADIACTIVIDAD a este fenómeno de emitir

continuamente rayos.

ƒ El uranio fue el primer elemento que se descubrió que era radiactivo.

Desde el momento en que se descubrió que el uranio era una fuente aparentemente inagotable de radiación, cobró un interés que no ha disminuido hasta nuestros días.

En 1898 Marie Sklodowska Curie (1867-1934) y su esposo Pierre Curie (1859-1906) identificaron dos nuevos elementos, el polonio (Po) y el radio (Ra), que continuamente emitían partículas sub-atómicas. (ambos esposos compartieron con Antoine Henri Becquerel el Premio Novel de Física en 1903, por su descubrimiento e investigaciones sobre la radiactividad y fenómenos de radiaciones).

¿Cómo llegaron al descubrimiento de estos dos elementos?

Cuando los esposos Pierre y Madame Curie estudiaban un mineral de uranio llamado “plechblenda”, se dieron cuenta que las radiaciones emitidas por este mineral eran más intensas que las observadas en el uranio puro. Fue así que comenzaron a separar por procesos químicos todos los elementos, llegando a un producto (aproximadamente en 1898) cuyas radicaciones era cientos de veces mayor que las que emitía el uranio, llamándolo polonio (en honor de la patria de Marie). Sin embargo, una vez separado el polonio, los residuos del mineral seguían emitiendo radiaciones, por lo que continuaron separando de estos residuos el material que no desprendía radiaciones de aquellas que lo hacían, descubriendo otro elemento causante de las radiaciones al que llamaron radio. Encontraron que el radio emitía ¡cientos de veces más radiaciones que el uranio puro!

Los esposos Curie descubrieron que la muestra resplandeciente de radio obtenida se mantenía a una temperatura mayor que la que existía en el medio ambiente del laboratorio. No comprendían el origen de las radiaciones emitidas por el radio, el polonio y el uranio, ni la razón por la cual la muestra de radio se encontraba a mayor temperatura que la del recinto en el que trabajaban. Los científicos de la época tampóco podían comprender el por qué de las radiaciones y el aumento de la temperatura.

¿Qué era esa misteriosa radiación emitida por el Uranio y el Torio, y los demás elementos que después se descubrieron?

Becquerel (y otros científicos) descubrieron en 1899 que en presencia de un imán, parte de la radicación se desviaba en una dirección determinada, otra parte se desviaba en dirección contraria, y una tercera parte no sufría desviación alguna, siguiendo una línea recta. La conclusión a la que llegaron fue:

Las desviaciones que sufrían las radiaciones del uranio y el torio se deben a que una porción de las radiaciones porta carga eléctrica positiva; otra porta carga negativa; y la tercera no porta carga alguna.

Ernest Rutherford, físico nacido en Nueva Zelanda fue quien, utilizando las dos primeras letras del alfabeto griego, les dio la siguiente denominación:

A la 1ª. Clase de radiación, rayos α (átomos de helio y por cierto con dos cargas positivas).
A la 2ª. rayos β (partículas con carga eléctrica negativa idéntica a los electrones).

– Más tarde se les llamó rayos γ a las terceras (de naturaleza ondulatoria, sin carga eléctrica alguna, que viajan a la velocidad de la luz y penetran la materia de una manera muy parecida a los rayos X).

  1. ¿Qué tipo de investigaciones realizaban Antoine Henry Becquerel, cuando descubrió la radiactividad?
  2. ¿Cuáles fueron los materiales con los que trabajo Becquerel?
  3. ¿A qué atribuyó Becquerel, la producción de las radiaciones?
  4. ¿Cuál fue el primer elemento que se descubrió que era radiactivo?
  5. Completa lo que falta en la siguiente proposición:

Fue __________ ________________ quien dio el nombre de ________________

____________________ al fenómeno de emitir continuamente rayos.

  1. ¿A qué se deben las radiaciones que sufren el uranio y el torio?
    1. a) ¿Qué son las partículas α? _________________________________________ ¿Cuáles son sus características? ____________________________________ b) ¿Qué son las partículas β? ________________________________________ ¿Cuáles son sus características? ___________________________________ ______________________________________________________________
    2. c) ¿Qué son las partículas γ? _________________________________________ ¿Cuáles son sus características? ____________________________________
  2. ¿Cuáles fueron los otros dos elementos radiactivos que en 1898 los esposos Cuerie descubrieron?

1.1.3 LA RADIACTIVIDAD EN LA NATURALEZA

La naturaleza es una fuente inmensa de radiactividad, ya que existe un gran número de radisótopos, algunos de ellos tienen una vida media tan grande como la vida misma de la tierra, mientras que para otros su vida media es muy corta.

En tu curso de Química aprendiste que los átomos pertenecen a un mismo elemento con el mismo número de carga nuclear (número atómico), pero diferente número de masa o peso atómico (número de nucleones), reciben el nombre de isótopos. Los isótopos sólo se distinguen en el peso, las propiedades químicas son las mismas y ocupan el mismo lugar del sistema periódico.

Los isótopos pueden ser estables e inestables (radiactivos), pudiendo ser los inestables tanto de origen natural como artificial.

Vida Media: Todo material radiactivo emite radiación hasta que todos los átomos inestables han decaído; donde la vida media T1/2 de un isótopo radiactivo es el intervalo de tiempo en el cual decaerán la mitad de los núcleos inestables. El número de núcleos inestables que decaen o se desintegran en la unida de tiempo en una muestra de material radiactivo, se puede predecir haciendo uso de la probabilidad, se le acostumbra designar como actividad R.

Si N es el número de núcleos presente en la muestra que no han decaído y t es el tiempo, entonces:

∆n

R(s-1) = – ∆t

El signo menos aparece debido a que N decrece con el tiempo. Las unidades de R son desintegraciones por segundo.

Como la actividad en desintegraciones por segundo resulta demasiado grande, se acostumbra emplear el curie (Ci) y sus submúltiplos como unidades más convenientes, donde:

1 curie (Ci) = 3.70 x 1010 desintegraciones/s 1 milicurie (mc) = 10-3 curie = 3.70 x 107 desintegraciones/s 1 microcurie (µc) = 10-6 curie = 3.70 x 104 desintegraciones/s

el representar en una gráfica el decaimiento radiactivo de la actividad de un radioisótopo, colocando en el eje vertical el número de núcleos y en el horizontal el tiempo, se observa que es una curva exponencial donde la actividad R disminuye exponencialmente con el tiempo. Ver la figura .

Si deseamos saber cuántos núcleos quedan presentes de una muestra radioactiva después de un tiempo t, procedemos de la siguiente manera:

Sea N0 el número de núcleos inestables en el tiempo t = 0, después de que hayan transcurrido n vidas medias quedará una cantidad N de núcleos dada por:

N = N0(1/2)n

pero como n es el número de vidas medias en el tiempo t, entonces t

n = (

T1 )

2

por lo que:

t

(T1 )

1

2

N = N0( )

2

Esta ecuación nos está dando el número N de núcleos no

FALTA LA HOJA 23 DEL ORIGINAL

SOLUCIÓN: a) datos t= 73,200 años T1/2 = 24,400 años N0 = 1.64 x 1020 núcleos

1t

fórmula: N = N0 ( )n, donde: n =

2 (T1 )

2

N = t / (T1/2) = (73,200 años/24,400 años) = 3

t

2

N = N0(1)T1 = 1.64 x 1020 (1)3

22

= 1.64 x 1020 ( 1) = 2.05 x 1019 núcleos

8 b) 11

R = R0 (2 )3 = 4 mc ( 8 ) = 0.5 mc Ahora resuelve el siguiente problema:

Se te dice que la muestra radioactiva de un elemento tiene una vida media de 35,000 años, con una actividad inicial de la muestra de 2.0 x 1025 núcleos y R0 = 5 mc

a) ¿Cuántos núcleos quedan después de 50,000 años?

b) ¿Cuál será la actividad? Solución: a) Datos: _______________________________________________________ Fórmula: _______________________________________________________________ Sustitución: ____________________________________________________________

Resultado: _____________________________________________________________

Solución b): Fórmula: ____________________________________________________ Sustitución: ____________________________________________________________

Resultado: _____________________________________________________________

A continuación se presenta la gráfica del comportamiento del decaimiento radiactivo en función del tiempo.

Ahora bien, ¿a qué se debe la presencia de radiosótopos en la tierra? Su presencia se atribuye a la radiación cósmica proveniente del Universo.

Te preguntarás ¿qué es la radiación cósmica?:

La radiación cósmica es la que se origina en el espacio exterior; está constituida por protones y partículas alfa de energía muy elevada.

¿Y cómo se realiza el proceso anterior?

Dicho proceso se realiza aproximadamente de la siguiente manera:

Cuando las partículas pasan a través de la atmósfera interactúan con los elementos que se encuentran presentes en ella, resultando de la interacción: radiación gamma, electrones, neutrones, mesones y otras partículas energéticas que se les conoce como radiación cósmica secundaria.

En la figura anterior se muestran los efectos de la radiación cósmica al chocar con los elementos de la atmósfera.

Propiedades de la radiación cósmica:

  1. La radiación cósmica tiene la propiedad de que cuanto mayor es la altura mayor es la incidencia de los rayos cósmicos.
  2. La intensidad de la radiación aumenta con la altitud y disminuye al nivel del mar.
  3. En las minas profundas, la intensidad de la radiación cósmica disminuye considerablemente.
  1. ¿Qué es un isótopo? __________________________________________________
  2. ¿Qué es un isótopo radiactivo? __________________________________________
  3. ¿Dónde se origina la radiación cósmica? ___________________________________
  4. ¿Cuáles son las propiedades de la radiación cósmica? ________________________
  5. ¿Cuáles son los constituyentes de la radiación cósmica del espacio exterior?

    2.1 MODELOS ATÓMICOS

    Los modelos del átomo.

    Los fenómenos de la naturaleza que deseamos interpretar, no son tan fáciles de reproducir en un laboratorio. Lo mismo sucede con una teoría que explique el comportamiento de los fenómenos de la naturaleza.

    Para explicarse muchos de los fenómenos de la naturaleza el hombre de ciencia utiliza los modelos.

    Los modelos físicos es una manera simplificada de “ver” un sistema complejo para obtener una percepción interna de sus propiedades. La utilidad de un modelo queda probada si es capaz de hacer predicciones que puedan comprobarse experimentalmente en el laboratorio.

    Para entender la estructura del átomo los físicos han empleado los modelos. Desde la antigüedad, Empédocles (490? – 430? a.n.e.), Demócrito ((460?-370? a.n.e.), sustentaron teorías atomísticas en las que consideraban que “la infinita variedad de sustancias conocidas podía explicarse si se admitía que la materia estaba compuesta de diminutas partículas indivisibles e indestructibles, a las cuales denominaban átomos”.

    El desarrollo de una teoría atómica científica comienza en 1803 con los trabajos del científico inglés Juan Dalton (1766-1844).

    2.1.1 DALTON

    Sostuvo la hipótesis de “la existencia de las pequeñas partículas indestructibles e indivisibles”, pero fue mucho más allá que sus antecesores al asignarle al átomo propiedades específicas, su teoría fue capaz de explicar y correlacionar los resultados de los experimentos prácticos, y conducir a predicciones sobre los alcances de nuevas investigaciones. Aunque algunas de sus afirmaciones han sido desechadas por erróneas, el concepto fundamental que introdujo ha resistido los embates de las pruebas experimentales y constituye la base de muchas investigaciones físico-químicas modernas.

    En 1894 G. Johnstone Stoney propuso la denominación de electrón a los “corpúsculos” que se emitían del cátodo de un tubo de alto vacío (tubo de rayos catódicos), que golpeaban la pared del lado opuesto haciéndola luminosa, y se creía que las responsables de las emisiones luminosas que se producían en los tubos eran cargas eléctricas que se movían dentro del átomo.

    2.1.2 THOMSON

    Fue el físico inglés Joseph John Thomson (1856-1940) quien en 1910, propuso un modelo del átomo como una esfera con carga positiva, distribuida en el volumen del átomo de aproximadamente 0.000 000 01 cm, (1×10-8. Thomson supuso que partículas con carga negativa, los electrones, estaban dispersos de manera ordenada en alguna forma en esta esfera, como las pasas en un pastel. Este fue el primer modelo del átomo. Con su modelo Thomson llegó a cuantificar la relación entre la carga y la masa de los electrones libres. Al modelo de Thomson se le conoce como el modelo del pastel de pasas.

    2.1.3 RUTHERFORD

    Tiempo después, en 1919, Rutherford propuso su modelo el cual tenía un núcleo muy pequeño y muy denso, cargado positivamente, rodeado de electrones cargados negativamente en movimiento alrededor del núcleo. Se le denomina “modelo del sistema planetario”.

    Fallas del modelo atómico de Rutherford:

    a) Al girar continuamente alrededor del núcleo, lo electrones irradiarían energía, de

    tal manera que poco a poco la irían perdiendo hasta ser atraídos por el núcleo.

    Pero lo anterior no sucede.

    b) Al estar los electrones emitiendo continuamente energía, llega un momento en que

    formarían parte del núcleo. Lo cual tampoco es cierto porque los átomos no tienen

    espectros continuos.

    Actualmente aceptamos que el átomo está formado de un núcleo rodeado de varios electrones; el número de ellos puede llegar a sobrepasar los cien. Es decir que:

    − Casi toda la masa del átomo está concentrada en su núcleo, en el centro.

    − El núcleo tiene carga eléctrica positiva, y los electrones negativa.

    − Los núcleos están formados por protones y neutrones.

    − Los protones tienen carga eléctrica positiva.

    − El número de protones (z) en un núcleo determina de qué elemento químico se trata.

    − Los neutrones (N) no tienen carga eléctrica; su presencia en los núcleos, en número N, contribuye a la masa nuclear.

    − Protones y neutrones se llaman genéricamente nucleones.

    El descubrimiento del electrón había demostrado que al menos algunas partículas sí podían ser más pequeñas que cualquier átomo, y las investigaciones sobre la radiactividad habían demostrado que los átomos de uranio y torio se desintegraban espontáneamente en partículas más pequeñas, entre ellas electrones y partículas alfa. Por lo tanto el átomo tenía una estructura.

    Puesto que los átomos radiactivos emitían, o partículas de carga positiva o partículas de carga negativa, parecía lógico suponer que los átomos estaban compuestos por ambos tipos de electricidad. Además como los átomos en la materia no poseían en general ninguna carga, el átomo neutro normal tenía que consistir en cantidades iguales de carga positiva y carga negativa.

    También se había comprobado que los átomos radiactivos como los de uranio y de torio emitían partículas alfa de carga positiva. Pero en cambio podía hacerse que muchos átomos no radiactivos emitieran electrones.

    Bajo la teoría de Thomson, el número de electrones dependería de la magnitud total de la carga positiva portada por el átomo. De acuerdo con lo anterior, si la carga fuese +5, tendría que haber 5 electrones para compensarla, siendo entonces la carga total cero, y el átomo sería eléctricamente neutro. Si en esas condiciones se eliminara un electrón, la carga atómica +5 quedaría contrarrestada por sólo 4 electrones, es decir -4, y la carga neta del átomo sería +1.

    Por otra parte si se introdujera un electrón adicional al átomo, la carga +5 se opondría a -6, con lo cual la carga neta del átomo sería de -1.

    Los átomos eléctricamente cargados recibieron el nombre de IONES.

    En 1900 Becquerel estudió las partículas beta, encontrando que su masa y su carga eran idénticas a la del electrón (de hecho eran electrones), debido a que se desviaban en el mismo sentido y en la misma dirección que éstos.

    En 1906 Rutherford descubrió la naturaleza de las partículas alfa, encontrando que poseían carga positiva, ya que en presencia de campos magnéticos se desviaban en forma opuesta a la de los electrones, y que su carga era el doble de la carga negativa del electrón. También encontró que las partículas alfa tenían una masa mucho mayor que la del electrón, que la masa de las partículas alfa era como la de un átomo de helio (no obstante las partículas alfa son capaces de penetrar en la materia como no pueden hacerlos los átomos), y cuatro veces más que el hidrógeno. Hoy día sabemos que son núcleos de helio.

    Existe pues, un punto de convergencia de electrones y átomos: las partículas de la electricidad y de materia.

    2.1.4 BOHR

    En 1913 Niels Bohr (1885-1962), aplicó la teoría cuántica de Planck y de Einstein al átomo de hidrógeno y formuló un modelo planetario de átomo.

    Analizando los estados cuantizados de la energía del electrón, Bohr razonó que dichos estados debían corresponder a órbitas electrónicas de radios diferentes. Los diámetros de las órbitas de los electrones en dicho modelo son determinados por la cantidad de carga eléctrica que exista en el núcleo.

    Según Bohr, los electrones que se mueven en las órbitas más alejadas del núcleo se encontrarían en un estado de energía más elevado que el correspondiente a los que están en las más cercanas. Razonando de esta manera, Bohr infirió que la luz se emite cuando los electrones realizan una transición de una órbita más elevada hacia una más baja, cuya frecuencia de radiación emitida se expresa por la relación cuántica:

    Ei – Ef = hf, donde Ei – Ef es la diferencia en las energías del átomo cuando el electrón está en las diferentes órbitas.

    De manera audaz Bohr rompió con la Física clásica al afirmar que:

    − En el átomo, un electrón se mueve en una órbita circular alrededor del núcleo bajo la influencia de la atracción de Coulomb entre el electrón y el núcleo.

    − De la infinidad de órbitas que permiten la mecánica clásica, el electrón puede moverse sólo en las que el impulso angular L es un múltiplo entero de la constante de Planck, h, dividida entre 2π. Donde L = radio por masa por velocidad (L = r x m x v).

    − Aunque el electrón se encuentra constantemente sujeto a una aceleración, solamente se mueve en una órbita permitida sin radiar energía electromagnética, de tal manera que su energía E permanece constante.

    − Un electrón emite energía electromagnética cuando al moverse inicialmente en una órbita con energía total Ei, cambia discontinuamente su movimiento, y se mueve en una órbita de energía total Ef. la frecuencia de la radiación emitida es igual a las diferencias de energías (Ei – Ef)/h = f donde h es la constante de Planck.

    Es así como la cuantización de las energías de la luz emitida por un átomo corresponde a la cuantización de las energías electrónicas.

    1. 3.1 EL NÚCLEO ATÓMICO¿Qué es un modelo físico? ______________________________________________
    2. ¿Qué es un ión? ______________________________________________________
    3. ¿Cuál fue el modelo del átomo que propuso Joseph John Thomson?
    4. ¿Cuál fue el modelo de átomo que en 1919 propuso Rutherford?
    5. ¿Quién propuso la denominación de electrón a los “corpúsculos” que se emitían del cátodo del tubo de rayos catódicos?
    6. Describe el modelo atómico de Bohr ______________________________________
    7. ¿Cuáles fueron los postulados de Bohr que lo llevaron a romper con la Física clásica?

    Así como para el átomo existen varios modelos para explicar su estructura, también los hay para explicar la del núcleo atómico.

    Los más comunes son los siguientes:

    a) El de la partícula uniforme. b) El de la partícula independiente, o modelo de capas. c) El de la partícula alfa. d) El de la gota líquida.

    a) El modelo de la partícula uniforme fue propuesto por Wigner en 1937. Este modelo supone que por efecto de las enormes interacciones que se producen entre los nucleones, por fuerzas netamente nucleares, no hay manera de seguir detalladamente el movimiento de cada nucleón, por lo que debe tratarse estadísticamente.

    b) El modelo de capas. Es uno de los que en la actualidad es más aceptado. La hipótesis fundamental en que se basa es que cada nucleón se mueve independientemente de los restantes, y que cada nucleón se halla sometido a la acción de un campo nuclear medio, el cual es originado por todos los otros nucleones. Por ser uno de los modelos más aceptados, más adelante se explica más detalladamente.

    c) El modelo de la partícula alfa se basa en el supuesto de que cada partícula alfa forma subgrupos dentro del núcleo, de tal manera que no necesitan tener existencia permanente, sino que pueden realizar intercambios entre sí. Este modelo tiene utilidad limitada.

    d) El modelo de la gota (modelo colectivo) fue propuesto por primera vez por Niels Bohr en 1937. Este modelo es de utilidad ya que de manera satisfactoria explica las reacciones nucleares en las que se forma un núcleo compuesto y también estudia la escisión nuclear.

    − Cualquier núcleo atómico consiste fundamentalmente de protones y neutrones, los cuales se encuentran enlazados entre sí por la fuerza nuclear (o interacción fuerte).

    − Se acostumbra emplear la palabra nucleón para referirse tanto al protón como al neutrón, ello es debido a que ambos tienen casi la misma masa y propiedades muy similares y se encuentran en el núcleo del átomo.

    − Para un núcleo más grande que un nucleón, algunos científicos usan la palabra núclido.

    − Cuando los núclidos tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones se les llama isótopos.

    − Los núclidos pequeños, o de mediano tamaño tienen aproximadamente el mismo número de protones que de neutrones.

    3.1.1 MODELO DE LA GOTA

    Al modelo de la gota líquida también se conoce como modelo colectivo, porque trata al núcleo como una sola entidad, sin importarle los movimientos individuales de los nucleones. Fue desarrollado por Niels Bohr y T. Mottelson con el propósito de explicar la escisión nuclear.

    Este modelo considera que el núcleo se comporta de manera análoga a una gota líquida con una tensión superficial definida, que retiene los nucleones de la misma manera como una gota retiene sus moléculas. También hace la analogía de la desintegración de los núcleos por emisión de partículas con la evaporación de moléculas desde la superficie de un líquido.

    Este modelo, supone que así como la densidad es independiente del tamaño de una gota, supone lo mismo sucede para la materia nuclear. Al igual que una gota, un núcleo puede absorber energía. Si suponemos que la energía asociada a cada enlace nucleónnucleón tiene un valor U, la que es negativa por tratarse de fuerzas de atracción (por conveniencia se le considera positiva); donde el núcleo se encuentra girando alrededor de un eje, o bien vibrando con respecto a su forma de equilibrio.

    Muchos núcleos tienen formas de equilibrio esféricas, aunque algunos la tienen elíptica.

    Energía de enlace es la diferencia entre la masa-energía del núcleo y la de los protones y neutrones libres.

    Sea U la energía asociada a cada enlace nucleón-nucleón.

    Si suponemos que cada energía de enlace U está dividida entre dos nucleones, entonces cada uno tiene energía (1/2)U.

    Pensemos en un conjunto de N esferas del mismo tamaño unidas entre sí, que encerramos en una caja de volumen muy pequeño, como sucede en el caso de los neutrones en el núcleo, de manera que cada esfera está en contacto con las demás que la rodean, entonces de acuerdo con lo anterior, cada una de ellas tiene una energía de enlace de N(1/2)U.

    Pero si queremos hacer una esfera con esferas, el número mínimo empleado para que no queden huecos, es de 12.

    Para el caso de los nucleones, que suponemos que son esféricos tendríamos: Si tenemos A nucleones.

    Si N = 12 (el valor de N dependerá del elemento del que se trate). Entonces la energía de enlace total del núcleo estará dada por:

    Eu = 12 (1/2 U)A = 6 (AU)

    Haciendo 6U = a1, entonces Eu = a1A

    Donde Eu se le conoce como energía de volumen del núcleo.

    Eu es directamente proporcional a A. El número de nucleones va a depender del área del núcleo del elemento del que se trate.

    De hecho algunos nucleones están sobre la superficie del núcleo, de manera que tienen a su alrededor menos de 12.

    Como todo sistema natural tiende a (desarrollar configuraciones) un estado de mínima energía potencial; entonces los núcleos tienden a configuraciones de máxima energía de enlace. Por lo tanto, un núcleo presentará el mismo efecto de tensión superficial que una gota líquida y, en ausencia de fuerzas externas, su forma sería esférica ya que la esfera tiene el área superficial menor para un volumen dado.

    Si r es el radio del núcleo, entonces su área es:

    4πr2 = 4π(r0)2(A)2/3 ⇒ (r2) / (r0)2 = A2/3

    La última relación nos está diciendo que el número de nucleones con número de enlace superior al máximo es proporcional a A2/3, por lo que reduce la energía de enlace (por el exponente fraccionario de A), que al sustituir en la relación Eu = a1A nos resulta la relación Et = -a2A2/3. es negativa y más significativa en los núcleos más ligeros por tener éstos una cantidad mayor de nucleones sobre la superficie.

    La relación Et = -a2A2/3 nos representa la energía superficial del núcleo.

    La ecuación para los estados vibratorios de le energía está dada por:

    En = (n + ½) (h/2π) f = (n + ½) u n = 1, 2, 3,……; u es la frecuencia de vibración y h la constante de Planck.

    3.1.2 MODELO DE CAPAS

    a) Cada uno de los niveles de energía nucleónica, corresponde a una onda estacionaria u orbital con energía e impulso angular definidos. Es decir, que cada nucleón se mueve en una órbita bien definida dentro del núcleo, de manera que difícilmente chocan.

    b) El núcleo no tiene un centro de carga fijo.

    c) Cada nucleón se mueve en un potencial que está determinado por los movimientos de todos los demás nucleones.

    Lo anterior es cierto tanto para los niveles ocupados como para los niveles superiores o estados excitados.

    Además, los orbitales nucleónicos serían “estables” y tendrían una energía definida, sólo si la trayectoria libre media para un nucleón en la materia nuclear fuese mayor que el tamaño del núcleo.

    Donde la trayectoria libre media es el recorrido total desde donde parta hasta el punto final, sin importar que su recorrido lo haya hecho en zig-zag.

    Los nucleones (al igual que los electrones) obedecen el principio de exclusión de Paulin, el cual establece que en un mismo átomo no pueden existir dos electrones con el mismo número cuántico, es decir que dos nucleones no pueden ocupar el mismo estado al mismo tiempo.

    Para comprender este modelo, imaginemos que dos nucleones dentro del núcleo chocan, lo cual significa que la energía después del choque de cada uno de ellos, debe corresponder a la energía de un estado estacionario desocupado. ¡Pero si estos estados están ocupados, la colisión no puede ocurrir!

    3.1.3 PROPIEDADES DE LOS NÚCLEOS

    1. El rasgo más característico del núcleo atómico es su tamaño que se encuentra entre 20,000 y 200,000 veces menor que el propio átomo.
    2. El radio de un núcleo depende de su masa y ésta del número total A de protones y neutrones (que normalmente se denomina número másico).

    Representados por la ecuación empírica:

    r = r0 A1/3

    donde r0 es una constante empírica con valor aproximado de 1.2 x 10 – 15m.

    3. El volumen de un núcleo es proporcional a A (la masa total) y, por lo tanto la masa por unidades de volumen, A/r3, es igual para todos los núcleos.

    3 Ver exmplicación en el apéndice 33

    4 Otras dos propiedades importantes son el momento angular y el momento magnético3.

    Igual que los electrones en el átomo las partículas del núcleo también están en movimiento, y como la carga que constituye una corriente, hay también un momento magnético.

    Como resultado de que las partículas del núcleo están en movimiento existe un momento angular asociado a este movimiento.

    Como resultado de que la carga circulante genera una corriente, hay un momento magnético.

    5 Para cualquier núcleo A = Z + N.

    A es denominado número másico, N es el número de neutrones y Z es el número de protones.

    6 Los núcleos de un elemento dado que tiene diferentes números másicos recibe el nombre de isótopos.

    7 La masa total de un núcleo es siempre menor que la masa total de cada una de sus partes constituyentes debido a la masa equivalente (E = mc2) de la energía potencial negativa asociada a la fuerza de atracción que mantiene al núcleo unido. Esta diferencia de masa se le conoce como defecto de masa.

    Determinación de la energía enlace:

    Le mejor forma de determinar la energía potencial (energía de enlace), es comparando la masa de un núcleo con las masas de sus constituyentes.

    Las masas del protón y del neutrón son:

    Mp = 1.673 x 10-27 Kg. Mn = 1.675 x 10-27 Kg.

    Ha resultado más conveniente definir una nueva unidad para la masa, denominada unidad de masa atómica u, donde se acostumbra designar como u a la unidad de masa atómica (algunos autores la escriben uma); de manera que: 1 u = 1.660566 x 10-27 Kg.

    Como 1/12 de la masa del carbono neutro, el cual tiene un número másico A = 12.

    Entonces las masas del protón, neutrón y electrón, expresadas en unidades atómicas, son:

    mp = 1.007276 u mn = 1.008665 u me = 0.000549 u

    Ejemplo: La relación E = mc2, nos proporciona la energía equivalente de 1 u: sustituyendo a m por 1 u. Lo que nos da: E = (1.660566 x 10-27 Kg) (2.998 x 108 m/s)2 = 1.492 x 10-10J = 931.5 MeV. En la siguiente tabla se muestra la notación que generalmente se utiliza para las partículas nucleares:

    Número Núm. Másico (# total de Núm. Atómico (# de Núm. De neutrones N
    partículas nucleares) protones)
    A Z = A – Z
    1H1 1 1 0
    1D2 2 1 1
    2He4 4 2 2
    2Li6 6 3 3
    2Li7 7 3 4
    4Be2 9 4 5
    5B10 10 5 5
    2B11 11 5 6
    6C12 12 6 6
    2C13 13 6 7
    7N14 14 7 7
    0O16 16 8 8
    111Na23 23 11 12
    29Cu65 65 29 36
    60Hg20o 200 80 120
    92U235 235 92 143
    92U238 238 92 146

    Tabla 1. Donde se representa la relación entre A, Z y N

    En la tabla anterior se utiliza el símbolo del elemento anteponiéndole un subíndice que representa el número atómico, el superíndice representa el número másico A = Z + N.

    Por lo tanto, recuerda que:

    Z: es el número de protones en el núcleo y se le conoce como número atómico.

    N: es el número de neutrones y se le conoce como número neutrónico.

    A: es el número másico, A = ( Z + N ) Ejemplo: ¿Cuál es el número másico del 92U235 si Z = 92 y N = 143? Solución:

    92U235

    Z = 92 y N = 143: de manera que Z + N = 92 + 143 = 235.

    UAUz+N

    Es decir z = z

    3.1.4 QUARK (MODELO DE LA ESTRUCTURA DE LOS NUCLEONES)

    ¿Serán el protón, el neutrón, el electrón y el fotón los elementos básicos? Es decir, ¿se habrá con ellos alcanzado el centro del átomo como las capas de una cebolla? La respuesta es que NO. ¿En qué nos basamos para hacer la anterior afirmación? La razón es que:

    Existen otras partículas elementales, físicamente reales:

    Desde 1933 los físicos han descubierto más de 200 partículas elementales diferentes.

    La mayoría de estas partículas están constituidas por cuatro subpartículas básicas denominada QUARKS.

    La mayoría de dichas partículas son inestables, es decir, se transforman rápidamente en otras partículas elementales de menor masa. A dicho decaimiento se le denomina decaimiento beta, y se debe a la interacción débil. El decaimiento beta siempre afecta a los neutrones siendo estos partículas elementales que tienen fundamentalmente las siguientes propiedades:

    1) En reposo carece de carga y de masa, y viajan a la velocidad de la luz.
    2) La interacción entre un neutrino y cualquier otra cosa es tan débil que es casi despreciable.

    En 1930, para mantener la conservación de la energía, W. Pauli, propuso la existencia de una partícula neutra, ligera e independiente, a esta partícula Fermi le dio el nombre de neutrino.

    En 1958 los Físicos Teóricos propusieron una teoría la cual corresponde a la existencia de una interacción específica capaz de transformar partículas en electrones y neutrinos, -se le llamó interacción universal de fermi y fue desarrollada por R. Feynman y otros-, cuya evidencia como productos de decaimientos fue bastante evidente.

    Las partículas más ligeras que incluyen al electrón, se les dio el nombre de leptones. Estos carecen de estructura interna y no se componen de otras partículas más pequeñas.

    Los leptones solamente interactúan a través de la fuerza débil y electromagnéticas, pudiéndose dar casos en los procesos donde la fuerza mayor exceda a la fuerza débil, o a la electromagnética.

    Tanto los leptones como los neutrinos tienen antipartículas.

    Las partículas más pesadas, que incluyen al protón se les dio el nombre de berioenes. Son partículas que interactúan fuertemente.

    En medio de los leptones y bariones se encontraban las partículas llamadas mesones.

    Otra de las partículas son los mesones, los cuales se producen en las interacciones de fuerzas fuertes electromagnéticas y débiles. Éstos se desintegran en otros mesones o leptones.

    Existen otras partículas, pero su estudio y propiedades quedan fuera del estudio de este fascículo.

    4.1 FUERZAS NUCLEARES

    Antes del descubrimiento del neutrón sólo se conocían dos tipos de fuerzas o interacciones en el universo: la fuerza de interacción gravitacional y la fuerza de interacción electromagnética, pero después surgieron otras dos: la débil y la fuerte; veamos en qué consiste cada una de ellas.

    La interacción gravitacional.-Es siempre atractiva y aumenta con la masa.

    La interacción gravitatoria entre dos protones que apenas se toquen en su superficie, es de solamente unos 10-38 de la fuerza fuerte entre ellos.

    La diferencia principal entre la interacción gravitacional y las demás fuerzas, es que para la gravitatoria la escala es acumulativa y de un alcance infinito.

    Por ejemplo:

    Nuestro peso es el efecto acumulativo de la fuerza gravitatoria ejercida por cada átomo de la tierra sobre cada átomo de nuestro cuerpo.

    4.1.1 LA INTERACCIÓN DÉBIL

    la fuerza débil es la responsable de la desintegración nuclear y de otros procesos que involucran a las partículas fundamentales. No juega un papel principal en el enlace de los núcleos.

    − La fuerza débil entre dos protones es de alrededor de 10-7 de la fuerza fuerte entre ellos.

    − La fuerza débil es importante para entender el comportamiento de las partículas fundamentales, y es determinante para entender la evolución de:

    La fuerza electromagnética.-La interacción electromagnética puede ser atractiva (entre cargas eléctricas opuestas o entre polos magnéticos de signo contrario), o repulsivas (entre cargas eléctricas o polos magnéticos del mismo signo). El electromagnetismo es importante en la estructura y las interacciones de las partículas elementales.

    Las fuerzas electromagnéticas son de un alcance infinito, pero en los objetos ordinarios el blindaje disminuye su efecto, es por esto por lo que no se nota.

    Las propiedades entre los átomos y las moléculas se determinan mediante las fuerzas electromagnéticas.

    Muchas de las fuerzas macroscópicas comunes (fricción, resistencia del aire, arrastre, tensión, etcétera) se deben a la fuerza electromagnética.

    4.1.2 INTERACCIÓN FUERTE

    Fuerza de interacción fuerte.-Es la responsable del enlace entre los núcleos.

    La fuerza de interacción fuerte domina en todas las reacciones de desintegración de la mayoría de las partículas fundamentales.

    Por lo tanto, en el universo existen los siguientes tipos de fuerzas fundamentales; a saber:

    1) Fuerza Gravitacional.
    2) Fuerza de interacción débil.
    3) Fuerza electromagnética.
    4) Fuerza de interacción fuerte.

    5. REACCIONES NUCLEARES

    Si bien, la idea de utilizar la portentosa energía que se libera por la desintegración de los átomos no es nueva; no fue sino hasta el descubrimiento del isótopo U-235 del uranio cuando resultó factible aprovechar esa enorme fuente de energía.

    La explosión de la primera bomba atómica, a finales de la Segunda Guerra Mundial (1945), demostró que el hombre había logrado llegar hasta esa fuente de energía.

    Los físicos encontraron que al bombardear con neutrones el U-235, sus átomos se rompen en dos fragmentos por un proceso denominado fisión que consiste en la división de los núcleos de los átomos pesados.

    Además del proceso de fisión, hay otro mecanismo igualmente importante, que es el de fusión, que consiste en la unión de los núcleos de los átomos más ligeros, tales como el hidrógeno, deuterio y tritio.

    En ambos procesos la masa en reposo de los productos resultantes de la reacción es menor que la masa en reposo original.

    ¿En qué consisten estos procesos?

    Veámoslo:

    5.1.1 TRANSMUTACIONES (REACCIONES NUCLEARES)

    La primera reacción nuclear provocada por el hombre fue la transformación o transmutación de un elemento en otro.

    Hoy en día se puede transformar el mercurio en oro…ah!…, sólo que el costo de esa transmutación sería tan elevado que el proceso dejaría muy mal parado al “científico” que lo lleve a cabo.

    Cuando se estableció que las propiedades químicas de lo átomos dependen del comportamiento del núcleo, y se comprendieron los cambios y transformaciones que acompañan a la radiactividad, los científicos pensaron que se podía alterar deliberadamente el núcleo de un átomo estable, convirtiendo un elemento en otro distinto.

    Ernest Rutherfor, pensó que era posible que el núcleo de un átomo se alterara si se le bombardeaba con partículas alfa, y fue así que bombardeó diversos gases con partículas alfa, encontrando que en ocasiones unas partículas alfa se combinaban con un núcleo de nitrógeno que de inmediato emitía un protón que se transformaba en uno de los isótopos de oxígeno:14N( , p)17. Esta fue la primera vez que se produjo deliberadamente la transmutación de un elemento químico en otro.

    El Neutrón.

    Rutherford pensaba en la posibilidad de la existencia de una partícula neutra (de masa protónica), la concebía como un átomo de hidrógeno en el cual el electrón caía en el núcleo, neutralizando su carga. En 1928 Walther Bothe y H. Becker bombardearon berilio con partículas de polonio para confirmar las desintegraciones observadas por Rutherford; descubrieron una radiación penetrante que interpretaron como rayos gamma.

    Irene Curie (hija de Marie Curie) y su esposo Fraderic Joliot utilizando una muestra excepcionalmente poderosa de polonio se dieron a la tarea de estudiar la radiación exonerada por Bothe y el 18 de enero de 1932 publicaron su descubrimiento que consistía en que la radiación era capaz de expeler protones de una capa de parafina. Chadwick repitió los experimentos de Irene y Frederic utilizando como fuente polonio más berilio haciendo chocar la radiación emergente no sólo con hidrógeno sino también con helio y nitrógeno. Comparando los retrocesos comprobó que la radiación contenía un componente neutral cuya masa era aproximadamente igual a la del protón. La denominó neutrón y publicó el resultado el 17 de febrero de 1932.

    Actualmente se conoce un gran número de reacciones nucleares (entre ellas la captura de un neutrón4).

    El neutrón (símbolo n), es una partícula elemental, eléctricamente neutra, que junto con el protón constituye uno de los componentes del núcleo, su masa en reposo es: 1,675 x 10-24g. = 1,00898 unidades de masa atómica (uma) = 1.838,65 veces la masa del electrón, con espín de ½.

    ¿En qué consiste la captura de un neutrón?

    Los núcleos al capturar un neutrón forman primero un núcleo compuesto excitado, que por emisión de rayos gamma de muy alta energía, decae a un estado menos excitado. Dicha interacción se conoce con el nombre de: reacción nuclear ( n, ).

    4 recuerda que el núcleo está formado por protones y neutrones y que el neutrón tiene carga eléctrica nula. La masa del neutrón en reposo es 1.00136 veces la del protón, es inestable fuera de los núcleos.

    Rutherford y sus colegas utilizaron partículas alfa emanadas de una fuente radiactiva para bombardear láminas delgadas de metal, observaron que la mayoría de las partículas eran capaces de atravesar la lámina, aún cuando unas pocas se desviaban hasta 180º. Al describir el átomo, Rutherfor, en una conferencia, manifestó ideas tentativas sobre la posible existencia de una partícula neutra de masa similar a la del protón (término que acuñó para designar el núcleo de hidrógeno).

    En 1919, Rutherford pensó que era posible penetrar un núcleo con una partícula alfa, y obtener un núcleo con un número atómico y número másico mayores o inducir una desintegración nuclear artificial. Fue así que bombardeó nitrógeno con partículas alfa obteniendo la siguiente reacción:

    2He4 + 7N14 😯17 + 1H1

    donde la notación: 2XA se emplea para describir el número X es el elemento, en el caso:

    A = número total de neutrones y protones (número másico)

    El número másico = número de neutrones + número de protones

    Z = número atómico (número de protones).

    N = número de neutrones.

    De manera que A = Z + N

    En el ejemplo anterior observa que:

    La suma de los números atómicos iniciales = a la suma de los números atómicos finales.

    La anterior es una condición impuesta por la conservación de la carga.

    También se observa que la suma de los números ásicos iniciales es igual a la suma de los números másicos finales.

    Por la masa inicial en reposo NO es igual a la masa final5 en reposo. ¿Por qué? La razón es la siguiente:

    1. La diferencia entre las masas en reposo es igual a la energía de la reacción nuclear, de acuerdo con la relación E = mc2.
    2. Si la suma de las masas finales en reposo EXCEDE a la suma de las masas iniciales en reposo, entonces hay absorción de energía en la reacción.
    3. Inversamente, si la suma final es MENOR que la inicial, entonces se libera energía en forma de energía cinética de las partículas finales (lu = 931 MeV).

    Se le conoce como defecto de masa.

    4. Las masas en reposo de las distintas partículas, de nuestro ejemplo, antes y después de la reacción, en unidades internacionales de masa u (uma), son:

    antes después

    😯17 =

    2He44 = 4.00260 u (uma) 16.999913 u (uma)

    7N1414.00307u(uma) 1.00783u(uma)

    = 7H2 =

    18,00307u 18.0069u

    Como puedes notar en este caso, la masa total en reposo de los productos finales EXCEDE a la de las partículas iniciales en 0.00129 u, que equivale a 102 Megaelectrónvolts (MeV). Esta cantidad de energía es absorbida en la reacción.

    En la siguiente tabla se presentan las masas de algunos átomos, incluidos sus electrones.

    Datos atómicos.

    Elemento Número Número de Masa Número
    Atómico Neutrones Atómica Másico
    Z N u A
    Hidrógeno H1 1 0 1.00783 1
    Deuterio H2 1 1 2.01410 2
    Helio He3 2 1 3.01603 3
    Helio He4 2 2 4.00260 4
    Litio Li6 3 3 6.01513 6
    Litio Li7 3 4 7.01601 7
    Berilio Be8 4 4 8.00508 8
    Berilio Be9 4 5 9.01219 9
    Boro B10 5 5 10.01294 10
    Boro B11 5 6 11.00931 11
    Carbono C12 6 6 12.00000 12
    Carbono C13 6 7 13.00335 13
    Nitrógeno N14 7 7 14.00307 14
    Nitrógeno N15 7 8 15.00011 15
    Oxígeno O16 8 8 15.99491 16
    Oxígeno O17 8 9 16.99913 17
    Oxígeno O18 8 10 17.99916 18

    Tabla 2. Masa de algunos átomos comunes. La masa de los núcleos desnudos, se Obtiene restando Z multiplicado por la masa del electrón.

    43

    5.1.2 LA FISIÓN NUCLEAR

    En 1934 los científicos ya habían descubierto la radiactividad artificial, y su inquietud y asombro ante tales descubrimientos los llevó a que se pusieran a trabajar en producir nuevos núcleos en forma artificial.

    Para ubicarnos en el avance de la serie de descubrimientos, es necesario que someramente veamos cómo se fueron realizando.

    En Italia, Enrico Fermi; en Francia, los esposos Fréderic e Irene Joliot-Curie; en Alemania, Otto Hann y su tía Lise Meitner.

    Las primeras partículas para bombardear los núcleos atómicos fueron las partículas alfa, después el descubrimiento del neutrón abrió nuevas posibilidades por no tener carga, pues era el proyectil ideal para bombardear núcleos y producir reacciones nucleares debido a que presentaba la ventaja de poder dispararse hacia el núcleo cargado sin el temor de que fuera repelido por las cargas presentes.

    ¿Cuál es el proceso básico de la fisión nuclear?

    Después de que en 1932 James Chadwik descubrió el neutrón, unos cuantos años más tarde Enrico Fermi en Italia, descubrió que cuando se bombardean los elementos usando como proyectil neutrones, se producían nuevos elementos radiactivos.

    Fermi afirmaba que el neutrón por carecer de carga era un proyectil nuclear útil (al contrario del protón o de la partícula α, que no experimenta ninguna fuerza de Coulomb de repulsión cuando se acerca a una superficie nuclear).

    En 1939, los químicos alemanes Otto Hahn y Dritz Strassmann, encontraron mediante análisis químico y bombardeando uranio 235 con neutrones que:

    1) Después del bombardeo se presentaba un número de elementos radiactivos nuevos.

    2) Que entre los nuevos elementos existía uno que era el bario.

    ¿Cómo pudo producirse este nuevo elemento de masa (Z =56) al bombardear uranio (Z=92)? Se preguntaban.

    En el mismo año Lise Meitner y su sobrino Otto Frisch, encontraron que un núcleo de uranio, por haber absorbido un neutrón, podía dividirse en dos partes casi iguales, una de las cuales podía ser el bario y el otro el criptón.

    Al proceso le llamaron FISIÓN NUCLEAR.

    Se calcula que mediante el proceso de la fisión, 1 kg. de U-235 puede dar ¡dos millones de veces más energía que la obtenida al quemar un kilogramo de coque!

    Ahora bien, entonces ¿qué es la fisión nuclear? ________________________________

    La FISIÓN NUCLEAR.-es un proceso en el cual se realiza una reacción nuclear, la cual es provocada por un neutrón, o por un cuanto de radiación de gran energía, en la que de un núcleo pesado (de orden > 77) resultan dos fragmentos aproximadamente iguales y 2-3 neutrones. Si el número de orden es superior a 90, entonces puede tener lugar la fisión nuclear espontánea del tipo de la desintegración radiactiva.

    La aparición de 2-3 neutrones de fisión, frente al único que se necesitó para iniciar la reacción permite que tenga lugar una reacción en cadena.

    ¿En qué consiste la reacción en cadena? No es más que una serie de reacciones de fisiones de núcleos atómicos que se nutre a sí misma, debido a que los neutrones de fisión producen, a su vez nuevas fisiones.

    La reacción en cadena se usa en los reactores nucleares para producir energía eléctrica y en las armas nucleares.

    La fisión del uranio puede realizarse por neutrones rápidos o lentos.

    , 92U235

    Los dos isótopos más abundantes del uranio, 92U238 , pueden escindirse por un neutrón rápido, mientras que el 92U235 solamente se esciende por un neutrón lento.

    5.1.3 LA FUSIÓN NUCLEAR

    La fusión nuclear consiste en la combinación de dos núcleos ligeros para formar un núcleo más complejo donde la masa en reposo después de la reacción es menor que las masas en reposo de los núcleos originales, con la consiguiente liberación de energía.

    Casos:

      1. Cuando dos protones se combinan para formar un deuterón y un positrón:
      2. 1H1 + 1H1 ∀ 1H2 + 1e0
      1. Cuando el proceso consiste en la unión entre un protón y un deuterón que forma el isótopo ligero del helio mas radiación gamma:
      2. 1H2 + 1H1 ∀ 2He3 + radiación gamma
    1. Para este caso es necesario que las dos anteriores se realicen dos veces, en cuyo caso se unen dos núcleos de helio ligero para formar helio ordinario más protones:

    2He3 + 2He3 ∀ 2He4 + 1H1 + 1H1

    Las anteriores reacciones conocidas como reacciones cadena-protón-protón, son las que tienen lugar en el interior del sol y en otras muchas estrellas que se sabe están constituidas principalmente por hidrógeno.

    5.1.4 ESTRELLAS (SOL)

    Gran parte de las teorías que explican la formación de las estrellas toman al hidrógeno como su progenitor.

    En síntesis podemos decir que los astrofísicos explican el proceso de formación como sigue:

    Las estrellas se forman por el colapso gravitacional de una nube de hidrógeno frío de gran masa, que se contrae disminuyendo su tamaño.

    1. Una gran masa de gas formada de hidrógeno frío se va contrayendo debido a la atracción gravitacional, cayendo unos átomos sobre otros. Conforme los átomos de hidrógeno “caen” van adquiriendo más y más energía cinética (aumentando su temperatura) y con ello la presión, hasta llegar a un límite en que la primera fase la presión se opone al colapso gravitacional.
      1. Debido a su calentamiento la masa de gas emite radiación (radiaciones electromagnéticas) y por ello va perdiendo energía. Pero no obstante el colapso continúa hasta un punto donde aparece y domina otro tipo de energía: “energía termonuclear”.
      2. La mayor parte de la energía que irradia una estrella es producto de la conversión de hidrógeno en helio.
      1. Una estrella “nace” o se inicia como tal cuando tiene temperaturas de alrededor de 107 K aproximadamente.
      2. En el interior de las estrellas se continúan las reacciones termonucleares formándose elementos cada vez más pesados hasta el fierro.
      1. Al irse colapsando la masa gaseosa, llega a un radio crítico que es el de la estrella. El proceso continúa hasta que la presión debida al calentamiento termonuclear compensa la gravitacional.
      2. Si bien una estrella es más densa en su centro, se considera que su densidad es uniforme con el objeto de facilitar los cálculos.
    2. Si la masa inicial es pequeña, el colapso prosigue hasta que todos los átomos se tocan entre sí dando como resultado un planeta como la tierra.
      1. Si la masa inicial no es tan grande como la que dio por resultado la formación de una estrella, pero tampoco tan pequeña como la que da lugar a la formación de un planeta, y las presiones y densidades logradas son los suficientemente altas como para que se traslapen las funciones atómicas de onda, entonces lo que se tiene es un plasma. En este caso la presión gravitacional se compensa con la presión mecánico-cuántica.
      2. No profundizamos en este tema por ser necesarios otros conocimientos para su completa comprensión y queda fuera de los alcances de este fascículo.
      1. Una vez que ya se formó la estrella, las de mayor masa son las más grandes, las cuales tienen las mayores temperaturas y queman el hidrógeno con mayor rapidez.
      2. Cuando observamos el cielo, vemos estrellas de brillantez diferente. Las estrellas que tienen mayor brillantez junto con un color azulado son las que tienen mayor temperatura.
    3. Si en una estrella se agota el suministro de hidrógeno, continúa irradiando y comienza a contraerse aumentando su temperatura. De la energía gravitacional total que contiene, la mitad la utiliza en alimentar la radiación, y la otra mitad en calentar el interior de la estrella hasta que llega a una temperatura T(K) donde se detiene la contracción.
    4. Cuando la contracción y el calentamiento se detienen es porque se llegó a una temperatura tan grande como para que el helio experimente reacciones termonucleares adicionales (conversión en carbono, oxígeno y neón). Si se da el suficiente tiempo, el proceso continúa hasta que la mayor parte del interior de la estrella se transforma en 56F, que es un isótopo cuyo núcleo es más estable. A partir de aquí, todas las reacciones nucleares que se realicen consumen energía y el proceso de liberación es casi nulo.

    Nuestro sol: Actualmente ya se cuenta con datos fidedignos acerca del sol. En el sol, como en las demás estrellas, se llevan a cabo los procesos de fusión termonuclear. Enumeremos algunas de sus características más relevantes:

    1. En su núcleo se concentra casi toda su masa, su mayor densidad la cual es de 105 Kg/m3 (alrededor de 13 veces la densidad del plomo), y es en él donde se genera la mayor parte de su energía. Fusión termonuclear del hidrógeno para formar helio.
    2. La temperatura en el centro del sol es de 1.5 x 107 K.
    3. La presión en el centro es de 2 x 1011 atmósferas. Permanece en estado gaseoso por la enorme temperatura.
    4. La composición del sol (núcleo) es la siguiente:

    i): 35% de hidrógeno ii): 64% de helio iii): 1% de otros elementos (principalmente ligeros)

    Como la temperatura en su centro es muy elevada, los elementos se encuentran ionizados, presentando agrupamientos de protones, electrones y partículas α con movimiento aleatorio.

    5. El Sol irradia energía a razón de 3.9 x 1026 W (1 W = 1 J/s), y lo ha estado haciendo desde 4.5 x 109 años, y se considera que existe hidrógeno disponible para unos 5 x 109 años más. Al final de dicho proceso, se realizarán cambios de gran importancia en su núcleo que estará constituido por helio fundamentalmente, se comenzará a colapsar y como consecuencia aumentará su temperatura, mientras su corona (la parte exterior) se expandirá hasta alcanzar posiblemente la órbita de la tierra, convirtiéndose en una gigante roja.

    6.1 APLICACIONES

    6.1.1 REACTORES

    Los reactores nucleares permiten aprovechar la fisión nuclear. La trayectoria del neutrón, en general no se afecta por los electrones negativos del

    átomo, tampoco se desvían como una partícula cargada (sólo lo hacen ocasionalmente a través de colisiones con la corona). Sin embargo, cuando un neutrón se acerca mucho al núcleo queda sujeto a fuerzas muy

    intensas como las que existen entre los protones y neutrones del núcleo. La velocidad con que ocurren los procesos en el núcleo de un reactor está dado por:

    R = P/Q donde: R = velocidad con que ocurren los procesos de fisión en el núcleo del reactor. P = la potencia térmica en el núcleo. Q = es la energía promedio liberada.

    También se puede saber cuál es la eficiencia de una planta de generación de electricidad que está impulsada por un reactor nuclear con la siguiente relación: donde s = salida e = entrada térmica EJEMPLO: Se nos pide calcular: a) La eficiencia de un reactor nuclear de agua a presión que tiene una potencia térmica de 3400 MW y genera 1100 MW de electricidad. b) La velocidad con que ocurren los procesos de fisión en el núcleo del reactor.

    Solución: a): s = 1100 MW e = 3400 MW

    Por lo tanto: ε = 1100 MW /3400 MW = 0.32

    o sea el 32% de eficiencia

    b): P3400MW3.4×109 J/s

    R = = =

    Q 2600MeV (200MeV/fisión)(1.6×10 13 J/Mev)

    6.1.2 NUCLEOSÍNTESIS

    La observación de la abundancia de los elementos actuales, nos pueden dar claves para comprender los procesos que ocurrieron durante el desarrollo de la teoría del Big-Bang.

    La formación de los elementos del universo actual se conoce como NUCLEOSÍNTESIS.

    ¿Cómo se produjeron los núcleos y átomos actuales a partir del BIG-BANG?

    Según esta teoría cuando el universo tenía una edad de unos cuantos segundos estaba constituido de protones, neutrones y electrones.

    Actualmente los constituyentes principales del universo son Hidrógeno y Helio, con pequeñas partes de elementos pesados.

    6.1.3 ORIGEN DEL UNIVERSO

    Desde principios de la historia de la humanidad, el hombre se ha preguntado cuál fue el origen del universo.

    La rama de la Física que estudia el origen del universo sellama COSMOLOGÍA.

    Hasta nuestro siglo las especulaciones acerca del origen del universo fueron principalmente llevadas a cabo por filósofos y teólogos, ya que no había ninguna evidencia que experimentalmente confirmara cualquier teoría científica.

    Dos descubrimientos experimentales de gran importancia han ocurrido en el presente siglo, y han dado la pauta a los físicos para el establecimiento de una teoría coherente. Dichos descubrimientos fueron:

    1) LEY DE HUBBLE (Teoría del Universo en Expansión).

    En 1920 Edwin Hubble (1889-1953), mientras se encontraba investigando el comportamiento de los objetos en racimos que se conocían como Nebulosas, demostró que éstas son Galaxias igual que nuestra Vía Láctea, compuestas de miles de millones de estrellas, las cuales se alejan entre sí y de nosotros de manera que cuanto mayor es su distancia d mayor es su velocidad.

    Es decir: v = H d

    donde H es una constante conocida como el parámetro de Hubble

    Km H = 67 s Mpc

    Mpc significa Megaparsec. 1Mpc = 3.26 x 106 años luz

    = 3.084 x 1019 Km Problema: Encuentra las dimensiones de H.

    Solución: Sustituyendo el de Mpc = 3.084 x 1019 años luz, se tiene

    H = 67 Km (3.084 x 1019 Km)-1

    s

    H = (67/(3.084 x 1019))s-1 Por lo tanto las dimensiones de H son el inverso del tiempo.

    2) LA RADIACIÓN CÓSMICA DE FONDO DE MICROONDAS

    En 1965 mientras Arno Penzias y Robert Wilson probaban una antena de microondas, se dieron cuenta que sin importar a dónde apuntaran su antena, se encontraban siempre con un mínimo silbido de fondo: se dieron cuenta que estaban presenciando los vestigios del Universo Primigenio.

    Ahora bien; sabes que cuando la materia se expande ésta se enfría, por lo que es de esperarse que si el universo se expandió, tanto la materia como la radiación se enfriaron, la radiación debió llenar todo el universo en su estado compacto (y continúa llenándolo durante la expansión).

    Actualmente esa radiación debe estar presente, pero a una temperatura tal que su componente más intensa se halla en la región de las microondas del espectroelectromagnético y que se le conoce como: RADIACIÓN CÓSMICA DE FONDO.

    RADIACIÓN CÓSMICA DE FONDO.- Es la radiación que se detecta en la región de microondas del espectro electromagnético como resultado de la expansión del universo.

    Dicha radiación de fondo tiene un espectro térmico.

    Las mediciones de la intensidad de la radiación de fondo de microondas muestran que dicha radiación tiene una intensidad que es uniforme en todas direcciones, es decir, que proviene de todo el universo de manera uniforme.

    Cabe aclararte que las observaciones recientes, muestran que existen pequeñas fluctuaciones de alrededor de 10-5 K de temperatura entre las diferentes regiones del cielo. Lo anterior se ha interpretado como una evidencia de que la distribución primigenia que dio origen al universo no fue uniforme.

    La densidad de la radiación de energía se encuentra mediante:

    a1

    R(λ) =

    b/ λT

    λ5

    e1

    que es la ley de radiación de Planck.

    Los datos experimentales dan una densidad de estos fotones de fondo de 400 cm3, y una densidad de energía de 0.25 eV/cm3 (que es aproximadamente la mitad de la energía de un electrón por m3 en reposo). ¿Por qué no nos percatamos de la presencia de estos fotones?

    Porque la energía media por fotón es de 0.00063 eV.

    TEORÍA DEL BIG BANG

    La teoría cosmológica que mejor concuerda con los dos anteriores hallazgos experimentales es la Cosmología del Big-Bang.

    De acuerdo con esta teoría el universo se formó hace 10 a 20 mil millones de años en un estado de densidad y temperaturas extremas.

    En los primeros tiempos, la materia prima del universo consistía en una gran variedad de partículas y antipartículas, además de la radiación.

    La densidad de radiación y la materia se relacionan con la temperatura del universo.

    De acuerdo con esta teoría, la relación entre la temperatura y el tiempo después de la formación del universo es:

    10 1/2

    1.5×10 s KT =

    1/ 2

    t

    donde la temperatura T está en K y el tiempo t está en segundos.

    ¿Cómo explicar la formación de la materia ordinaria a partir de las partículas y la radiación producidas en el Big Bang para describir al universo primigenio?

    Los procesos dominantes en el universo temprano pueden representarse como:

    Fotones  partícula + antipartícula

    Es decir que los fotones emprenden la producción de pares produciendo una partícula y una antipartícula, por ejemplo: un electrón y su antipartícula el positrón o protón y su antipartícula el antiprotón.

    Consideremos la formación y la aniquilación de los protones y los neutrones:

    Y+Y P+P Y+Y n+n

    donde a los fotones los estamos representando como rayos gamma.

    Para que los fotones produzcan pares nucleón-antinucleón, la energía kT del fotón debe ser cuando menos del orden de la energía en reposo mc2 de un nucleón (940 MeV).

    Problema:

    ¿Cuál será la temperatura mínima del universo que permite la producción de nucleones y antinucleones?

    Solución: Si la energía kT del fotón es: kT = mc2

    2

    mc

    entonces: T =

    k

    K es la constante de Boltzman = 1.38 x 1023 J/K = 8.62 x 10-5 eV/K mc2 = 940 MeV

    Sustituyendo tenemos:

    940MeV

    T = -5

    8.62×10 eV/K

    = 1.1×1013K

    APLICACIONES DE LA FÍSICA NUCLEAR

    La energía nuclear tiene gran aplicación en la investigación científica y en la utilización práctica como la ecología, medicina, agricultura, industria y biología. Algunas de ellas son:

    1. Reactores nucleares: la aplicación más común de los reactores nucleares es la generación de energía eléctrica.
    2. Producción de isótopos radiactivos para su utilización en medicina: tumores.
    3. Producción de haces de neutrones de alta intensidad para la investigación de la estructura nuclear.
    4. Estimación de las edades: como son la edad de las piezas arqueológicas, fósiles, edad de la tierra, etcétera.
    5. Análisis de elementos que se encuentran en concentraciones muy bajas.
    6. Control del espesor de hojas y láminas en las industrias del papel, el hule, etcétera.
    7. Control del llenado de líquidos en frascos y latas en la industria cervecera y envasado de alimentos.
    8. Esterilización de material quirúrgico y desechable.
    9. Esterilización de productos químicos y biológicos.
    10. En México el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) utiliza la radiación λ para desinfectar de microbios y bacterias las carnes, frutas y verduras.

    El siguiente mapa conceptual integra los conocimientos más relevantes que estudiaste en este fascículo sobre Física Moderna, intenta elaborar una síntesis a partir de este.

    estudia

    EL NÚCLEO

    basándose

    DEL ÁTOMO

    que comprende

    MODELOS ATÓMICOS

    FUERZAS NUCLEARES

    REACCIONES NUCLEARES

    que tiene aplicacionespara

    que son

    estudiar
    TRANSMUTACIONESFORMACIÓN DEL UNIVERSO

    FISIÓN FUSIÓN NUCLEAR NUCLEAR

    fundamentándose en

    LA INDUSTRIA
    MEDICINAFINES BÉLICOS

    LA TEORÍA LEY DE RADIACIÓN
    DE BIG BANG HUBBLE CÓSMICA
    DE FONDO

    AGRICULTURA
    ¿Cuál fue el descubrimiento más importante de Röentgen?1. ¿Qué estudia la Física Nuclear?

    1. ¿Quién fue el científico danés que en 1896 descubrió de manera “espontánea la radiactividad?
    2. ¿Cuál fue el primer elemento que se descubrió que era radiactivo?
    3. ¿Quién fue la primera científica que dio el nombre de radiactividad al fenómeno de emitir continuamente radiaciones?
    4. Escriba el nombre de los elementos que en 1898 Marie Sklodowska Curie y su esposo Pierre Curie descubrieron.
    5. ¿Cuál fue el experimento de Becquerel y otros científicos, del que se concluyó que una porción de las radiaciones del uranio y del torio poseen carga eléctrica positiva, otra porción carga eléctrica negativa y una tercera porción no poseen carga?

    8. ¿Qué es la v ida media de un isótopo radiactivo?

    9. ¿Qué es un isótopo?

    10.¿Qué nombre reciben los isótopos inestables?

    11.¿A qué se debe la presencia de radioisótopos en la tierra?

    12.¿Qué es la radiación cósmica?

    Problema6:

    Calcule la actividad inicial R0 de una muestra de material radiactivo cuya actividad es de

    0.3 mc y tiene un número de vidas medias en un tiempo t dado por n=4.

    Solución: Datos: _______________________________________________________________ Incógnita:_______________________________________________________________ Fórmula: _______________________________________________________________ Sustitución: _____________________________________________________________

    Resultado: _____________________________________________________________

    6 Es importante que el resultado se de con las unidades correspondientes.

    1. Las propiedades de los núcleos atómicos y de las partículas elementales.
    2. Los rayos X.
    3. Antoine Henry Becquerel.
    4. Uranio.
    5. Marie Slodowska Curie.
    6. Polonio y radio.
    7. Mediante un imán producían desviaciones de las radiaciones en el tubo de rayos catódicos.
    8. Es el intervalo de tiempo ( T1/2) en el cual decaerán la mitad de los núcleos inestables.
    9. Elemento idéntico a otro (u otros) de los que se diferencia únicamente por el peso de su masa.
    10. Radioisótopos.

    11.A la radiación cósmica.

    12.Es la que se origina en el espacio exterior y está constituida, entre otras, por protones y partículas alfa de energía muy elevada.

    13. Problema.

    Solución: Datos: R = 0.3mc, n = 4 Incógnita: R0

    1

    )n

    Fórmula: R = R0 (

    2 R0.3mc0.3

    Sustitución: R0 = = =

    (1/2)n (1/2)4 (1/16)

    0.3

    R0 = = 4.8 mc

    0.0625

    Alfa: Nombre dado a la partícula emitida (a radiación) por un núcleo inestable, está formada por dos protones y dos neutrones, es decir, es un núcleo de helio-4. Se representa por la letra griega α.

    Átomo: Partícula eléctricamente neutra que constituyen los elementos químicos. Cada átomo consta de un núcleo, formado esencialmente por protones y neutrones, y de electrones que se mueven velozmente alrededor del núcleo.

    Beta: Partícula que consiste en un electrón positivo o negativo, que es emitida en la desintegración de un núcleo atómico. Se representa por la letra $.

    Defecto de masa:

    Electrón: Una de las partículas del átomo; está cargado de electricidad negativa.

    Energía de amarre del núcleo: Es la energía mínima requerida para retirar al nucleón del núcleo. Como el nucleón está ligado de manera estable al núcleo, se mueve en cierto tipo de potencial real de atracción, dicho potencial representa la atracción neta de los otros nucleones (según el átomo del que se trate).

    Energía de enlace por nucleón:

    Energía de enlace total:

    Espín: Palabra con que se denomina al momento cinético que caracteriza la rotación de una partícula atómica sobre sí misma. Su valor es de ½ (h/2π), h = cuanto de acción de Planck. El espin da lugar a la aparición de un nuevo número cuántico que puede tomar los valores de de +½ y – ½. Ejemplo; a) el espin electrónico; b) el espin nuclear.

    Isótopo: Elemento idéntico a otro (u otros) de los que se diferencia sólo por le peso de su masa; el hidrógeno pesado es un isótopo del hidrógeno ordinario. La mayoría de los elementos tienen uno o más isótopos.

    Leptones: Partículas pequeñas que incluye al electrón, del griego que significa pequeño, donde mec2 = 0.511 MeV.

    Momento: Producto vectorial de la fuerza por el brazo de palanca con respecto al eje de giro.

    Momento cinético: El producto del momento de inercia y de la velocidad angular de un cuerpo en rotación.

    Momento cinético orbital: Momento cinético del electrón por su movimiento en torno al núcleo, tiene valor de múltiplo entero de h/2π (h = cuanto de acción de Planck).

    Neutrón: Partícula del átomo desprovista de carga eléctrica; se diferencia del protón y del electrón en que el primero está cargado de electricidad positiva y el segundo de electricidad negativa. El neutrón se emplea como proyectil para bombardear el átomo.

    Núcleo atómico: Parte del átomo que contiene a los protones y neutrones.

    Nucleón: Nombre que se da a los protones y neutrones por ser los constituyentes de los núcleos atómicos.

    Polonio: Elemento químico de número atómico 84 y símbolo Po. Varios de sus isótopos pertenecen a las series radiactivas naturales. Su isótopo más estable NO tiene ningún isótopo estable.

    Potrón: Partícula del átomo cargada de electricidad positiva.

    Radiación gamma: Radiación electromagnética emitida durante la desexcitación nuclear. La radiación gamma es extraordinariamente penetrante. Su símbolo es γ.

    Radiactividad: Propiedad que presentan algunos núcleos de desintegrarse espontáneamente.

    Radio: Elemento químico descubierto por Maria Sklodowska y su esposo Pedro Curie. El átomo de radio se transmuta lentamente en otro elemento por transformación de su núcleo.

    Radioisótopo: Es un isótopo radiactivo.

    ARNOLD B. Arons. Evolución de los Conceptos de Física. Ed. Trillas. ARTHUR Beisser. Conceptos de Física Moderna. Mc-Graw Hill. ISAAC Asimov Historia de la Física Nuclear. Alianza Editorial. KENNETH Krane. Física Moderna. Limusa. SILVIA Bulbulian. La Radiactividad. Núm. 42, SEP, FCE. ROBERT M. Eisberg. Fundamentos de Física Moderna. Limusa.


INTRODUCCIÓN

PROPÓSITO

CUESTIONAMIENTO GUÍA

1.

1.1.

1.2.

1.3.

1.4.

1.5.

1.6.

1.7.

2. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

2.1

2.2.

2.3.

2.4.

RECAPITULACIÓN ACTIVIDADES DE CONSOLIDACIÓN AUTOEVALUACIÓN BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA


1. EL LÁSER

Entre dos niveles de energía en un átomo, uno inferior i y uno superior j (Figura 9-10) pueden ocurrir tres clases de transiciones que implican radiación electromagnética. Si el átomo se encuentra inicialmente en el estado i se puede elevar al estado j, absorbiendo un fotón de luz cuya energía es hv = Ej – Ei. Este proceso recibe el nombre de absorción inducida. Si el átomo se encuentra inicialmente en el estado superior j, puede caer al estado i emitiendo un fotón de energía hv. En este caso, se trata de una emisión espontánea.

Como ocurren en niveles de energía las transiciones que implican la radiación electromagnética. ¿Qué es la absorción inducida?

¿Qué es la emisión espontánea e inducida? Explícalas.

absorción emisión emisión

inducida espontánea inducidas

Figura 9-10. Las transiciones entre dos niveles de energía en un átomo pueden ocurrir Por absorción inducida, emisión espontánea y emisión inducida

Existe también una tercera posibilidad, la emisión inducida, en la que un fotón incidente de energía hv causa una transición, desde el estado superior hasta el inferior. La emisión inducida no implica conceptos nuevos. Se puede comparar con un oscilador armónico, por ejemplo un péndulo, al que se le aplica una fuerza sinusoidal cuyo periodo es el mismo que su periodo natural de vibración. Si la fuerza aplicada se encuentra exactamente en fase con las oscilaciones del péndulo, la amplitud de éstas aumenta; esto corresponde a la absorción inducida de energía. Sin embargo, si la fuerza aplicada está fuera de fase en 180º con las oscilaciones del péndulo, la amplitud de éstas disminuyen; esto corresponde a una emisión inducida de energía.

Puesto que hv es generalmente mucho mayor que kT en el caso de las radiaciones atómicas y moleculares, en equilibrio térmico, la población de estados superiores de energía en un sistema atómico es considerablemente inferior a la población de estados más bajos. Supongamos que incide luz de frecuencia v sobre un sistema en el que la diferencia de energía entre el estado base y el excitado es hv. Si el estado superior está muy ocupado, habrá poca emisión estimulada y las consecuencias principales que se producen son la absorción de fotones incidentes por los átomos en el estado fundamental y la subsiguiente radiación espontánea de fotones de igual frecuencia. (Cierta proporción de átomos excitados elevarán sus energías en los choques).

Algunos sistemas atómicos pueden tener poblaciones invertidas de niveles de energía con un estado ocupado en mayor grado que el estado base. La Figura 9-11 muestra un sistema de tres niveles en el que el estado intermedio 1 es metastable, lo que significa que la transición desde dicho estado hasta el estado base está prohibida por reglas de selección. El sistema puede “elevarse” hasta el estado 2 mediante una radiación de frecuencia v´ = E2 – E0)/h. (Los impactos de los electrones son otra forma de elevar el sistema al estado superior). Los átomos en el estado 2 tienen una existencia aproximada de 10-8 en su camino hacia una transición permitida realizada por emisión espontánea, de forma que caen al estado metastable 1 (o al estado base) instantáneamente. Los estados metastables pueden tener vidas superiores a un segundo en su camino hacia la emisión espontánea y, por consiguiente, se puede continuar elevando el nivel energético hasta que haya una población mayor en el estado 1 que la que hay en el estado 0. Si hacemos llegar al sistema radiación directa de frecuencia v = (E1 – E0)/h la emisión inducida de fotones de esta frecuencia excederá a la absorción, puesto que hay más átomos en el estado superior, y el resultado neto será una producción de radiación de frecuencia v mayor que la que llega. Este es el principio del maser (amplificación de microondas mediante emisión estimulada de radiación) y del láser (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación).

Las ondas radiadas procedentes de la emisión espontánea son incoherentes, como cabía esperar, con relaciones de fase al azar en el espacio y en el tiempo, ya que no existe coordinación entre los átomos implicados. Sin embargo las ondas radiales procedentes de la emisión inducida están en fase con las ondas de inducción, lo que hace posible que un maser o un láser produzcan rayos completamente coherentes. Un láser común es un tubo lleno de gas o un sólido transparente con espejos en ambos extremos; uno de estos espejos es parcialmente transmisor para que salga algo de la luz que se produce. La luz impulsora de frecuencia v´ dirige hacia el medio activo desde los bordes del tubo, mientras las ondas transversales que van y vienen pertenecientes a la luz atrapada estimulan emisiones de frecuencia v que mantienen el haz emergente colimado. Se han proyectado gran variedad de maser y láser; en muchos de ellos, la distribución inversa de energía se obtiene de una manera menos directa que la que se consigue con el simple mecanismo descrito anteriormente.

Emisión estimulada y fundamento del láser.

El proceso de emisión de luz por un átomo que hemos explicado en la sección anterior recibe el nombre de emisión espontánea de radiación, y dado que las transiciones electrónicas que lo producen ocurren de manera caprichosa y aleatoria, se comprende que tengan frecuencias diferentes, y, por lo tanto, en conjunto, la radiación que emiten las fuentes ordinarias de luz visible no es monocromática o sea, de un solo color.

Sin embargo, desde hacía tiempo se conocía otro proceso llamado emisión estimulada de radiación, que consiste en lo siguiente:

Si un determinado nivel de energía εi de un átomo tiene muchos más electrones que otro nivel inferior εf (Figura 60.6), -cosa que generalmente no sucede- y dicho átomo recibe el impacto de un fotón cuya energía sea precisamente la diferencia entre dichas dos energías:

h • f = εi -εf

entonces dicho fotón, en lugar de ser absorbido por el átomo como en un proceso ordinario, provoca un efecto totalmente distinto y es que induce o estimula el decaimiento de uno de los electrones del átomo desde el nivel superior εi al inferior εf, dando lugar a la emisión de un nuevo fotón cuya energía, y, por lo tanto, cuya frecuencia;

E -E

f = if

h

son precisamente las mismas que las del fotón incidente.

Modernamente se ha conseguido por diversos medios hacer subir electrones del nivel inferior εf al superior εi y mantener así las condiciones favorables para que se produzca el citado fenómeno de la radiación estimulada a una frecuencia determinada.

Este es el fundamento del aparato llamado láser (siglas de una frase en inglés que significa: “amplificación de la luz por radiación electromagnética estimulada”). En él se consigue, de dicha manera, un rayo de luz perfectamente monocromática, y si, además, se hace que el fotón incidente se refleje en dos espejos colocados en ambos extremos del tubo que contiene el gas emisor, se irán estimulando en dicho trayecto innumerables emisiones de fotones, lo que hace que la luz que sale finalmente del tubo, además de ser monocromática, sea muy intensa comparada con la emitida por las fuentes de luz ordinarias.

Estas dos propiedades hacen que sean muy numerosas las aplicaciones presentes y futuras del láser. En geodesia y topografía se usa para alineación de puntos distantes especialmente en túneles donde no se pueden usar teodolitos, en los laboratorios de óptica para la construcción de interferómetros, en la industria como finísimo cuchillo que calienta y corta pequeñas áreas de diferentes materiales, o como borrador que vaporiza la tinta de un papel sin calentar a éste.

También se emplea en la regulación de resistores de precisión y en la construcción de microcapacitores y se está estudiando su uso en comunicaciones a larga distancia. Finalmente, una de las más espectaculares aplicaciones del láser consiste en la producción de las interferencias de un frente de onda, debidas a la presencia del objeto que se quiere reproducir.

¿A qué se le llama radiación estimulada?

¿Qué significan las siglas de la palabra (láser)?

¿Por qué a la luz emitida por el láser se le llama monocromática?

Física molecular.

Conociendo ya la constitución de los átomos vamos a describir ahora la de las moléculas e indicar el mecanismo de interacción de unos átomos con otros para formarlas.

Este estudio se conoce con el nombre de Física molecular y también en él rigen las leyes de la mecánica cuántica siendo, como en el átomo, la atracción electrostática de Coulomb la que mantiene unidos a los átomos en el interior de la molécula.

Sin embargo, ya que los átomos son eléctricamente neutros, dicha atracción electrostática tiene que ejercerse a través de algún proceso que separe las cargas eléctricas positivas y negativas de los átomos, y son dos los mecanismos que para ello se conocen, los cuales dan lugar a dos diferentes tipos de enlace entre los átomos de una molécula: el enlace iónico o heteropolar y el enlace covalente o polar.

El enlace iónico entre dos átomos distintos ocurre cuando uno de ellos tiene tendencia a perder electrones y convertirse así en un ion positivo, y el otro tiene la tendencia opuesta, es decir, la de ganar electrones para convertirse en un ion negativo. La molécula de cloruro de sodio o sal común es un ejemplo típico de enlace iónico entre los iones de Na+ y del Cl que la componen. (Figura 60.7)

Figura 60.7. enlace iónico: a) un átomo de Na(Z = 11) cede un electrón a un átomo de Cl (Z =17). b) los iones resultantes se atraen formando una molécula de ClNa

En esta molécula, un electrón de átomo de sodio se transfiere al de cloro (Figura 60.7ª) y entre los dos iones resultantes que están cargados con carga de signo diferente, se crea una fuerza de atracción electrostática que es la causa de la formación de una molécula estable (Figura 60.7b), ya que cuando la atracción es tal que los átomos están demasiado próximos, interviene la repulsión entre los dos núcleos hasta conseguirse el deseado equilibrio.

Por el contrario, el enlace covalente, del cual la molécula de H2 es un ejemplo muy conocido (Figura 60.8), funciona de tal manera que al aproximarse los dos átomos de hidrógeno (Figura 60.8ª), hacen que sus dos electrones sean compartidos por ambos átomos y actúe una atracción electrostática directa entre el núcleo de cada átomo y los dos electrones comunes, formándose así una estructura estable que es la molécula (Figura 60.8b).

Figura 60.8. Enlace covalente: a) Dos átomos de hidrógeno con un electrón cada uno. b) Los dos átomos comparten sus electrones para formar una molécula de H2

El conocimiento de estos enlaces es de gran utilidad interatómica, estudio que traspasa ya los límites de la Física para constituir el campo de actividades de la Química.

Fuerzas intermoleculares.

Veamos ahora cómo se combinan unas moléculas con otras para formar los cuerpos en sus diferentes estados de agregación.

De éstos, el estado sólido es el más interesante, ya que en él se manifiestan todos los diferentes tipos conocidos de fuerzas intermoleculares.

Los sólidos, según dijimos en otra ocasión, están caracterizados desde el punto de vista microscópico, no solamente porque sus átomos están muy cercanos unos de otros, sino porque están distribuidos de una manera simétrica formando una estructura cristalina, de diversos tipos geométricos, esto es, cúbica, tetragonal, hexagonal, etcétera.

Los enlaces entre los átomos que componen un cristal pueden ser, como en las moléculas iónicos y covalentes, pero además existen dos nuevos tipos de enlaces llamados metálico y de Van der Waals respectivamente.

El enlace iónico en cristales es semejante al correspondiente entre las moléculas. Por ejemplo un cristal de cloruro de sodio (Figura 60.9) está formado por un reticulado cúbico cuyos vértices lo ocupan alternadamente átomos de cloro y de sodio. Estos últimos tienen tendencia a ceder un electrón que es absorbido por los átomos de cloro, formándose así iones de distinto signo que originan una fuerza electrostática atractiva, la cual mantiene la estabilidad del cristal ya que las leyes de la mecánica cuántica impíden que los átomos se acerquen más de lo que las distancias interreticulares permiten.

Figura 60.9. Enlace iónico en un cristal de cloruro de sodio, entre iones positivos de sodio (en rojo) y negativos de cloro (en blanco)

El enlace en los cristales covalentes, de los cuales el diamante es un ejemplo (Figura 60.10), -se debe a que cada átomo que en él participa contribuye con un electrón a la unión a la unión mutua con los de sus átomos vecinos, y estos electrones se distribuyen entre dichos átomos, siendo, por decirlo así, compartidos por todos ellos y originándose de este modo, las fuerzas cohesivas características de este tipo de cristales.

Figura 60.10. Enlace covalente en un cristal de diamante. Cada átomo de carbono en el centro de un cubo (en negro) comparte sus electrones con los de los átomos vecinos (en gris) situados en los vértices del cubo.

El enlace llamado metálico, más débil que los anteriores, es característico, como su nombre lo indica, de los metales. Los átomos de estos elementos juntan sus niveles de energía individuales en bandas de energía comunes a todo el cristal, y según la distribución electrónica en dichas bandas los electrones libres del metal, es decir, los que están menos ligados a los núcleos que el resto de los demás pueden moverse más o menos fácilmente entre los átomos fijos de tal manera que un campo eléctrico influye sobre ellos produciendo la corriente eléctrica que estudiamos desde el punto de vista microscópico.

Según las características del metal, la movilidad de los electrones libres es mayor o menor, dando origen a los llamados respectivamente metales conductores y aislantes.

Existen también otros metales semiconductores que, como el silicio y el germanio, presenta, cuando están en estado puro, características intermedias de conductividad, pero que al ser mezclados con determinadas impurezas, o bien se mueven como cargas eléctricas negativas, o como huecos o burbujas de dichas cargas eléctricas lo cual equivaldría a conducir cargas positivas.

Esta interesante propiedad hace que al unir dos semiconductores de tipos diferentes, la zona de transición se comporte como una válvula que sólo deja pasar la corriente eléctrica en una dirección. Estos rectificadores cristalinos llamados transistores están reemplazando actualmente a los bulbos de vacío, con las ventajas sobre ellos que ya en otra ocasión mencionamos.

El máximo de estas ventajas se alcanza con los llamados circuitos integrados en los cuales un simple cristal semiconductor reemplaza a todo un circuito electrónico.

Debemos decir también que ciertos metales enfriados a temperaturas cercanas ya al cero absoluto pierden toda su resistencia eléctrica y adquieren la condición de superconductores que los hace, además, impermeables a los campos magnéticos que se les apliquen.

El último tipo de enlace, que es además propiamente intermolecular, es debido a las llamadas fuerzas de Van der Waals encontradas primero por el físico holandés Juan Diderico Van del Waals (1837-1923). Estas fuerzas son más débiles que las anteriores descritas, pero están presentes, no sólo en los sólidos, sino también en los líquidos y en los gases reales no se comporten exactamente como los gases ideales regidos por la ya conocida relación entre el volumen, la presión y la temperatura.

Las fuerzas de Van der Waals tienen un comportamiento –ya citado en otras ocasionestal que a grandes distancias son débilmente atractivas, y en cambio, a pequeñas distancias son fuertemente repulsivas, existiendo una distancia de equilibrio que es la que da las dimensiones de la retícula del cristal.

Las fuerzas atractivas de este tipo, pueden deberse a tres mecanismos diferentes llamados respectivamente de orientación, de inducción y de dispersión.

La orientación se debe a que, en ciertos casos como en la molécula de agua, por ejemplo, los constituyentes de las moléculas hacen que éstas presenten un dipolo electrónico, es decir, una separación entre sus cargas positivas y negativas. Al aproximarse dos moléculas de este tipo (Figura 60.11a); aparece una fuerza eléctrica que hace que se orienten con la tendencia a unir las cargas de distintos signos.

Las fuerzas de inducción se deben a que una de las moléculas tiene un dipolo eléctrico permanente y la otra no lo tiene, pero en presencia de la primera (Figura 60.11b), sus cargas se separan dirigiéndose las negativas hacia el polo positivo de la primera molécula y apareciendo así en la segunda un dipolo induciendo así en la segunda un dipolo inducido que es atraído electrostáticamente por el dipólo permanente de la primera molécula.

Finalmente, las fuerzas de dispersión –que son las más intensas de las fuerzas atractivas de Van der Waals-, se deben a que dos átomos cercanos se perturban mutuamente, de tal modo que, aunque los electrones de un átomo repelen a los del otro y lo mismo ocurre con los núcleos respectivos, la atracción entre los núcleos de cada átomo y los electrones del otro es tan intensa que vence a la repulsión anterior y el resultado total es una fuerza neta atractiva entre los dos átomos.

La cuarta fuerza de Van der Waals que es la repulsiva, se origina cuando dos átomos se penetran mutuamente y entra en acción la repulsión entre sus núcleos de manera parecida a lo que ocurría en el enlace iónico.

¿Cómo se clasifica a los enlaces existentes entre los átomos que componen un cristal?

¿Cómo activa las fuerzas de Van der Waals y en dónde están pressentes a nivel molecular? ¿A qué se le llama fuerzas de inducción? ¿Cómo se clasifican las fuerzas de Van der Waals?

Bien, ahora ya sabes que a niveles de energía entre un átomo, uno inferior y uno superior, pueden ocurrir tres clases de transiciones que implican radiación electromagnética. Es así como las transiciones entre dos niveles de energía en un átomo puede ocurrir por absorción inducida, emisión espontanea y emisión inducida, es así como actualmente se ha conseguido por diversos medios hacer subir electrones del nivel inferior al superior y mantener así las condiciones favorables para que se produzca el citado fenómeno de la radiación estimulada a una frecuencia determinada.

Este es el fundamento del aparato llamado láser. Conociendo ya la constitución de los átomos vamos a describir ahora la de las moléculas e indicar el mecanismo de intervención de unos átomos con otros para formarlos, dando tipos de enlaces, los cuales a través de su conocimiento de estos enlaces es de gran utilidad para el estudio de las combinaciones interatómicas, estudio que traspasa ya los límites de la Física, es así como los enlaces entre los átomos que componen un cristal pueden ser, como en las moléculas iónicos y covalentes, pero además existen dos nuevos tipos de enlaces llamados metálicos y de Van der Waals. En éste último, las fuerzas atractivas de este tipo pueden deberse a tres mecanismos diferentes llamados respectivamente, de orientación, inducción y de dispersión.

El estudiante aplicará de sus conocimientos anteriores de Química, el tema de enlaces y su clasificación, para relacionarlos con: conductores, semiconductores y superconductores, con la finalidad de comprender las “Bandas de Energía”.

RECOMENDACIONES: -Para confirmar el aprendizaje, elaborar ejemplos de los conceptos aprendidos. -Relacionar los enlaces con las bandas de energía. -Con los conocimientos aprendidos, determinar aplicaciones. -Establecer la relación de los conductores con la temperatura.

2. EL ESTADO SÓLIDO

Un sólido consta de átomos, iones o moléculas íntimamente unidos, y esta proximidad es responsable de las propiedades características de este estado de la materia. Los enlaces covalentes que participan en la formación de un molécula también se presentan en algunos sólidos. Además, enlaces iónicos, de Van der Waals y metálicos proporcionan las fuerzas de cohesión en sólidos cuyos elementos estructurales son, respectivamente, iones, moléculas y átomos metálicos. Todos estos enlaces implican fuerzas eléctricas, de manera que sus diferencias esenciales residen en la distribución de electrones en torno a las diferentes partículas, cuya disposición regular forman un sólido.

2.1 SÓLIDOS CRISTALINOS Y AMORFOS

La mayoría de los sólidos son cristalinos. En ellos, los átomos, iones o moléculas que los componen repiten patrones regulares tridimensionales. La presencia de ordenamiento de largo alcance es, por tanto, definidora de las propiedades de un cristal. Otros sólidos carecen de ordenamientos de largo alcance en la disposición de sus partículas constituyentes, por lo que se pueden considerar propiamente como líquidos congelados, cuya dureza se debe a una viscosidad excepcionalmente elevada. El vidrio, la resina y muchos plásticos son ejemplos de estos sólidos amorfos (“sin forma”).

Sin embargo, los sólidos amorfos presentan ordenamientos de corto alcance en sus estructuras. La diferencia entre los dos tipos de ordenamiento se ve claramente en el trióxido de boro(B2O3), que se puede presentar tanto en forma cristalina como en amorfa. En ambos casos, cada átomo de boro está rodeado por tres átomos de oxígeno, lo que representa un ordenamiento de corto alcance. En un cristal de B2O3, los átomos de oxígeno se presentan en formaciones hexagonales, como en la Figura 101, lo cual es un ordenamiento de largo alcance, mientras que el B2O3 amorfo, sustancia vítrea, carece de esta regularidad adicional. Tenemos un ejemplo claro de un ordenamiento de corto alcance en el agua, justo por encima del punto de fusión, momento en que presenta una densidad más baja que a mayores temperaturas, debido a que las moléculas de H2O están agrupadas menos estrechamente cuando forman cristales que cuando tienen mayor libertad de movimiento.

Es importante proseguir con la analogía entre un sólido amorfo y un líquido para comprender ambos estados de la materia. Generalmente se considera que los líquidos se parecen más a los gases que a los sólidos; después de todo, tanto líquidos como gases son fluidos y a temperaturas arriba del punto crítico ambos son indistinguibles. Sin embargo, desde el punto de vista microscópico, los líquidos y los sólidos también tienen mucho en común. La densidad de un líquido dado se aproxima generalmente a la del sólido correspondiente, por ejemplo, lo que sugiere que el grado de agrupación es semejante. Esta deducción se apoya en la comprensibilidad de estos estados. Además, la difracción de rayos X indica que muchos líquidos tienen estructuras definidas de corto alcance en cualquier instante. Estas estructuras son semejantes a las de los sólidos amorfos, excepto en que las agrupaciones de las moléculas líquidas se desvían continuamente.

Como los sólidos amorfos son esencialmente líquidos, no tienen puntos de fusión agudos. Podemos interpretar este comportamiento sobre una base microscópica observando que, como un sólido amorfo carece de patrón de orden mayor, los enlaces entre sus moléculas varían en fuerza. Cuando se calienta el sólido, los enlaces más débiles se rompen a temperaturas más bajas que los otros, de manera que se va ablandando gradualmente. En un sólido cristalino, la transición entre ordenamientos de largo alcance y ordenamientos de corto alcance (o carencia total de ordenamiento) implica la ruptura de enlaces cuyas fuerzas son más o menos idénticas, y la fusión se presenta a una temperatura definida con precisión.

2.2 CRISTALES IÓNICOS

Los enlaces covalentes se producen cuando los átomos comparten pares de electrones de manera que se producen fuerzas de atracción. Los enlaces iónicos se producen cuando átomos que tienen baja energía de ionización, y que pierden electrones con facilidad, entran en contacto con otros. Los primeros ceden electrones a los segundos, de modo que aquéllos se convierten en iones positivos y éstos en iones negativos. En un cristal iónico, los iones forman una configuración en equilibrio, donde la fuerza de atracción entre iones de distinto signo predomina sobre la repulsión entre los de mismo signo. Al igual que en las moléculas, los cristales evitan su desmoronamiento debido a la influencia de las fuerzas de cohesión presentes por la acción del principio de exclusión, que exige la ocupación de los estados de energía más elevada cuando las capas electrónicas de átomos diferentes se superponen y se enlazan entre sí.

La Tabla 10.1 contiene las energías de ionización de los elementos, y la Figura 10.2 muestra cómo estas energías varían con el número atómico. No es difícil ver por qué las energías de ionización de los elementos varían de esta manera.

ENERGÍA DE IONIZACIÓN DE LOS ELEMENTOS: En electrón volts.

I 2
II Iie
13.6 24.6
3 4 5 6 7 8 9 10
Li Be B C N O F Ne
5.4 9.3 8.3 11.3 14.5 13.8 17.4 21.6
11 12 13 14 15 16 17 18
Na 5.1 Mg 7.6 Al 6.0 Si 8.11 P 11.0 S 10.4 Cl 13.0 Ar 15.8
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
4.3 6.1 6.6 6.8 6.7 6.8 7.4 7.9 7.9 7.6 7.7 9.4 6.0 7.9 9.8 9.8 11.8 14.0
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Rb 4.2 Sr 5.7 Y 6.5 Zr 7.0 Nb 6.8 Mo 7.1 Te 7.3 Ru 7.4 Rh 7.5 Pd 8.3 Ag 7.6 Cd 9.0 In 5.8 Sn 7.3 Sb 8.6 Te 9.0 I 10.5 Xe 12.1
55 56 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86
Cs 3.9 Ba 5.2 Hf 5.5 Ta 7.9 W 8.0 Re 7.9 Os 8.7 Ir 9.2 Pt 9.0 Au 9.2 Hg 10.4 Tl 6.1 Pb 7.4 Bi 7.3 Po 8.4 At — Rn 10.7
87 88 I
Fr Ra
5.3
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La 5.6 Ce 6.9 Pr 5.8 Nd 6.3 Pm — Sm 5.6 Eu 5.7 Cd 6.2 TB 6.7 Dy 6.8 Ho – Er 6.1 Tm 5.8 Yb 6.2 Lu 5.0
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac — Th 7.0 Pa – U 6.1 Np — Pu 5.1 Am 6.0 Cm — Bk — Cf – Es — Fm — Md – No — Lw

NÚMERO ATÓMICO

Por ejemplo, un átomo de cualquiera de los metales alcalinos del grupo I tiene un único electrón s fuera de una subcarga cerrada. Los electrones de las cargas internas protegen parcialmente al electrón externo de la carga nuclear + Ze, de manera que la carga efectiva que sujeta al electrón externo al átomo es + e en vez de + Ze. Se tiene que realizar un trabajo relativamente pequeño para desprender un electrón de este átomo, y los metales alcalinos forman fácilmente iones positivos. Cuanto mayor es el átomo, más alejado del núcleo se encuentra el electrón exterior (Figura 10.3) y más débil es la fuerza electrostática que actúa sobre él; ésta es la razón por la que la energía de ionización disminuye generalmente a medida que descendemos en cualquier grupo. El aumento en la energía de ionización, de la izquierda a derecha, a través de cualquier período, se explica por el aumento en carga nuclear, mientras que el número de electrones de blindaje internos permanece constante. Hay dos electrones en la capa interna de los elementos del período 2, y la carga nuclear efectiva que actúa sobre los electrones externos de estos átomos es, por tanto, +(z –2)e. El electrón externo de un átomo de litio está unido al átomo por una carga efectiva de + c, mientras que cada electrón externo en el berilio, el boro, el carbono, etcétera, está unido a su átomo matriz por cargas efectivas de + 2e, + 3c + 4e, etcétera.

En el extremo opuesto de los átomos de metales alcalinos, que tienden a perder sus electrones externos, se encuentran los átomos halógenos, que tienden a completar sus subcapas externas p capturando, cada una de ellas, un electrón. La afinidad electrónica de un elemento se define como la energía liberada cuando un electrón se incorpora a un átomo de cada elemento. Cuanto mayor es la afinidad electrónica, con mayor firmeza de enlaza el electrón incorporado. La Tabla 10.2 muestra las afinidades electrónicas de los halógenos. En general, las afinidades electrónicas disminuyen cuando se desciende de grupo en grupo en la tabla periódica, y aumenta de izquierda a derecha dentro de cada período. La determinación experimental de las afinidades electrónicas es bastante difícil y sólo se conocen con precisión las de algunos elementos.

AFINIDADES DELECTRÓNICAS DE LOS HALÓGENOS en electrón volts.

Flúor 3.45
Cloro 3.61
Bromo 3.36
Yodo 3.06

Se puede presentar un enlace iónico entre dos átomos cuando uno de ellos tiene energía de ionización baja y, por tanto, tiende a convertirse en ion positivo, mientras que el otro tiene una afinidad electrónica elevada y por tanto tiende a convertirse en ion negativo. El sodio, que tiene una energía de ionización de 5.14 eV, es un ejemplo del primero, y el cloro, que tiene una afinidad electrónica de 3.61 eV, es un ejemplo del segundo. Cuando el ion Na+ y el ion Clse encuentran próximos y con libertad de movimiento, los une la fuerza electrostática de atracción que se establece entre ellos. La condición para que resulte una molécula estable de NaCl es sencillamente que la energías total del sistema de los dos iones sea menor que la energía total de un sistema de dos átomos de los mismos elementos; si no es así, el electrón excedente en el ion Clse transferiría al ion Na y no se podrían enlazar por mucho tiempo los átomos neutros de Na y Cl. Veamos si este criterio se cumple en el caso del NaCl.

En general, en un cristal iónico cada ion se encuentra rodeado por tantos iones del signo opuesto como quepan, lo que conduce al máximo de estabilidad. Los tamaños relativos de los iones implicados gobiernan, por tanto, el tipo de estructura que se presenta. En las Figuras 10-4 y 10-5 se muestran dos tipos comunes de estructura que se encuentran en cristales iónicos.

En un cristal de cloruro sódico se puede considerar que los iones de ambos tipos se encuentran en los vértices y en los centros de las caras de un conjunto de cubos, intercalándose los conjuntos de Na+ y Cl. De esta manera, cada ion tiene seis próximos vecinos de otra clase, consecuencia de la diferencia considerable de tamaño entre los iones Na+ y Cl. Este tipo de estructura recibe el nombre de cúbica centrada en las caras. Se observa una disposición diferente en los cristales de cloruro de cesio, donde cada ion se encuentra en el centro de un cubo cuyos vértices están ocupados por iones del otro tipo. Cada ion tiene ocho próximos vecinos del otro tipo en esta estructura cúbica centrada en el cuerpo, que resulta cuando los iones participantes son comparables en tamaño.

La energía de cohesión en un cristal iónico es la energía que se liberaría en la formación del cristal a partir de átomos neutros individuales. La energía de cohesión se expresa generalmente en eV/átomo, en eV/molécula o en kcal/mol, donde “molécula” y “mol” se refieren aquí a conjuntos de átomos especificados por la fórmula del compuesto de que se trate (por ejemplo, NaCl en el caso de un cristal de cloruro sódico) aun cuando no existan estas moléculas en el cristal.

La principal contribución a la energía de cohesión de un cristal iónico es la energía potencial electrostática Vcoulomb de los iones. Consideremos un ion Na+ en NaCl. Sus vecinos más próximos son seis iones Cl, cada uno separado por una distancia r. La energía potencial del ion Na debida a estos seis iones Cl es por tanto,

6e2 V1 = -4πf0r Los siguientes vecinos más próximos son 12 iones Na+, separado cada uno por una distancia √2r , ya que la diagonal de un cuadrado de lado r es √2r. La energía potencial del ion Na+ debida a los 12 iones Na+ es

12e2 V2 = + 4πf0 2r

Si se continúan sumando todos los iones + y – de un cristal de tamaño infinito, tenemos como resultado

e2 12 Vcoulomb = –0 (6 2

+ … )

4πer

2

e= – 1.748

4πe0r

2

e

= -α Energía Coulomb de un cristal iónico

4πe0r

(Evidentemente, este resultado se mantiene también para la energía potencial de un ion Cl.) la cantidad a recibe el nombre de constante de Madelung del cristal y tiene idéntico valor para todos los cristales de la misma estructura. Cálculos similares para otras variedades de cristal conducen a diferentes constantes de Madelung: en cristales que tienen estructuras como las del cloruro de cesio (Figura 10.5), por ejemplo, α = 1.763, los de estructura parecida a la de la blenda de cinc (una forma de ZnS) tienen un α = 1.638. Las estructuras cristalinas simples tienen constantes de Madelung que van desde 1.6 hasta 1.8.

La contribución de energía potencial de las fuerzas de repulsión debidas a la acción del principio de exclusión se puede expresar con una buena aproximación en la forma:

B

Vde repulsión =

rn

El signo de Vde repulsión es positivo, lo que corresponde a una interacción de repulsión, y la dependencia de r-n (donde n es un número grande) corresponde a una fuerza de corto alcance que aumenta rápidamente cuando disminuye la distancia internuclear r. la energía potencial total V de cada ion debida a sus interacciones con todos los demás es, por tanto,

V = Vcoulomb = + Vde repulsión

ae2B

=4πe0r + rn En la separación de equilibrio r0 entre los iones V, es un mínimo por definición y, en consecuencia, (dV/dr) = 0 cuando r = r0. Por tanto,

dVae2 nB

() = -= 0

dr 4πer r

1=r0 0 02 0n+1

ae2 nB

=

4πer r

0 02 0n+1

2

ae B = 11 r0n-1 4πe0

y la energía potencial total es

ae2 1

V = – (1)

Es posible calcular el exponente n a partir de las comprensibilidades observadas de los cristales iónicos. El resultado promedio es n ≈ 9, lo que significa que la fuerza de repulsión varía bastante bruscamente con r: los iones son “duros” en vez de “blandos” y resisten bien el ser empacados estrechamente. A la distancia iónica de equilibrio, la repulsión mutua debida al principio de exclusión (distinta de la repulsión electrostática entre iones iguales) disminuye la energía potencial en un 11% aproximadamente. Evidentemente, el conocimiento preciso de n no es esencial; si n = 10 en vez de n = 9, Va variaría únicamente en un 1%.

En un cristal de NaCl, la distancia de equilibrio r0 entre iones es 2.81 A. como a = 1.748 y n = 9, la energía potencial de un ion de cualquier signo es

ae2 1

V = – (1)

4πe0r0 n

2922 19

9×10 N m /C x1.748x(1.60×10 C ) = – 2.81×10 10m

= – 1.27 x 10-18

= – 7.97 eV

Debido a que no podemos contar cada ion más de una vez, únicamente la mitad de esta energía potencial, o sea, -3.99 eV, representa la contribución por ion a la energía de cohesión del cristal.

También tenemos que tomar en cuenta la energía necesaria para transferir un electrón del átomo de Na al átomo de Cl y formar un par de iones Na+ – Cl. Esta energía de transferencia de electrones es la diferencia entre la energía de ionización + 5.14 eV del Na y la afinidad electrónica -3.61 eV del Cl, o sea, + 1.55 eV. Por tanto, cada átomo constribuye con + 0.77 eV a la energía de cohesión a partir de esta fuente. Así, la energía de cohesión total por átomo es

Ede cohesión = (-3.99 + 0.77)eV/átomo = 3.22 eV/átomo

Una cifra empírica de la energía de cohesión de un cristal iónico se puede obtener midiendo su temperatura de evaporación, su energía de disociación y su energía de intercambio de electrones. El resultado, en el caso del NaCl, es 3.28 eV, que concuerda completamente con el valor teórico calculado.

La mayoría de los sólidos iónicos son duros, debido a la solidez de los enlaces entre sus iones constituyentes, y tienen elevados puntos de fusión. Generalmente también son quebradizos, ya que el deslizamiento entre sí de los iones, en que explica la ductilidad de los metales, se evita por la ordenación de los iones positivos y negativos impuesta por la naturaleza de los enlaces. Los líquidos polares, como el agua, pueden disolver muchos cristales iónicos, pero los líquidos covalentes, como la gasolina, generalmente no pueden hacerlo.

¿De qué está constituido un sólido? ¿Por qué son considerados algunos sólidos amorfos? Cita 3 ejemplos.

¿A qué se debe que los sólidos amorfos son esencialmente líquidos? ¿Cuándo se originan los enlaces covalentes? ¿Cómo se define la afinidad electrónica de un elemento? ¿Qué es la energía de cohesión en la formación de un cristal?

2.3 CRISTALES COVALENTES

Las fuerzas de cohesión en los cristales covalentes surgen de la presencia de electrones entre átomos adyacentes. Cada átomo que participa en un enlace covalente contribuye con un electrón al enlace, y estos electrones son compartidos por ambos átomos en lugar de ser propiedad exclusiva de uno de ellos, como en el enlace iónico. El diamante es un ejemplo de cristal cuyos átomos están unidos por enlaces covalentes. La Figura

10.6 muestra la estructura de un cristal de diamante; la disposición tetraédrica es consecuencia de la capacidad de cada carbono para formar enlaces covalentes con cuatro átomos más (ver Figura 8.16).

Los cristales puramente covalentes son relativamente raros en número. Además del diamante, otros ejemplos son el silicio, el germanio y el carburo de silicio; en el SiCm cada átomo está rodeado por cuatro átomos del otro tipo en la misma estructura tetraédrica que la del diamante. Todos los cristales covalentes son duros (el diamante es la sustancia más dura que se conoce, y el SiC es el abrasivo industrial carborundo), tienen puntos de fusión elevados y son insolubles en todos los líquidos ordinarios, comportamiento que refleja la fuerza de los enlaces covalentes. Energías de cohesión de 3 a 5 eV/átomo son comunes en los cristales covalentes. Este es el mismo orden de magnitud de las energías de cohesión en los cristales iónicos.

Hay varias maneras de averiguar si los enlaces en un cristal dado no metálico y no molecular son predominantemente iónicos o covalentes. En general, un compuesto de un elemento del grupo I o II de la tabla periódica, con uno del grupo VI o VII presenta enlace iónico en el estado sólido. Otra guía es el número de coordinación del cristal, que es el número de vecinos más próximos en torno a cada partícula constituyente. Un número de coordinación elevado sugiere un cristal iónico, ya que es difícil ver cómo un átomo puede formar puramente enlaces covalentes con otros seis átomos (en estructuras cúbicas centradas en las caras, como la del NaCl) o con otros ocho átomos (en estructuras cúbicas centradas en el cuerpo, como la del CsCl). Sin embargo, un número de coordinación de 4, como en la estructura del diamante, es compatible exclusivamente con el carácter covalente. Por supuesto, como ocurre con las moléculas, no siempre es posible clasificar un cristal particular como totalmente iónico o covalente: el AgCl, cuya estructura es la misma que la del NaCl, y el CuCl, cuya estructura se parece a la del diamante, tienen ambos enlaces de carácter intermedio, como ocurre con muchos otros sólidos.

2.4 FUERZAS DE VAN DER WAALS

Todos los átomos y las moléculas –aun átomos de gases inertes, como los del helio y el argón- presentan atracciones débiles, de corto margen entre sí debidas a fuerzas de van der Waals. Estas fuerzas son responsables de la condensación de los gases en líquidos y de la congelación de líquidos para formar sólidos, a pesar de la ausencia de mecanismos de la materia en general, como la fricción, la tensión superficial, la viscosidad, la adhesión, la cohesión, etcétera, se deben a las fuerzas de van del Waals. La atracción de van del Waals entre dos moléculas colocadas a una distancia r es proporcional a r-7, de manera que es significativa solamente para moléculas que se encuentran muy juntas.

Notamos que muchas moléculas tienen momento bipolar eléctrico permanente (moléculas polares). Un ejemplo es la molécula de agua, H2O, donde la concentración electrónica en el átomo de oxígeno hace que este extremo de la molécula sea más negativo que el ocupado por los átomos de hidrógeno. Estas moléculas tienden a alinearse unas con otras, de modo que los extremos de signo opuesto queden adyacentes, como en la Figura 10.7. En esta posición, las moléculas se atraen fuertemente entre sí.

Una molécula polar es capaz también de atraer a otras moléculas que no tienen normalmente momento bipolar. El fenómeno se representa en la Figura 10.8; el campo eléctrico de la molécula polar produce una separación de cargas en la otra molécula, de modo que se crea un momento inducido en el mismo sentido que el de la molécula polar. El resultado es la aparición de una fuerza de atracción. (El efecto es el mismo que el que se produce en la atracción de una pieza de hierro no magnética por otra que sí lo es).

Notablemente, dos moléculas no polares se pueden atraer entre sí por el mecanismo expuesto anteriormente. Aun cuando la distribución de electrones en una molécula no polar es simétrica en promedio, los electrones en sí están en movimiento constante, y en cualquier instante dado una parte u otra de la molécula tiene un exceso de ellos. En lugar de la asimetría de carga fija de una molécula polar, una molécula no polar presenta una asimetría constantemente cambiante. Cuando dos moléculas no polares se encuentran lo suficientemente cerca, sus distribuciones de carga fluctuante tienden a cambiar simultáneamente. Los extremos adyacentes presentan siempre signos opuestos (Figura 10.9) y por ello siempre causan una fuerza de atracción. Este tipo de fuerzas debe su nombre al físico alemán Van der Walls, quien sugirió su existencia, hace aproximadamente un siglo, para explicar algunas divergencias observadas en la ley del gas ideal; la explicación del mecanismo real de la fuerza es, por supuesto, más reciente.

Las fuerzas de van der Waals son mucho más débiles que las encontradas en los enlaces iónico o covalente. Como resultado, los cristales tienen puntos de fusión y ebullición bajos y su resistencia mecánica es pequeña. Las energías de cohesión son bajas, únicamente 0.08 eV/átomo en el argón sólido (punto de fusión -256ºC) y 0.1 eV/molécula en el metano sólido, CH (punto de fusión 183ºC).

Entre algunas moléculas que contienen átomos de hidrógeno se presenta un tipo de enlace de van der Waals especialmente fuerte, denominado enlace hidrógeno. La distribución de electrones en este átomo está tan distorsionada por la afinidad del átomo “matriz” hacia los electrones, que cada átomo de hidrógeno, en esencia, ha donado la mayor parte de su carga negativa al átomo matriz dejando atrás un protón pobremente protegido. De ello, resulta una molécula con una carga positiva localizada, que es capaz de vincularse con la concentración de carga negativa de otra parte en otra molécula del mismo tipo. Aquí el factor clave es el tamaño real pequeño del protón pobremente blindado, ya que las fuerzas varían con r-2.

Las moléculas de agua son excepcionalmente propensas a formar enlaces hidrógeno, debido a que los cuatro pares de electrones en torno al átomo de O ocupan orbitales híbridos sp3 que se proyectan hacia fuera como si fueran los vértices de un tetraedro (Figura 10.10). Los átomos de hidrógeno se encuentran en dos de estos vértices, que en consecuencia presentan cargas positivas localizadas, mientras que los otros dos vértices presentan cargas negativas algo más difusas. Cada molécula de H2O puede, por tanto, formar enlaces hidrógeno con otras cuatro moléculas de H2O; en dos de estos enlaces, la molécula central proporciona los protones de unión, y en las otras dos los dan las moléculas enlazadas. En el estado líquido, los enlaces hidrógeno entre moléculas de H2O adyacentes se están rompiendo continuamente y volviéndose a formar debido a la agitación térmica; pero, aun así, en cualquier instante las moléculas siguen combinadas en grupos definidos. En el estado sólido, estos grupos son grandes y estables y constituyen cristales de hielo.

El modelo hexagonal característico de un cristal de hielo (Figura 10.11) tiene su origen en la disposición tetraédrica de los cuatro enlaces hidrógeno en los que puede participar cada molécula de H2O. Con únicamente cuatro próximos vecinos en torno a cada molécula, los cristales excepcionalmente baja del hielo. Debido a que los racimos moleculares son menores y menos estables en el estado líquido, las moléculas de agua están en promedio más íntimamente unidas que las moléculas de hielo, y el agua tiene una densidad mayor: por tanto, el hielo flota. La densidad del agua aumenta de 0º a un máximo a los 4ºC, a medida que los grupos de moléculas grandes de H2O se rompen para formar otros más pequeños que ocupan menos espacio en el agregado; sólo a partir de los +4ºC se manifiesta la expansión térmica normal de un líquido, disminuyendo la densidad a medida que aumenta la temperatura.

2.5 EL ENLACE METÁLICO

El concepto fundamental en que se basa la teoría de los metales es que los electrones de valencia de los átomos que forman el metal pueden ser comunes al agregado atómico global, de modo que una especie de “gas” de electrones libres lo llena todo. La interacción entre este gas electrónico y los iones positivos del metal da lugar a una gran fuerza de cohesión. La presencia de tales electrones explica con claridad las altas conductividades eléctricas y térmicas, la opacidad, el brillo de la superficie y otras propiedades específicas de los metales. Sin duda, tanto en un metal como en cualquier sólido, los electrones no son capaces de moverse en su interior con completa libertad. Siempre están influidos en alguna forma por las otras partículas presente, y cuando se profundiza en la teoría de los metales, para incluir estas complicaciones, surge una imagen intuitiva que concuerda totalmente con los datos experimentales.

Se podría obtener cierto conocimiento sobre la capacidad de los átomos metálicos para enlazarse y formar cristales de tamaño ilimitado, considerando el enlace metálico como un enlace covalente no saturado. Comparemos el proceso de unión en dos miembros del grupo 1 del sistema periódico: el hidrógeno y el litio. Una molécula de H2 tiene dos electrones ls con spines opuestos; el máximo número de electrones K que puede tener. Esta molécula H2 está, por tanto, saturada, ya que el principio de exclusión exige que cualquier electrón adicional esté en un estado de energía mayor, y la unión estable de cada átomo H adicional no se puede presentar, a menos que sus electrones estén en el estado ls. En principio, puede parecer que el litio está obligado a comportarse de una manera similar teniendo la configuración electrónica ls22s. Hay , sin embargo, seis estados 2p sin llenar en cada átomo de Li, cuyas energías son ligeramente mayores que la de los estados 2s. Cuando un átomo de Li se acerca a una molécula de Li2 se une a ella fácilmente, con un enlace covalente, sin violar el principio de exclusión, y la molécula Li3, resultante es estable, ya que todos sus electrones de valencia permanecen en capas

L. No hay límite para el número de átomos de Li que pueden unirse de esta manera, ya que el litio forma un cristal enlace, cada uno de éstos supone un cuarto de electrón por término medio, en lugar de los dos que son necesarios en un enlace covalente ordinario.

Existe así un enlace no saturado. Esto se aplica igualmente para los enlaces de otros metales.

Una consecuencia del carácter no saturado del enlace metálico es el hecho de que las propiedades de una mezcla de átomos metálicos diferentes no dependen críticamente de la proporción de cada tipo de átomos, con tal que sus tamaños sean semejantes. Así, las características de una aleación generalmente varían con facilidad cuando cambia su composición, en contraposición con las proporciones atómicas específicas encontradas en sólidos iónicos y en sólidos covalentes, como el SiC.

La consecuencia más notoria de los enlaces no saturados en un metal es la capacidad que tienen los electrones de valencia de errar libremente de átomo en átomo. Para comprender intuitivamente este fenómeno, podemos pensar que cada electrón de valencia se mueve constantemente de enlace en enlace. En el sólido Li, cada electrón participa en ocho enlaces, de manera que gasta poco tiempo entre dos pares de iones Li+. El electrón no puede recordar (por decirlo así) a cuál de los dos iones pertenece en realidad, y es más fácil que se mueva hacia un enlace que de ninguna manera implique a su ion matriz. Por tanto, los electrones de valencia de un metal se comportan de una manera muy similar a las moléculas de un gas. Como en el caso de cualquier otro sólido, los átomos de metal se adhieren debido a que su energía colectiva es más baja cuando están enlazados que cuando existen como átomos separados. Para comprender por qué se presenta esta reducción de energía en un cristal metálico, notamos que, debido a la proximidad de los iones, cad electrón de valencia, en promedio, está más próximo a uno u otro núcleo de lo que estaría si perteneciese a un átomo aislado. En consecuencia, la energía potencial del electrón es menor en el cristal que en el átomo, y la disminución de la energía potencial es la responsable del enlace metálico.

Sin embargo, hay que considerar otro factor. Mientras que la energía potencial del electrón se reduce en un cristal metálico, la energía cinética del electrón aumenta. Los electrones libres en un metal constituyen un sistema único de electrones y el principio de exclusión prohíbe que más de dos de ellos (uno por spin) ocupen cada nivel de energía. A primera vista parecería que, utilizando de nuevo al litio como ejemplo, sólo ocho electrones de valencia en todo un cristal de Li ocuparían/estados cuánticos n = 2; los demás se verían forzados a estados cada vez mayores de energía, de manera que toda la estructura quedaría destruida. Lo que ocurre, en realidad, es menos dramático. Los niveles de energía de valencia de los diferentes átomos metálicos se alteran todos por sus interacciones y se produce una banda de energía que consta de tantos niveles de energía estrechamente espaciados como número total de niveles de energía de valencia en todos los átomos de cristal. En consecuencia, los electrones libres tienen una energía cinética que oscila entre 0 y un máximo uf llamada energía Fermi; la energía Fermi en el litio, por ejemplo, es 4.72 eV, y la energía cinética promedio de los electrones libres en el litio metálico es 2.8 eV. Como la energía cinética del electrón es una cantidad positiva, su aumento en el metal por encima de su valor en los átomos separados conduce a una repulsión.

El enlace metálico se presenta cuando la atracción entre los iones metálicos positivos y el gas de electrones excede la mutua repulsión de los electrones en este gas, esto es, cuando la reducción de la energía potencial del electrón excede en magnitud al aumento concomitante en la energía cinética del electrón. Cuanto mayor es el número de electrones de valencia por átomo, más elevada es en promedio la energía cinética en un cristal metálico, pero sin que haya una caída proporcional en la energía potencial. Por esta razón, los elementos metálicos se encuentran casi todos en los primeros tres grupos de la tabla periódica. Algunos elementos se encuentran en la línea de demarcación y pueden formar cristales, tanto metálicos como covalentes. El estaño es un ejemplo notable. Por encima de 13.2ºC tenemos el metal “estaño blanco”, cuyos átomos tienen seis vecinos próximos. Por debajo de 13.2ºC tenemos el sólido covalente “estaño gris” son sustancias bien diferentes; por ejemplo, tienen densidades respectivas de 5.8 y 7.3 g/cm3, y el estaño gris es un semiconductor, mientras que el estaño blanco tiene la elevada conductividad eléctrica común de un metal.

2.6 LA TEORÍA DE BANDAS DE LOS SÓLIDOS

En casi todos los sólidos cristalinos, sean metálicos o no, los átomos están tan próximos entre sí, que los electrones de valencia constituyen un sistema único de electrones comunes a todo el cristal. Este sistema de electrones cumple el principio de exclusión, puesto que los estados de energía de las capas externas de los átomos están todos alterados de alguna manera por sus interacciones mutuas. En lugar de cada nivel de energía de características bien definidas de un átomo individual, todo el cristal posee una banda de energía compuesta de una miriada de niveles muy próximos unos a otros. El existir en el cristal tantos niveles como átomos, la banda no se puede distinguir de un desarrollo continuo de energías permitidas. La presencia de bandas de energía, los saltos que pueden existir entre ellas, y el grado en que pueden estar llenos por electrones, no sólo determinan el comportamiento de un sólido, sino también tienen una influencia importante en otras de sus propiedades. Hay dos maneras de considerar el origen de las bandas de energía. La más sencilla es investigar qué ocurre a los niveles de energía de átomos aislados cuando se hace que se vayan aproximando para formar un sólido. Abordaremos el tema de esta manera y examinaremos así alguna de las consecuencias de la noción de bandas de energía. Más adelante analizaremos las bandas de energía en función de las restricciones impuestas por la periodicidad de una red cristalina en el movimiento de los electrones, este enfoque, más importante, proporciona la base de gran parte de la teoría moderna de los sólidos.

La Figura 10.12 muestra los niveles de energía en el sólido en función de la distancia intermolecular. El nivel 3s es el primer nivel ocupado en el átomo de sodio que se ensancha y forma una banda; el nivel 2p no empieza a ensancharse hasta que la separación entre núcleos es bastante pequeña. Este comportamiento refleja la manera como las subcargas electrónicas del átomo de sodio se comportan al irse uniendo los átomos. Las energías medias en las bandas 3p y 3s caen al principio, implicando fuerzas de atracción. La distancia internuclear real en el sodio sólido queda indicada, y corresponde a una situación de energía media mínima.

Las bandas de energía en un sólido corresponden a los niveles de energía de un átomo, de modo que un electrón en un sólido puede poseer aquellas energías que caen dentro de estas bandas. En un sólido, las bandas se pueden traslapar (Figura 10.13), en cuyo caso sus electrones tienen una distribución continua de energías permitidas. En otros sólidos, las bandas no se pueden traslapar (Figura 10.14) y los intervalos entre ellas representan energías que no pueden poseer los electrones. Estos intervalos reciben el nombre de bandas prohibidas. El comportamiento eléctrico de un sólido cristalino depende de la estructura de sus bandas de energía y de cómo estén ocupadas normalmente por electrones.

La Figura 10.15 es un diagrama simplificado de los niveles de energía de un átomo de sodio y de las bandas de energía del sodio sólido. El átomo de sodio tiene solamente un electrón 3s en su capa externa. Esto significa que la banda 3s en un cristal de sodio está ocupada sólo a la mitad, ya que cada nivel en la banda, como en el átomo, es sólo capaz de contener dos electrones. Cuando se aplica un campo eléctrico a un trozo de sodio, los electrones, mientras permanecen en sus bandas de energía originales, adquieren fácilmente energía adicional. Esta energía se encuentra en forma de energía cinética, de modo que el movimiento de electrones contribuye a crear una corriente eléctrica. De esta manera, el sodio resulta ser un buen conductor de la electricidad, lo mismo que otros sólidos cristalinos que tienen bandas de energía sólo parcialmente llenas.

La Figura 10.16 es un diagrama simplificado de energía del diamante. Hay una banda de energía totalmente ocupada por electrones, separada por un salto de 6 eV de la banda vacía que está por encima de ella. Esto quiere decir que hay que suministrar 6 eV de energía adicional a un electrón en un cristal de diamante para que pueda tener energía cinética, ya que no puede tener una energía comprendida en una banda prohibida. Un aumento de energía de esta magnitud no puede suministrarse fácilmente a un electrón en un cristal por medio de un campo eléctrico. Un electrón que se mueve en un cristal choca con una imperfección de la red cristalina después de un recorrido medio de alrededor de ∼10-8m, de modo que en el choque pierde mucha de la energía obtenida del campo eléctrico. Es necesaria una intensidad de campo eléctrico de 6 x 108V/m para que un electrón gane 6 eV en un recorrido de 10-8m. Esta cantidad es más de 1010veces mayor que la requerida para producir corriente en el sodio. El diamante es, por tanto, un mal conductor de la electricidad y, en consecuencia, está clasificado como un aislante.

El silicio tiene una estructura cristalina parecida a la del diamante y, como en el diamante, un espacio separa la parte superior de una banda de energía llena de la banda vacía siguiente. Sin embargo, la banda prohibida en el silicio tiene una amplitud de sólo 1.1 eV. A temperaturas bajas, el silicio es un conductor un poco mejor que el diamante, pero a temperatura ambiente, una pequeña proporción de sus electrones poseen la energía cinética de origen térmico necesaria para saltar sobre la banda prohibida, y entrar en la banda de energía superior. Estos electrones son suficientes para permitir que circule algo de corriente cuando se aplica un campo eléctrico. El silicio tiene una resistividad eléctrica intermedia entre un conductor y un aislante; o sea, es un semiconductor.

La resistividad de los semiconductores puede ser afectada considerablemente por pequeñas cantidades de impurezas. Supongamos que introducimos unos cuantos átomos de arsénico en un cristal de silicio. Los átomos de arsénico tienen cinco electrones en su capa externa, mientras que los de silicio sólo tienen cuatro. (La configuración de estas capas son 4s24p3 y 3s23prrespectivamente). Cuando un átomo de arsénico sustituye a uno de silicio en un cristal de silicio, cuatro de sus electrones forman enlaces covalentes con los átomos más próximos. El quinto electrón necesita poca energía para separarse y moverse en el cristal. Como se observa en la Figura 10.17, la presencia de arsénico como impureza da lugar a niveles de energía por debajo de la banda que los electrones deben ocupar para que tenga lugar la conducción. Estos niveles reciben el nombre de niveles aceptores, y la sustancia correspondiente se llama semiconductor tipo n, ya que la corriente eléctrica en él es transportada por las cargas negativas.

Si, por el contrario, incorporamos átomos de galio a un cristal de silicio, se presenta un efecto diferente. Los átomos de galio tienen solamente tres electrones en sus capas externas, cuya configuración es 4s24p, y su presencia deja vacantes, denominadas huecos, en la estructura electrónica del cristal. Un electrón requiere poca energía para entrar en un hueco, pero al hacerlo deja un nuevo hueco en su emplazamiento anterior. Cuando se aplica un campo eléctrico a través de un cristal de silicio que contenga indicios de galio, los electrones se desplazan hacia el ánodo de hueco en hueco. El flujo de corriente se describe aquí convenientemente haciendo referencia a los huecos, cuyo comportamiento es como el de las cargas positivas, ya que se mueven hacia el electrodo negativo. Una sustancia de este tipo recibe el nombre de semiconductor tipo p. (Algunos metales, como el cinc, conducen principalmente corriente por movimiento de huecos). En el diagrama de bandas de energía de la Figura 10.18 vemos que la presencia de galio proporciona niveles de energía, llamados niveles aceptores, justo por encima de la banda llena más alta. Todos los electrones que ocupan estos niveles dejan tras de sí, en la banda que llenaron con anterioridad, vacantes que permiten el flujo de corriente eléctrica.

Respecto a la información referente a los tipos de cristales, completa las siguientes columnas:

ENLACE EJEMPLOS PROPIEDADES
Iónico
Covalente
Metálico
Molecular

¿Cómo actúan los electrones de valencia en el principio de exclusión en la teoría de banda de los sólidos?

2.7 ESPECTROS DE LÍNEA

La radiación proveniente de los átomos puede ser clasificada en espectros continuos y espectros discretos o de líneas. En un espectro continuo se emiten todas las longitudes de onda, desde un mínimo, quizás el cero, a algún máximo, quizás aproximándose al infinito. La radiación de un objeto caliente que brilla es un ejemplo de esta categoría. Se sabe que la luz blanca es una mezcla de todos los distintos colores de la luz visible; un objeto que se observa blanco por el calor, está emitiendo luz en todas las frecuencias del espectro visible. Si, por otro lado, se hace una descarga eléctrica en un tubo que contiene una pequeña cantidad del gas o el vapor de un elemento, como el mercurio, el sodio, o el neón, se emite luz en ciertas longitudes de onda discretas y no en alguna otra. En la Figura 6.17 se muestran ejemplos de tales espectros de “líneas”, las líneas intensas de 436 nm (azul) y de 546 nm (verde) en el espectro del mercurio producen un tinte azul verdoso en las luces mercuriales de las calles; la línea intensa amarilla de 590 nm en el espectro del sodio (la cual es realmente un doblete –dos líneas muy cercanas entre sí) produce un suave color amarillento en las luces de vapor de sodio del alumbrado público. La línea roja del neón es la responsable del color rojo de los “anuncios de neón”.

Figura 6.17 Aparato para observar espectros de líneas. Se emite luz cuando se produce una descarga eléctrica en un tubo que contiene el vapor de un elemento. La luz pasa a través de un medio dispersivo, tal como un prisma o una rejilla de difracción, el cual dispone las longitudes de onda componentes en posiciones diferentes. Como ejemplos, se muestran los espectros de líneas del mercurio y del sodio en el visible y el ultravioleta cercano.

Otro experimento posible consiste en pasar un haz de luz blanca, que contiene todas las longitudes de onda, a través de una muestra del gas. Cuando se hace esto, se encuentra que ciertas longitudes de onda han sido absorbidas por la luz y resulta de nuevo un espectro de líneas. Estas longitudes de onda corresponden a muchas (pero no a todas) de las longitudes de onda que se observan en el espectro de emisión. En la figura 6.18 se muestran ejemplos.

Figura 6.18 Aparato para observar espectros de absorción. Una fuente de luz produce un continuo de longitudes de onda, algunas de las cuales son absorbidas por un elemento en fase gaseosa. La luz se dispersa, como se muestra en la figura 6.17 El resultado es un espectro continuo tipo “arco iris”, con líneas oscuras a las longitudes de onda donde la luz fue absorbida por el gas.

Figura 6.19 Series espectrales de emisión y de absorción del hidrógeno. Nótense las regularidades en el espaciamiento de las líneas espectrales. Las líneas se van acercando entre sí a medida que se alcanza el límite de cada serie (líneas punteadas). Sólo la serie de Lyman aparece en el espectro de absorción, mientras que todas las series están presentes en el espectro de emisión.

En general, la interpretación de los espectros de líneas es muy difícil para los átomos complejos; por lo tanto, se tratará exclusivamente el estudio del espectro de líneas del átomo más simple, el hidrógeno. Este espectro, debido a la simplicidad del átomo con un solo electrón, exhibe regularidades en el espectro de emisión y en el espectro de absorción, las cuales se muestran en la figura 6.19. Nótese que, como con los otros espectros, no todas las líneas presentes en el espectro de emisión se encuentran presentes en el espectro de absorción.

En la discusión de la radiación de cuerpo negro, se encontró un ejemplo del “método científico al revés”, en el cual, en ausencia de una teoría que explicara los datos, se trata de encontrar una función que se ajuste a los datos, para tratar luego, de encontrar una teoría que explique la función derivada. Un maestro de escuela suizo, llamado Johannes Balmer, notó que las longitudes de onda del grupo de líneas de emisión del hidrógeno, en la región visible, podrían ajustarse con bastante precisión por medio de la fórmula

2

n

λ = 364.5 Fórmula de Balmer (6.26)

n2 4

donde λ está en unidades de nm y n puede tomar valores enteros empezando con el 3. por ejemplo, para n = 3, λ = 656.1 nm. Esta fórmula se le conoce ahora como la fórmula de Balmer y la serie de líneas a las cuales se ajusta se le llama la serie de Balmer. La longitud de onda 364.5 nm, que corresponde a n – ∞, es llamada el límite de la serie. Pronto se descubrió que todos los grupos de líneas en el espectro del hidrógeno podían ajustarse por medio de una fórmula similar del tipo

2

n

λ = λlímite (6.27)

22

nr

donde λlímite es la longitud de onda del límite de la serie apropiada y donde n toma valores enteros empezando con n0 + 1. (Obviamente, n0 = 2 para la serie de Balmer). A las otras series se les conoce ahora como series Lyman (n0 = 1), Parchen (n0 = 3), Brackett (n0 = 4) y Pfund (n0 = 5).

Otra propiedad interesante de las longitudes de onda del hidrógeno se resume en el principio de combinación de Ritz. Si se convierten las longitudes de onda de emisión del hidrógeno a frecuencias, se encuentra la curiosa propiedad de que ciertos pares de frecuencias, al sumarse, dan otras frecuencias que aparecen en el espectro.

Cualquier modelo satisfactorio del átomo de hidrógeno debe ser susceptible de explicar la razón de estas interesantes regularidades aritméticas en los espectros de emisión.

¿Cómo se clasifican la radiación proveniente de los átomos?

¿Qué es un espectro continuo y de líneas?

¿Cuál es la unidad que se utiliza en lambda (7) longitud de onda en los espectros de emisión?

¿Qué propone el principio de combinación de Ritz?

Ejemplo

El límite de serie de Pachen (n0 = 3) es 820.1 nm. ¿Cuáles son las longitudes de onda más largas de la serie de Parchen?

Solución:

De la ecuación (6.27),

2

λ 820.1 n n = 4, 5, 6, … n2 32

Las tres longitudes de onda más largas son:

42

n = 4: λ = 820.1 = 1875 nm42 32

52

n = 5: λ = 820.1 = 1281 nm 52 32

62

n = 6: λ = 820.1 = 1094 nm 62 32

Estas transiciones están en la región infrarroja del espectro electromagnético.

Demostrar que la longitud de onda más larga de la serie de Balmer y las dos longitudes de onda más largas de la serie de Lyman satisfacen el principio de combinación de Ritz. Para la serie de Lymanm λlímite = 91.13 nm.

Sólidos moleculares

Ninguno de los sólidos que se han examinado hasta ahora se pueden considerar como compuesto de moléculas individuales, sin embargo, es posible que las moléculas ejerzan fuerzas una sobre otra y que se unan para formar sólidos. Puesto que las moléculas tienen electrones compartidos en enlaces moleculares, no hay electrones disponibles que participen en enlaces iónicos, covalentes o metálicos con otras moléculas. Los sólidos moleculares se mantienen unidos por fuerzas mucho más débiles, las cuales dependen generalmente de los momentos dipolares simétricos de las moléculas. Estas fuerzas entre una molécula y otra son mucho más débiles que las fuerzas internas que mantienen unida a la molécula entre sí; por lo tanto una molécula sí puede retener su identidad en un sólido molecular.

Los sólidos metálicos, iónicos y covalentes se mantienen unidos por fuerzas ordinarias coulombianas tipo 1/r2; en los sólidos iónicos, la fuerza está entre los iones positivos y negativos, al paso que en los sólidos covalentes y metálicos actúa entre los iones positivos y los electrones compartidos. Las moléculas son eléctricamente neutras en un sólido molecular y, por consiguiente las fuerzas de Coulomb no son posibles. Sin embargo, es factible que el momento bipolar de una molécula ejerza una fuerza de atracción sobre el momento bipolar de la otra. Esta fuerza de cohesión es proporcional a 1/r3, por lo que es más débil que la fuerza de Coulomb. Por lo tanto, los sólidos moleculares se encuentran ligados más débilmente y tienen puntos de fusión más bajos que los sólidos iónicos, metálicos o covalente, ya que se requiere menor energía térmica para romper las ligaduras de un sólido molecular.

Las fuerzas bipolares eléctricas serán importantes en los enlaces moleculares para todas las moléculas que tengan momentos bipolares eléctricos permanentes (moléculas polares). Es posible imaginar que tales fuerzas ocurren cuando el extremo positivo de un dipolo ejerce una fuerza de atracción sobre el extremo negativo del siguiente, como se muestra en la Figura 14.10.

La molécula de agua es un ejemplo en donde ocurren estas fuerzas. El átomo de oxígeno en el agua atrae todos los electrones de la molécula, funcionando como el extremo negativo del dipolo; los dos protones “desnudos” son los extremos positivos del dipolo y cada uno puede atraer al oxígeno negativo de las moléculas adyacentes de agua (Figura 14.11). Aunque esta explicación simplificada en gran manera no es del todo obvia, este tipo de ligadura es la que produce la estructura hexagonal cristalina tan característica del hielo y es la responsable de los hermosos patrones hexagonales de los copos de nieve. Cuando una ligadura de este tipo implica a los átomos de hidrógeno, como sucede en el caso del agua, se le conoce como enlace de hidrógeno.

 

También es posible que moléculas que no tienen momentos dipolares permanentes ejerzan fuerzas dipolares entre sí. Considérese un átomo de helio. Los dos electrones del helio se encuentran en los estados s; de ese modo el helio posee simetría eférica – en promedio, semeja como un núcleo con carga + 2e rodeado de una esfera de carga 2e con un radio de 0.1 nm. (Figura 14.12)-. De hecho, una “fotografía instantánea” de un átomo de helio aparecería en la figura 14.12. Supóngase que ahora se usa una cámara que viola el principio de incertidumbre mostrando las posiciones exactas de los electrones; entonces, una fotografía del átomo de helio se vería como la figura 14.13. Este átomo puede tener un momento bipolar eléctrico instantáneo, aunque su momento bipolar eléctrico promedio sea igual a cero. Cualquier medida que se hiciese en el laboratorio revelaría este valor promedio (cero) y no el valor instantáneo. Sin embargo, un átomo vecino, no se encuentra sujeto a tales restricciones y siente el campo eléctrico producido por el momento bipolar eléctrico instantáneo. El efecto en el átomo vecino será atraer su carga negativa y rechazar su carga positiva, como se muestra en la figura

14.14. Por lo tanto, el átomo vecino adquiere un momento bipolar inducido, y ahora dos átomos pueden atraerse uno al otro por medio de fuerzas dipolo-dipolo. (Un imán atrae un pedazo de hierro sin magnetizar por medio del mismo proceso). Una fotografía tomada un instante después podría mostrar distintas posiciones de los electrones y un momento dipolar inducido del átomo vecino distinto, pero la fuerza entre los vecinos sigue siendo de atracción. Tales fuerzas atractiva entre moléculas que no tienen momentos bipolares permanentes, se conocen como fuerzas de van der Waals y son las causantes de la cohesión de los sólidos que contienen moléculas no polares. (También son las causantes de fenómenos físicos tales como la fricción y la tensión superficial). Ejemplos de sólidos que se encuentran ligados por tales fuerzas son aquellos cuyos átomos son los gases nobles, los halógenos, otros gases como el H2, N2, O2 y también moléculas simétricas el CH4 o el GeCl.

Figura 14.12. La distribución de carga electrónica, esféricamente simétrica, del helio.

 

Figura 14.14. Fuerzas bipolares

 

Falta página 465

Se pueden considerar como si formaran una banda casi continua de niveles de energía. Puesto que a esos niveles los identificamos con los niveles atómicos 3s del sodio, nos referiremos a esta banda como la banda 3s.

Cada banda de energía tiene un total de N niveles individuales. Cada nivel puede tener 2 x (2l + 1) electrones (correspondientes a las dos orientaciones del espín del electrón y a las 2l + 1 orientaciones del impulso angular orbital del electrón); así que la capacidad de cada banda es de 2(2l + 1)N electrones.

La figura 14.19 muestra una representación más completa de las bandas de energía en el sodio metálico. Las bandas 1s, 2s y 2p están llenas; las bandas 1s y 2s contienen cada una 2N electrones, y la banda 2p contiene 6N electrones. La banda 3s podría acomodar también a 2N electrones; sin embargo, los N átomos sólo contribuyen un electrón 3s al sólido, y entonces sólo hay N electrones 3s disponibles. Por lo tanto, la banda 3s sólo está medio llena. Arriba de la banda 3s se encuentra una banda 3p, la cual puede tener 6N electrones, pero está completamente vacía.

3p

N 3s

6N 2p

2n 2s

2N 1s

Figura 14.19. Bandas de energía en el sodio metálico.

La situación descrita corresponde por supuesto, al estado base del metal sodio. Cuando se agrega energía al sistema (por ejemplo, energía térmica o eléctrica), los electrones se pueden mover de los estados llenos a cualquiera de los estados vacíos. En este caso, los electrones de la banda 3s parcialmente llena pueden absorber una pequeña cantidad de energía y pasar a estados 3s más altos, aún dentro de la banda 3s, o absorber una cantidad de energía mayor y pasar a la banda 3p.

Este estado, se puede describir de una forma más precisa si se recuerdan los estudios acerca de la estadística cuántica. La distribución de Fermi-Darae describe los electrones. A una temperatura de T = OK, todos los niveles electrónicos por debajo de la energía de Fermi Ef están llenos y todos los niveles de energía por encima de la energía de Fermi se encuentran vacíos, como se muestra en la Figura 14.20. En el caso del sodio, la energía de Fermi se encontraría exactamente en medio de la banda 3s, puesto que debajo de esa energía todos los niveles electrónicos están ocupados. A temperaturas más altas, la energía de Fermi proporciona el nivel en el cual la probabilidad de ocupación es del 50 por ciento; la energía de Fermi no cambia significativamente a medida que se incrementa la temperatura; pero la probabilidad de ocupación de los niveles por encima de Ef deja de ser cero. En la figura 14.21 la excitación térmica produce una pequeña población de la banda 3p.

Niveles vacíos

Ef

Niveles ocupados

(AE)

0 1

Figura 14.20. Detalle de una banda medio llena a T = 0; a la derecha se muestra La distribución de Fermi-Dirae.

 

Figura 14.21. La población de las bandas de energía de sodio a T > 0. La banda 2p ya no está completamente llena y la banda 3p ya no se encuentra completamente vacía.

Brecha de energía, bandas de conducción y valencia.

El sodio es un ejemplo de una sustancia que es un buen conductor eléctrico. Cuando se aplica una ligera diferencia de potencial, del orden de 1 V, los electrones pueden absorber esta energía fácilmente, porque hay N estados desocupados dentro de la banda 3s, todos dentro del intervalo de energía de 1 eV. Los electrones absorben esta energía al tiempo que el voltaje aplicado los acelera y, por lo tanto, adquieren la libertad para moverse siempre y cuando haya muchos estados desocupados dentro del intervalo de energías accesibles. En el sodio existen N electrones relativamente libres que fácilmente pueden moverse a los N estados de energía desocupados; por lo tanto, el sodio es un buen conductor.

Por otro lado, un material en el cual una banda está completamente llena y la siguiente completamente vacía sería un mal conductor. En este caso se define la brecha entre las bandas de energía y la energía de Fermi yace en alguna parte de la brecha, como se muestra en la Figura 14.22. Una vez más, en T = 0, todos los estados por debajo de Ef se encuentran llenos. A medida que se eleva la temperatura, la forma de la función de distribución de Fermi-Dirae cambia; si la brecha de energía entre las bandas es grande comparada con kT, habrá pocos electrones térmicamente excitados de la banda más baja, llamada banda de ralencia, a la banda superior, llamada banda de conducción. Este estado se muestra en la Figura 14.23. hay muchos electrones disponibles en la banda de valencia para la conducción eléctrica, pero hay muy pocos estados vacíos para ellos, de manera que no contribuyen a la conductividad eléctrica. Hau muchos estados vacíos en la banda de conducción, pero a temperaturas normales, hay tan pocos electrones en esa banda que su contribución a la conductividad eléctrica es, también, muy pequeña. Estas sustancias se clasifican como aislantes y, por lo general, tienen dos propiedades: una brecha de energía muy grande (unos cuantos electrón-voltio) entre las bandas de valencia y de conducción, y un nivel de Fermi en la brecha entre las bandas (esto es, una banda de valencia llena y una brecha de conducción vacía).

cual Ef yace en la brecha entre las bandas. conducción aún se encuentra sin poblarse.

Esta situación es característica de un aislante.

Cuando un material tiene la estructura básica de un aislante, pero una energía menor (1 eV o menos), el comportamiento es muy distinto. Estos materiales se conocen como semiconductores. La Figura 14.24 muestra una de estas sustancias a temperaturas normales. En este caso hay un número razonable de electrones en la banda de conducción y, por supuesto, muchos estados vacíos accesibles a éstos, de modo que se transfieren con relativa facilidad. También hay un número razonable de estados vacíos en la banda de valencia; así que algunos de los muchos electrones en la banda de valencia también contribuyen a la conductividad eléctrica moviéndose a través de dichos estados. Consideraremos estos dos mecanismos de conducción eléctrica en detalle en la sección 14.7. Por ahora señalaremos dos propiedades eléctricas de los semiconductores que se relacionan directamente con la estructura de bandas, según se muestra en la figura 14.24. 1) Ya que la excitación térmica a través de la banda prohibida (brecha) es relativamente más probable, la conductividad eléctrica de los semiconductores depende más fuertemente de la temperatura que de la conductividad eléctrica de los aislantes o los conductores. 2) Es posible alterar la estructura de estos materiales agregando impurezas en bajas concentraciones de tal forma que la energía de Fermi se altere, moviéndose hacia la banda de conducción o hacia la banda de valencia. Este proceso, conocido como impurificación o dopado, obviamente puede tener un efecto notable sobre la conductividad del semiconductor.

En los ejemplos que hemos analizado hasta ahora, no es muy evidente la razón por la cual la teoría de bandas es tan útil para comprender las propiedades de un sólido. Por ejemplo, se espera que el sodio sea un buen conductor sobre la base de sus propiedades atómicas solamente (un electrón 3s relativamente despligado); el xenón sólido sólo tiene capas atómicas llenas, por lo tanto, sería un mal conductor. Estas conclusiones se deducen de la teoría atómica simple o de la teoría atómica de bandas. Sin embargo, existen muchos casos en los cuales la teoría atómica lleva a predicciones erróneas, mientras que la teoría de bandas proporciona los resultados correctos. Considérense dos ejemplos: 1) El magnesio tiene una capa llena 3s; sobre la base de la teoría atómica se esperaría que fuera un mal conductor eléctrico, sin embargo es un buen conductor. 2) La capa 2p del carbono sólo tiene 2 electrones, de un número máximo de 6 que puede contener. Por lo tanto, el carbono debería ser un conductor relativamente bueno; en lugar de eso, es un conductor en extremo malo. Esto se puede comprender tomando en cuenta la extraña forma en que se comportan las bandas de estos sólidos cuando los átomos se encuentran lo suficientemente cerca como para que la brecha de bandas desaparezca y las bandas se traslapen. En el magnesio (Figura 14.25), por ejemplo, las bandas 3s (llena) y 3P (vacía) se traslapan; el resultado es una sola banda con una capacidad de 2N + 6N = 8N niveles. Sólo 2N de estos niveles se encuentran llenos; así, el magnesio se comporta como un material con una sola banda llena hasta la cuarta parte de su capacidad. Por lo tanto, el magnesio es un muy buen conductor. En el carbono, el traslape excesivo de las funciones de onda de los electrones a distancias muy cortas, ocasiona primero la mezcla de las bandas 2s y 2p, de una forma similar al magnesio; luego se crea una sola banda con una capacidad e 8N electrones (Figura 14.26). A medida que los átomos se acercan aún más, la banda se divide en dos bandas separadas con una capacidad de 4N electrones cada una. Ya que el carbono tiene 4 electrones de valencia (dos 2s y dos 2p), los 4N estados más bajos están completamente llenos y los 4N estados superiores de la banda de conducción están completamente vacíos. Por lo tanto, el carbono es un aislante. El germanio y el silicio tienen el mismo tipo de estructura que el carbono, pero su separación de equilibrio es mayor y la brecha entre las bandas de conducción de equilibrio es mayor y la brecha entre las bandas de conducción y de valencia es pequeña, de aproximadamente 1 eV; esta característica es causa de que el germanio y el silicio sean semiconductores.

Figura 14.25. La estructura de bandas del magnesio. Las bandas 3s y 3p se traslapan formando una sola banda.

Separación atómica

Figura 14.26. La estructura de bandas del carbono, el silicio y el germanio. La banda combinada ns + np se desdobla en dos bandas. El carbono es un aislante debido a que la brecha es grande; el germanio y el silicio son semiconductores ya que las brechas de energía son más pequeñas.

En esta sección hemos examinado la teoría de bandas de los sólidos muy esquemáticamente. Ahora resumiremos los puntos principales de esta teoría:

  1. Cuando se unen muchos átomos para formar un sólido, las interacciones entre los átomos provocan que los niveles discretos de energía de los átomos aislados se “difundan” formando bandas.
  2. las propiedades atómicas de los átomos aislados y las separaciones de equilibrio de los átomos en el sólido determinan las propiedades de las bandas.
  3. la ocupación de las bandas, el espaciamiento entre las bandas y la posición relativa de la energía de Fermi determinan las propiedades del sólido.

Justificación de la teoría de bandas

La teoría de bandas ha tenido mucho éxito al explicar las propiedades de los metales, los aislantes y los semiconductores. Sin embargo, la explicación del origen de estas bandas de energía fue solamente esquemática, por alguna razón la acción de unir los átomos es responsable de la existencia de las bandas, causada por el traslape de las funciones de onda de los electrones. En esta sección consideraremos un enfoque algo distinto que también indica la existencia de las bandas de energía.

Se trata del enfoque riguroso: resolveremos la ecuación de Schrödinger para los electrones que se mueven en una red de átomos. Cuando seguimos este procedimiento en el caso del pozo cuadrado o del átomo de hidrógeno, encontramos que sólo se permitían valores discretos de la energía. En este caso, descubriremos que sólo se permiten ciertas bandas de energía.

Resolver la ecuación de Scrödinger en tres dimensiones para una red compuesta de un número grande de átomos o iones, los cuales ejercen fuerzas coulombianas sobre el electrón, es un proceso bastante complicado según puede imaginar el lector. (La Figura

14.27 muestra cómo se vería en una dimensión el potencial que experimenta el electrón). Dado que el interés principal radica en estudiar cómo surgen las bandas de energía en una situación así, se realizarán varias simplificaciones. Primero se considera el problema sólo en una dimensión; esto es justamente lo que hicimos en el capítulo 5, cuando estudiamos las energías discretas que resultaban de resolver la ecuación de Schrödinger en una dimensión para varios potenciales. Luego reemplazamos el potencial de Coulomb con un potencial de pozo cuadrado. Esto ayuda a simplificar el cálculo sin restringir la aplicabilidad física. Podemos hacer una mejor aproximación al potencial coulombiano en el cual V- -∞ a medida que r-0, seleccionando un pozo de potencial de anchura b y profundidad V0 y dejando que b-0 y V0 -∞, de tal forma que el producto bV0 permanezca constante. Esto es, el pozo se vuelve, simultáneamente, más profundo y más angosto pero su “área” vB0 permanece constante.

La Figura 14.28 muestra el potencial con el que deseamos resolver la ecuación de Schrödinger: una fila infinita de pozos de potencia, cada uno con anchura b y profundidad V0, con un espaciamiento a de centro a centro. Cada pozo representa uno de los iones de la red.

Figura 14.28. Una versión simplificada del potencial de la figura 14.27.

Las soluciones a un problema de este tipo con un potencial que se repite periódicamente se pueden encontrar con ayuda del teorema de Bloch, de acuerdo el cual el potencial periódico modifica la función de onda del electrón libre (por ejemplo, Ψ(x) ∼ cos kx) de la siguiente forma

Ψ(x) ∼ u(x) cos kx

donde la función modulante u(x) tiene la misma periodicidad que el potencial:

u(x + a) = u(x)

A la mitad del camino entre los iones, u(x) ≅ 1 y el electrón se comporta como si estuviera prácticamente libre. Es sólo cuando nos acercamos a un ion que u(x) difiere significativamente de 1.

No profundizaremos en las matemáticas de la solución a este problema, pero antes de analizar las soluciones, debemos recordar dos resultados del capítulo 5. 1) Para la partícula libre, E = h2-k2/2m; se permiten todos los valores de k y por consiguiente los de E y la energía es continua. 2) Cuando resolvimos el problema del pozo cuadrado en el capítulo 5, los valores discretos de la energía resultaron de la aplicación de la restricción de que Ψ(x) debe ser continua en las fronteras del pozo. Esto permitía sólo ciertos valores de k y, por lo tanto, de E.

La solución al problema de la “red unidimensional” es parecida. Cuando se aplican las condiciones de frontera, se obtiene la siguiente ecuación:

maV0b sen ∝α

Cos ka = + cos ∝a

h2

donde

2mE

a =

2

n

Ésta es la ecuación que genera las bandas de energía.

El miembro izquierdo de la ecuación (14.12) sólo puede tomar valores entre + 1 y – 1; por lo tanto, el miembro derecho debe hacer lo mismo. Sin embargo, pueden existir valores de α (y por lo tanto de E) para los cuales el miembro derecho podrá volverse mayor que + 1 o menor que -1. Ya que la ecuación (14.12) no tendrá sentido en tales casos (supuesto que todas las cantidades en la ecuación sean reales), estos valores no deben de ocurrir. Esos valores de la energía están prohibidos y dan lugar a las bandas prohibidas o brechas de energía ya analizadas anteriormente.

La Figura 14.29 es una gráfica del miembro derecho de la ecuación (14.12). La función oscila una y otra vez y, para ciertos valores de αa, su amplitud es mayor que + 1 o menor que – 1, y éstas son las regiones prohibidas. En las regiones permitidas, para las cuales el valor se encuentra entre + 1 y – 1, no existen restricciones en los valores de k o

E. Dado que las regiones permitidas se extienden de + 1 a -1, cos ka toma todos loa valores posibles entre + 1 y – 1; de esa manera no sólo no hay restricciones en k sino que puede tomar un intervalo completo de valores.

Hay otra manera de interpretar estas soluciones, la cual implica más directamente la naturaleza ondulatoria de los electrones. En esta interpretación consideramos la relación entre la energía E y el número de onda k. Para una partícula libre, E = h2-k2/2m, y la relación es una parábola como se muestra en la Figura 14.30. También son visibles en esta ilustración las bandas de energía permitidas y las regiones prohibidas. Nótese que muchas veces el electrón se comporta como una partícula libre; esto es, los segmentos en forma de S frecuentemente coinciden con la parábola. Sólo cuando el número de onda k se aproxima a los valores π/a, 3π/a.. son más notorias las desviaciones respecto al caso de la partícula libre.

Figura 14.30. La relación entre la energía y el número de onda para una red unidimensional. La curva punteada es la parábola correspondiente a la partícula libre. Las curvas gruesas son las soluciones al problema en una dimensión.

Figura 14.31. Dispersión de Bragg unidimensional. La única dispersión posible es una reflexión sobre la dirección original.

Para entender por qué razón ocurre esto, es necesario regresar a la naturaleza ondulatoria del electrón. El movimiento de los electrones dentro del sólido puede interpretarse también como el movimiento de ondas electrónicas de deBroglie a través del sólido. La Figura 14.31 muestra dicha onda al propagarse a través de la red; en el sencillo cálculo anterior sólo se consideró una dimensión, por lo que solamente interesará lo que sucede a lo largo de la dirección de propagación de la onda. La figura

14.31 recuerda la reflexión de Bragg de las ondas de rayos X que se analizó en el capítulo 3; la condición de Bragg para la reflexión de las ondas era

2d sen θ = n λ (14.13)

donde d es el espaciamiento atómico y θ es el ángulo de incidencia medido del plano de átomos (no desde la normal). En una red en dos dimensiones, l onda incidente se puede dispersar en muchas direcciones, dependiendo del plano de átomos donde se imagine uno que ocurre la reflexión (recuérdese la Figura 3.6); sin embargo, en una dimensión, sólo puede ocurrir una sola reflexión –la onda incidente se refleja en la dirección contraria. Para este caso, se puede usar la condición de Bragg, con d = a (el espaciamiento entre los átomos de la red) y θ = 90 grados (el ángulo entre el “plano de reflexión” y la onda incidente); así

2ª sen 90º = nλ (14.14)

y, usando k = 2π/λ, se encuentra que

π

k = n (14.15)

a

Éstos son precisamente los número de onda para los cuales ocurren los “rompimientos” en la gráfica de E contra k de la Figura 14.30. Para los números de onda que no satisfacen esta condición, la onda no se refleja –ni siquiera ve la red-y se propaga libremente, como la onda viajera que representa una partícula libre. Cuando la onda satisface la condición de Bragg, se refleja sobre sí misma dando como resultado una onda estacionaria. (Recuérdese que se obtiene una onda estacionaria cuando se superponen dos ondas con la misma longitud de onda λ que viajan en direcciones opuestas). Como se ha visto repetidamente, las funciones de onda que representan éstas dos ondas electrónicas se pueden combinar en dos formas –sus amplitudes se pueden sumar o restar- produciendo dos posibles ondas estacionarias distintas. Si se toma como origen del sistema de coordenadas (x = 0) uno de los iones, entonces una de las ondas estacionarias tiene la forma Ψ1 – sen(nπx/a) y la otra tiene la forma Ψ2 – cos(nπx/a).

Las densidades de probabilidad para estas dos ondas son justamente los cuadrados de las funciones de onda y se muestran en la Figura 14.32. Nótese que la solución Ψ1 da una probabilidad baja de encontrar el electrón cerca de los iones y una probabilidad alta de encontrar el electrón a la mitad del camino entre los iones. Por otro lado, la solución Ψ2 da una probabilidad alta de encontrar el electrón cerca de los iones. Ya que un electrón representado por la función de onda Ψ2, permanece más tiempo cerca de los iones positivos, está ligado más fuertemente (tiene más energía potencial negativa) y, por lo tanto, su energía se encuentra ligeramente debajo de la energía del electrón libre; esto corresponde a las ramas de las curvas de E contra k de la Figura 14.30, las cuales se doblan debajo de la parábola en las brechas de energía. La solución Ψ1 está menos ligada que el electrón libre (para el cual ⏐Ψ⏐2 es una constante); de ese modo su energía se encuentra ligeramente arriba de la parábola correspondiente al electrón libre. Esta diferencia en energía entre Ψ1 y Ψ2 constituye la brecha de energía.

Por supuesto, este cálculo simple en una dimensión no representa exactamente el comportamiento de los electrones verdaderos moviéndose en los sólidos tridimensionales reales, pero sí da una idea acerca del origen de las bandas de energía permitidas y las brechas o bandas prohibidas, y muestra, una vez más, que el comportamiento ondulatorio de los electrones tiene consecuencias importantes, en este caso para la conducción eléctrica en sólidos.

¿Cuál es la importancia de los momentos bipolares en los enlaces moleculares?

De acuerdo a la estadística cuántica, ¿cómo se lleva a cabo la distribución de electrones, propuesta por (Fermi-Dirac)?

¿Qué es un semiconductor?

Con respecto a semiconductores, ¿cómo se lleva a cabo el proceso de dopado?

¿Cómo se llaman las fuerzas causantes de fenómenos físicos tales como la fricción y la tensión superficial?

Propiedades de los metales

En el capítulo 12 hemos analizado la capacidad calorífica de los metales en términos de la teoría de los electrones libres. En esta sección examinaremos con más detalle algunas otras propiedades de las sustancias metálicas.

Conductividad térmica

Los electrones en un metal también contribuyen a su conductividad térmica. En conformidad con la teoría cinética clásica, la conductividad térmica K de un gas se define como

K = 1/3Cvl (14.22)

Donde C es la capacidad calorífica por unidad de volumen, v es la velocidad molecular y l es el camino libre medio. Si, como es ya común, se considera el metal como un gas de electrones, se puede usar el cálculo de la sección 12.7 para la capacidad calorífica molar del gas de electrones, C ≅ RKTIEf. Un cálculo más exacto daría el factor π2/2 en lugar de 27/32; por lo tanto:

π2 RkTvln

K = (14.23)

6NΛEf

Donde el factor n/N∧ convierte la capacidad calorífica molar en la capacidad calorífica por 1

unidad de volumen. Con R = N∧k y Ef = 2 mv2, se tiene que

π2 k2nlT

K = (14.24)

3 mv

Si se intenta calcular K usando las mismas estimaciones que se usaron para la conductividad eléctrica, se encontrarán los mismos problemas al calcular el camino libre medio l. Este problema se puede eliminar determinando la razón entre las

conductividades térmica y eléctrica:
Tabla 14.4 Número de Lorenz metales (unidades W•Ω/K2). de algunos de 10-8
Metal 0ºC 100ºC
Ag Au 2.31 2.35 2.37 2.40
Cd 2.42 2.43
Cu 2.23 2.33
Pb 2.47 2.56
Sn 2.52 2.49
Zn 2.31 2.33

2k2

= 2 T (14.25)

σ 3e Falta párrafo………de la pág. 477

Potenciales de contacto

Considérese lo que sucede cuando dos metales distinto, con energías de Fermi distintas, se ponen en contacto, como se muestra en la Figura 14.34. Los electrones que se encuentren cerca de la frontera del metal que tenga el nivel de Fermi más alto se podrán mover más fácilmente para ocupar los estados vacíos justamente por arriba del nivel de Fermi del otro metal. Esto ocurrirá, del mismo modo en que el agua busca su propio nivel, hasta que los dos niveles de Fermi en los dos metales se vuelven idénticos, como se muestra en la figura 14.35. (Esto puede suceder puesto que los dos materiales son metales en los que los electrones se mueven casi libremente; como se verá en la siguiente sección, los electrones en los semiconductores no se pueden mover muy lejos y se encuentran restringidos a moverse en una región muy pequeña cerca de la frontera entre los materiales). Un metal adquiere electrones y se carga negativamente, mientras que el otro se carga positivamente desarrollándose así una diferencia de potencial al poner simplemente los metales en contacto. Esta diferencia de potencial es el potencial de contacto.

Sea W la energía necesaria para sacar un electrón del nivel de Fermi fuera del metal; ésta es precisamente la función de trabajo del metal. De la Figura 14.35 se podrá ver que el potencial de contacto V queda determinado por la diferencia entre las funciones

de trabajo de los dos metales:
W1 W2
V = e (14.26)

Superconductividad

A bajas temperaturas, la resistividad de un metal (el inverso de su conductividad) es casi constante. A medida que se disminuye la temperatura de un material, la contribución de la red a la resisitivdad disminuye, mientras que la contribución por impurezas permanece aproximadamente constante; y a medida que nos aproximamos a T = 0 K la resistividad debería aproximarse a un valor constante. De hecho, muchos metales, conocidos como metales normales, se comportan de esa manera, según se ilustra en la Figura 14.36.

Figura 14.36. Resistividad de un conductor ordinario.

El comportamiento de otro tipo de metales es muy distinto a lo que se muestra en la figura 14.36. estos metales se comportan normalmente al paso que decrece la temperatura, pero a una temperatura crítica Tc (la cual depende de las propiedades del metal), la resistividad cae repentinamente a cero, como se muestra en la Figura 14.37. Estos materiales se conocen como superconductores. La resistividad de un superconductor no solamente es muy pequeña a temperaturas por debajo de T0 sino que desaparece completamente. Dichos materiales pueden conducir corrientes eléctricas hasta en la ausencia de un voltaje aplicado, y la conducción ocurre sin pérdidas tipo l2R (calentamiento de Joule).

Figura 14.37. Resistividad de un superconductor.

La teoría cuántica de la superconductividad es muy compleja y rebasa el nivel de este texto; en su lugar se indicará esquemáticamente cómo se origina este extraño fenómeno. Un electrón en movimiento interactúa con la red; posiblemente ésta le provoca vibraciones (fotones). Esta energía de interacción puede ser transferida a un segundo electrón. Se puede suponer que en esta situación los dos electrones se encuentran acoplados a través de la mediación de la red; la red no retiene energía en esta transferencia, como si los electrones se movieran interactuando solamente entre sí y no con la malla.

En nuestros anteriores estudios acerca de la conductividad, hicimos notar que un electrón en la parte central de la banda de conducción no debería interactuar en absoluto con una red perfecta y que tales electrones generarían una conductividad eléctrica infinita. En un superconductor, la conductividad es, ciertamente, infinita, porque los electrones no interactúan con la red, pero no porque la red sea perfecta; la superconductividad ocurre a causa de que los electrones se mueven por pares fuertemente correlacionados que no pierden energía al interactuar con la red.

Los metales ordinarios pueden ser buenos conductores cuando los electrones tienen una interacción muy débil con la red. Los superconductores, por otro lado, presentan un acoplamiento electrón-red-electrón relativamente fuerte. Por lo tanto, los materiales que normalmente son buenos conductores no deberían ser buenos superconductores. Entonces, la superconductividad resulta de una curiosa paradoja –los electrones interactúan tan fuertemente con la red que finalmente no interactúan en absoluto con ella.

La temperatura crítica para la superconductividad T0 se determina por la “energía de enlace” del par de electrones. (Aunque los dos electrones tienen funciones de onda correlacionadas, no necesariamente se encuentran ligados físicamente; de hecho podrían estar separados por distancias grandes viajando en direcciones opuestas, de modo que no es correcto imaginarse un par de electrones lado a lado, viajando juntos). Los valores típicos de T0 son del orden de 10 K, que corresponde a una energía de enlace pequeña de 10-3eV. En la tabla 14.5 se presenta una lista de algunos elementos y compuestos superconductores y sus temperaturas de transición. Los conductores normalmente bueno como Cu, Ag y Au se encuentran notablemente ausentes de esta lista; aun a temperaturas de fracciones de 1K, no se ha descubierto superconductividad para estos materiales. El elemento natural que tiene la T0 más alta es el niobio (el elemento tecnecio tiene una T0 de 11.2 K, pero este elemento es radiactivo de modo natural y no se encuentra en la naturaleza), y muchos compuestos tienen un valor aún más alto de T0.

Tabla 14.5. Algunos metales superconductores. Metal T0(K) Al 1.2 Zn 0.9 Nb 9.1 In 3.4 Sn 3.7 Hg 4.2 Pb 7.2 NbaAl 17.5 NbaSn2 16.6 NbaSn 18.1

Los materiales superconductores tienen muchas aplicaciones en las cuales se aprovecha su capacidad para conducir corrientes eléctricas sin pérdidas resistivas. Por ejemplo, se pueden construir electroimanes capaces de conducir corrientes muy altas y producir así grandes campos magnéticos (del orden de 5 a 10T). si se usan alambres superconductores, corrientes tan altas como 100 A pueden ser conducidas por alambres muy delgados, del orden de 0.1 mm de diámetro, y de ese modo los electroimanes mencionados se pueden construir en un espacio más pequeño, usando menos material del que sería necesario si se usaran conductores ordinarios. La Figura 14.38 ilustra uno de tales aparatos. Empezando desde cero, la corriente aumenta hasta que el campo magnético B alcanza el valor deseado. En ese punto el interruptor S se cierra y la corriente de regreso, siguiendo el camino de mínima resistencia, fluye a través del interruptor en lugar de hacerlo a través de la fuente de poder. Entonces la fuente de poder se puede apagar, y, en principio la corriente seguirá circulando para siempre a través de la espira y del interruptor; en la práctica se ha visto que en el transcurso de un año no ha habido disminución en la corriente.

 

Define la conductividad térmica.

¿Qué es el potencial de contacto y superconductividad?

¿Cuál es el postulado de la Ley de Wedermann-Franz?

Respecto al potencial de contacto, cuando se unen dos metales, ¿cómo se igualan los niveles de fermi?

Una segunda aplicación: los materiales superconductores harían posible la transmisión de potencia eléctrica a largas distancias sin pérdidas resistivas. Tal arreglo sería económicamente razonable si el costo para mantener al alambre superconductor por debajo de su T0 fuese menor que el valor de la potencia que se perdería si se usaran conductores ordinarios. El mantener los costos bajos requeriría usar un material con el T0 más alto posible; la búsqueda de tales materiales es un campo de intensa investigación en la física del estado sólido y la ciencia de los materiales.

El propósito de este capítulo fue presentarte un panorama general de las características principales de la transmisión de energía en sistemas cuánticos, interpretando como se produce la luz láser y el comportamiento de las redes cristalinas, para reconocer el carácter cuántico y algunas de sus aplicaciones tecnológicas, a partir de la absorción inducida, emisión espontánea, de igual forma enfrentaremos cómo algunos sistemas atómicos pueden tener poblaciones invertidas de niveles de energía con un estado superior ocupado en mayor grado que el estado Base, si hacemos llegar al sistema

(E1E0) radiación directa de frecuencia V = la emisión inducida de fotones de esta

h frecuencia excederá a la absorción puesto que hay más átomos en el estado superior y el resultado neto será una producción de radiación de frecuencia (V) mayor que la que llega. Este es el principio del maser (amplificación de microondas mediante emisión estimulada de radiación) y del láser (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación), establecemos así la física molecular conociendo ya la constitución de los átomos vamos de describir ahora la de las moléculas e indicar el mecanismo de interacción de unos átomos con otros para formarlos y también en él se rigen las leyes de la mecánica cuántica, siendo como en el átomo, la atracción electrostática de Coulomb la que mantiene unidos a los átomos en el interior de la molécula.

Sin embargo, ya que los átomos son eléctricamente neutros, dicha atracción electrostática tiene que ejercerse a través de algún proceso que separe las cargas eléctricas positivas y negativas de los átomos y son dos mecanismos que para ello se conoce, los cuales dan lugar a dos diferentes tipos de enlace entre los átomos de una molécula: el enlace iónico o heteropolar y el enlace covalente o polar, dando a esto la interacción entre la energía de cohesión en un cristal iónico es la energía que se liberará en la formación del cristal a partir de átomos neutros individuales. La energía de

eV eV

cohesión se expresa generalmente en , en ó en Kcal/mol., a la vez

átomo molécula estos presentan atracciones débiles de corto margen entre sí a niveles de moléculas y átomos denominados fuerzas de van der Waals, entre algunas moléculas que contienen átomos de hidrógeno se presenta un tipo de enlace de van der Waals especialmente fuerte, denominado enlace hidrógeno.

Cuando los niveles de energía de valencia de los diferentes átomos metálicos se alteran todos por sus interacciones y se produce una banda de energía que consta de tantos niveles de energía estrechamente espaciados como número total de niveles de energía de valencia en todos los átomos de cristal.

En consecuencia, los electrones libres tienen una energía cinética que oscila entre 0 y un máximo µf, llamada energía fermi.

¿Cuál es el principio de maser?

¿Cuál es el principio del láser?

¿Qué establece la física molecular?

¿Qué mantiene unidos a los átomos en el interior de la molécula?

¿A qué se le llama “Energía Cohesión”?

¿En qué unidades se expresa la energía de cohesión?

A nivel molecular, algunas moléculas que contienen átomos de hidrógeno, existe un enlace de van der Waals, especialmente fuerte denominado

¿Cuándo se producen las Bandas de Energía?

Explica cómo se lleva a cabo la energía fermi.

Es la amplificación de microondas mediante emisión estimulada de radiación. Es la amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Describe y establece la interacción y sus mecanismos entre átomos y moléculas con

aplicación de las Leyes de la mecánica cuántica. La atracción electrostática de Coulomb. Es la energía que se liberaría en la formación del cristal a partir de átomos neutros

individuales. eV eV

, , Kcal/mol.

átomo molécula

Enlace Hidrógeno.

Cuando los niveles de energía de valencia de los diferentes átomos metálicos se alteran.

Los electrones ( ) libres tienen una energía cinética que oscila entre cero (0) y un

e máximo (ef).

FISICA MODERNA


INTRODUCCIÓN

PROPÓSITO

CUESTIONAMIENTO GUÍA

1. CIRCUITOS ELÉCTRICOS

1.1. Potencia Eléctrica

1.2. Fuerza Electromotriz

1.3. Circuitos de C.V.A.

1.4. Reactancia Capacitiva

1.5. Capacitancia

1.5.1. Capacitores

1.6. Reactancia Inductiva

1.7. Impedancia

Práctica Experimental No. 1 Práctica Experimental No. 2

2. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

2.1 Diodos 2.2.Transistores

2.2.1. Amplificadores

2.2.2. Configuración Base Común

2.2.3. Circuito Emisor Común

2.2.4. Configuración Colector Común

2.3. Ondas Electromagnéticas

2.4. Circuitos osciladores

RECAPITULACIÓN ACTIVIDADES DE CONSOLIDACIÓN AUTOEVALUACIÓN BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA


Antes de iniciar la lectura de este fascículo te recomendamos consideres las siguientes preguntas ya que con base en ellas podrás organizar tus actividades sobre esta

asignatura.

¿QUÉ VOY A APRENDER?

¿CÓMO LO VOY A LOGRAR?

¿PARA QUÉ ME VA A SERVIR?

¾ Analizar la transmisión de energía, funcionamiento y aplicaciones de circuitos eléctricos y de sistemas electrónicos.

¾ Analizar el comportamiento de los semiconductores.

¾ A través de las gráficas sobre circuitos alimentados por V.C.A.; interpretando los conceptos de potencia, F.E.M.; y resolviendo problemas de capacitancia e inductancia.

¾ Experimentando en circuitos sencillos con diodos y transistores.

¾ Para explicar la generación y transmisión de energía a través de ondas electromagnéticas.

¾ Para explicar la potencia máxima que se puede extraer de una fuente de energía.

¾ Y comprender el funcionamiento de un amplificador, así como de algunas aplicaciones de la electrónica en la tecnología.

La física clásica estudiada por Galileo, Newton, Einstein, Maxwell y otros grandes científicos ha evolucionado a grandes pasos, y gracias a ello, podemos darle un nombremás actualizado, siendo este FÍSICA MODERNA.

En este fascículo abarcamos conceptos expuestos desde el siglo XVI hasta conceptos tan recientes como el efecto fotoeléctrico, circuitos amplificadores de audio transistorizados, los cuales fueron estudiados por primera vez a mediados del presente siglo.

Como parte importante en este curso es no sólo conocer el comportamiento, funcionamiento y aplicaciones de los diferentes elementos eléctricos y electrónicos, sino además conocerlos físicamente.

En la unidad I estudiaremos los circuitos eléctricos, donde se analizarán conceptos tan fundamentales e importantes como la Potencia Eléctrica, Voltaje, Corriente EléctricaCapacitancia e Inductancia, algunos de los cuales ya fueron vistos en FÍSICA III.

En la unidad II estudiaremos los circuitos Electrónicos, los cuales se diferencian de los eléctricos, porque en estos existen nuevos elementos llamados SEMICONDUCTORES, como son los Diodos, Transistores y Circuitos integrados, siendo la FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO la encargada de analizar la estructura molecular de dichos elementos.

Al combinar eléctricamente los semiconductores con elementos eléctricos como capacitores, bobinas y resistores podemos obtener circuitos electrónicos como osciladores, amplificadores, telefonía, digitales, etc.

Tan sólo para poder comprender la importancia de los avances logrados por el ser humano en lo que va del siglo, hay que observar la imagen en un televisor y cuestionarse, ¿Cómo se procesa esta señal que toma una cámara de video y logra viajar miles de kilómetros y llegar hasta tu hogar? Con este simple ejemplo se puede valorar la importancia de los circuitos eléctricos y electrónicos.

Al terminar de estudiar este fascículo podrás comprender más el mundo electrónico que te rodea, y tal vez adentrarte profesionalmente al estudio de estos circuitos, porque hay que recordar que la tecnología estará encaminada a las comunicaciones y a la computación en el SIGLO XXI.

Todos los días al levantarnos encendemos la lámpara de la recámara, algunas veces planchamos, nos secamos el pelo, calentamos los alimentos en el horno de microondas. Todo esto y mucho más los realizamos sin pensar que, lo que estamos haciendo es activando “circuitos eléctricos”, y “circuitos electrónicos”.

Por lo anterior es conveniente dar un repaso de lo visto en Física III con el fin de reafirmar algunos conceptos de gran utilidad para una mejor comprensión de los objetivos a cubrir en este fascículo.

1. El circuito eléctrico más sencillo es aquel que tiene en su estructura: a) un resistor, b) una fuente de alimentación, y c) una corriente eléctrica. ¿Podrías explicar en qué consiste cada uno de estos elementos, así como las letras que los representan y sus respectivas unidades?

a) Resistor

b) Fuente de Alimentación

c) Corriente eléctrica

  1. En todo componente eléctrico energizado existirá entre sus extremos una diferencia de potencial. ¿Qué otros nombres se le dan a esta diferencia?
  2. Para el estudio y análisis de cualquier circuito eléctrico se utiliza la ley más importante de la electricidad llamada “Ley de Ohm”. ¿Podrías explicar en qué consiste?

Por lo anterior el modelo matemático de la Ley de Ohm es: V

I = R

4. Con esta fórmula obtén la corriente eléctrica que circula por un resistor de 12 Ω si es alimentado por 2 pilas de 1.5 V conectadas en serie.

Este problema es clásico para un circuito eléctrico alimentado por una fuente del tipo

V.C.D.

Cuando se utiliza una fuente del tipo V.C.A. la ley de Ohm se expresa: V

I = ; donde Z = Impedancia

Z

5. ¿Podrías explicar en qué consiste ésta? ___________________________________

¿Sabes qué representa Xc y Xl? _________________________________________

¿Podrías explicar la diferencia que existe entre un aparato eléctrico y uno electrónico? _________________________________________________________

¿Sabes qué son los semiconductores? Menciona 3 aplicaciones.

Como viste algunos conocimientos sólo los recordaste y otros aún no los dominas, pero con el estudio de este fascículo podrás dar solución a estos y otros problemas que se te planteen relacionados con los circuitos eléctricos y electrónicos.

1. CIRCUITOS ELÉCTRICOS

1.1 POTENCIA ELÉCTRICA

La potencia en lenguaje ordinario se dice que es la capacidad para ejecutar una cosa o producir un efecto. En Física se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo. En la vida diaria utilizamos la palabra potencia sin entender cabalmente su significado, por ejemplo, decimos:

-El amplificador de audio tiene mucha potencia.

-La potencia del foco es grande.

En estos casos la potencia depende de los parámetros de voltaje y corriente eléctrica.

Cuando por un conductor resistivo circula una corriente eléctrica, esto da como resultado la conversión de la energía eléctrica en calor, (como un foco). Este proceso de conversión de energía durante cierto tiempo se expresa en términos de la potencia eléctrica.

Wtrabajo

Si recordamos que: P = = , (1)

t tiempo y que el trabajo realizado por una carga eléctrica q, para desplazarse a través de unadiferencia de potencial o voltaje V, (FÍSICA III) está dado por: W = q V. (2) Sustituyendo la ecuación (2) a (1), obtenemos del modelo matemático para la “potencia eléctrica”, siendo este: qv

P = (3)

t Y recordando que la corriente eléctrica se define como la carga eléctrica que circula por un conductor en un tiempo determinado o sea: q

I = (4)

t Entonces sustituyendo la ec (4) en (3) obtendremos: P = I V

Siendo la unidad de la potencia eléctrica en el S. I el Watt:

I WATT = 1 AMPERE VOLT

Otras formas de expresar la potencia eléctrica, pero ahora en función de la resistencia eléctrica.

V2 P = P = 12 R

R Hay que recordar que para que circule una corriente eléctrica en un conductor, es necesario que exista una energía capaz de provocar el movimiento de los electrones

dentro del conductor, esta energía la suministran las fuentes de energía llamadas pilas o baterías debido a una reacción química en su interior. En otros términos, las fuentes de energía reciben el nombre de fuentes de voltaje, que

generan una diferencia de potencial o voltaje entre los extremos del conductor.

La corriente eléctrica (I) tiene por unidad el ampere siendo sus submúltiplos los siguientes: -Microampere = I µ A = 10-6 A -Miliampere = I m A 10-3 A Un ejemplo práctico de cómo se aplica el concepto de potencia eléctrica es el siguiente: EJEMPLOS:

1. Un taladro eléctrico portátil trabaja con un voltaje de 12 V y consume 3 A. ¿Cuánto valdrá su potencia eléctrica?

DATOS FÓRMULA SUSTITUCIÓN SOLUCIÓN

V = 12 V P = I.V P = 3 A x 12 V P = 36 WATTS I = 3 A P = 36 AV P = ? P = 36 WATTS

2. Luego si este taladro está trabajando por 1 hora ¿cuánta energía eléctrica consumirá en ese tiempo?

Recordando la ecuación (1) W

P =

t

Tendremos:

W = P T = ENERGÍA ELÉCTRICA W = 36 WATTS x 1 hora ó

W = 36 WATTS x 1 hora = 36 WATTS-HORA Esta unidad w-h es utilizada por la compañía de luz para saber el consumo de energía que tienes en tu casa.

1.2 FUERZA ELECTROMOTRIZ (F.E.M.)

En las fuentes de VCD se tiene una terminal positiva la cual se encuentra a un potencial más alto que la negativa. (Figura 1)

En el caso de una pila se tienen la terminal positiva (+) llamada ánodo y la terminal negativa (-) llamada cátodo, y un electrolito en el cual se transfieren cargas iónicas entre los electrodos, por lo tanto, pór la pila se genera una F E M, (E) y es nada más que la diferencia de potencial desarrollada por la acción química de la pila, pero también hay que considerar que existe una resistencia interna en la pila y por consecuencia tendremos una caída interna de voltaje dada por Ir, por consecuencia el voltaje en los electrodos de la pila será:

V = E – I r

Despejando E. E = V + I r

CONCLUIMOS QUE:

La FEM (E) de una pila es igual a su voltaje entre las terminales más la caída de voltaje en una resistencia interna.

De lo anterior, la corriente máxima que puede dar una pila depende de la resistencia interna de la misma. Así tenemos que debido a lo anterior, existen en el mercado diferentes tamaños de pilas de 1.5 V ya que cada tamaño puede entregar un máximo de corriente eléctrica.

I MAX = 150 m∧ I MAX = 300 m∧

Con los conceptos vertidos anteriormente, también podremos consumir una potencia máxima en función de la I máx y esto limita las aplicaciones de las fuentes de voltaje, por ejemplo:

La potencia máxima que consume un control remoto (utiliza dos pilas) será de: VT = 1.5 V + 1.5 V (está conectada en serie) = 3V I = 150 m A Por lo tanto:

Pm = 3V X 150 mA = 450 mAV = 450 m Watts

1.3 CIRCUITOS DE VCA

En físicas anteriores se estudiaron circuitos eléctricos de VCD, los cuales tienen como elementos básicos una fuente de voltaje de CD, un resistor y un conductor; y como parámetros, un voltaje, una resistencia eléctrica y una corriente eléctrica.

R

1

+

También estudiamos que un V C D se obtiene de la filtración de un V C P (voltaje de corriente pulsante) y éste a su vez se obtiene de la rectificación de un V C A (voltaje de corriente alterna). (Figura 5)

Esta parte del fascículo la enfocaremos a estudiar circuitos eléctricos alimentados por VCA.

La alimentación de energía eléctrica que llega a nuestras casas es del tipo VCA, ya que así es la que nos entrega la C.F.E. a través de las presas hidroeléctricas, (como la presa de Mal Paso, Chicoasén), la Angostura, Infiernillo), las centrales termoeléctricas, y los generadores nucleares (como Laguna Verde).

El VCA, se obtiene en nuestras casas con sólo conectar la clavija de cualquier aparato eléctrico como la T.V., licuadora, refrigerador, lavadora, horno de microondas, etcétera.

Para poder adentrarnos al estudio de los circuitos eléctricos de VCA, es importante tener en mente algunos conceptos básicos.

Todo VCA se puede graficar como una función trigonométrica seno o coseno, teniendo como parámetros esenciales, amplitud, frecuencia, período, longitud de onda.

La forma de onda del VCA, que llega a nuestros hogares es la siguiente:

Hay que recordar que una onda senoidal tiene:

-Semiciclos positivos (la mitad de un ciclo) y semiciclos negativos. -Una amplitud máxima positiva ( + 127V ) y una amplitud máxima negativa ( – 127V ).

-FRECUENCIA (F). Definiéndose ésta como el número de ciclos que se generan en un segundo. (En México la frecuencia del VCA es de 60 Hz).

-PERÍODO ES EL RECÍPROCO DE LA FRECUENCIA, (para una frecuencia de 60 Hz se tiene un período de 1/60 seg.

P = 1 DONDE: P = PERÍODO (SEG.)

F 1

F = FRECUENCIA ( )

SEG -LONGITUD DE ONDA ( λ ) es la distancia que existe entre los nodos (Modo = amplitud cero). -UNA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN (v). La velocidad de una onda está dada por la ecuación

V = λ F

m

donde v = VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LA ONDA ( )

s

λ = LONGITUD DE ONDA (M) 1

F = FRECUENCIA DE LA ONDA ( )

SEG

En todo circuito alimentado por un VCA existen tres elementos básicos que determinan el flujo de corriente eléctrica en él, siendo éstos:

SÍMBOLO

1) RESISTOR (resistencia eléctrica) R VISTO EN FÍSICA III

2) CAPACITOR (capacitancia) C

3) BOBINA (inductancia) L En circuitos eléctricos alimentados por un VCD, no se utilizan capacitores ni bobinas, ya que un capacitor se comporta como un circuito abierto. En cambio una bobina se comporta como un corto circuito.

NOTA: Siempre y cuando el VCD no tenga variaciones en magnitud.

Una propiedad muy importante de los circuitos de VCD puramente resistivo, es que el voltaje y la corriente siempre se encontrarán en fase (Figura 10). La magnitud de lacorriente depende de las necesidades del circuito, ejemplos: HORNO ELÉCTRICO.

1.4 REACTANCIA CAPACITIVA.

Ahora si en un circuito eléctrico de VCA utilizamos solamente un componente capacitivo

o sea un capacitor C, a medida que va aumentando la magnitud del voltaje alterno el capacitor se va cargando, provocando una F E M opuesta, y originándose una disminución de la C.A hasta llegar a cero cuando el VCA es máximo. (Figura 11). Ahora en la descarga del medio ciclo, a medida que disminuye el voltaje la corriente va aumentando hasta llegar a un valor máximo; cuando el voltaje es cero, el comportamiento para el semiciclo negativo es similar.

En conclusión:

En un circuito eléctrico alimentado por VCA que cuenta con un solo capacitor la corriente se adelanta al voltaje en 90º.

1.5 CAPACITANCIA

Es la propiedad que presenta un conductor de poder almacenar carga eléctrica, su inidad es el FARAD, pero debido a que es una magnitud muy grande se utilizan submúltiplos de él, siendo éstos:

-1 MICROFARAD = 1µFd = 10-6 Fd -1 PICO FARAD = 1pFd = 10-12 Fd -1 MICROMICROFARAD = 1 PICOFARAD = 1µµFd = 1 pFd La capacitancia se representa por la letra C, y está en función de la carga total

almacenada (Q) y el voltaje aplicado a los extremos del capacitor. El elemento físico que presenta la propiedad de la capacitancia recibe el nombre de capacitor (o condensador).

1.5.1 CAPACITORES

Cuando un conductor (el cual llamaremos en adelante PLACA) se carga, existirá otra placa separada de la anterior por un dieléctrico, la cual adquirirá una carga igual y opuesta. Lo anterior es el principio de operación de un capacitor, o sea almacena

La capacitancia del capacitor es directamente proporcional a la carga eléctrica e inversamente proporcional al voltaje aplicado en sus extremos. Lo anterior se expresa matemáticamente por:

C = Capacitancia (Fd) Q

C = Q = Carga eléctrica (C)

V V = Voltaje (V)

Existen diferentes capacitores, los cuales se simbolizan de la siguiente manera:

MBOLO CAPACITOR SE APLICAN EN:
ARRANCADORES DE MOTORES
VARIABLE SINTONIZADORES DE RADIO
+ ELECTROLÍTICO O FILTRO POLARIZADO FILTRAJE DE V.C.P.
ELECTROLÍTICO NO POLARIZADO FILTRO PARA DETERMINADAS FRECUENCIAS EN BOCINAS

Eo = Permitividad, constante de proporcionalidad característica del medio material considerado como dieléctrico, su valor aparece en tablas de permitividad de acuerdo al material usado en el capacitor.

El comportamiento de un capacitor en función del voltaje y del tiempo se muestra en la gráfica: 

Aumento de voltaje debido a la acumulación de carga eléctrica en sus placas.

Disminución de voltaje debido a una liberación de carga eléctrica acumulada en las placas.

Los capacitores son de gran aplicación al ser utilizados en circuitos electrónicos capaces de generar voltajes con frecuencias determinadas llamados osciladores, los cuales estudiaremos más adelante.

La oposición a la corriente alterna en un circuito capacitivo se llama reactancia capacitiva y se representa por Xc, teniendo como modelo matemático:

1Xc = 2πFC

Donde: F = Frecuencia de la fuente de VCA

C = Capacitancia (Fd)

X = Reactancia capacitiva (R )

La ley de OHM en un capacitor se expresa en función de la reactancia capacitiva por: V

I = Xc

Ejemplo: Calcular la reactancia capacitiva y la corriente eléctrica que representa el circuito. (Figura 16).

Cálculo de Xc 1Xc = 1 −6

2π(60 )(10×10 Fd)

seg 1Xc =

−6

1 Coul3768x10

seg V Cálculo de I

VI = Xc

1.6 REACTANCIA INDUCTIVA

(Antecedentes)

Como viste en Física III un inductor es una bobina, la cual estudiaste al analizar el campo magnético en un transformador.

Cuando una bobina es alimentada por un VCA, ésta genera un campo magnético variable (B) originando un flujo magnético alterno y éste a su vez una autoinducción, esto se obtiene de la Ley de Lenz, la cual nos dice que “el sentido de la FEM inducida en un circuito eléctrico es tal que el campo magnético creado por la corriente eléctrica derivada de ésta, tiende a oponerse a la causa que la ha producido, o sea el B tiende a compensar las variaciones del flujo magnético que inducen a la FEM”.

Por lo tanto, una fuerza contra electromotriz autoinducida existirá en el circuito que se alimenta por una fuerza de VCA y esta fuente está conectada a una bobina, la fuerza contra electromotriz que aparece en él se opone y retarda la corriente eléctrica del circuito. (Figura 17).

Se retarda la corriente con respecto al voltaje. Debido a este efecto el voltaje se adelanta a la corriente por 90º 

De lo anterior concluimos que la oposición a la corriente alterna en un circuito inductivo se expresa en función de la reactancia inductiva, representada por XL la cual se expresa matemáticamente por:

XL = 2 F L Donde: 1

F = Frecuencia de la fuente de voltaje alterna ( )

SEG L = Inductancia de la bobina ( H y ) XL = Reactancia Inductiva ( ) La ley de Ohm para un circuito inductivo se expresa por: V

I = XL

PROBLEMA.

Obtener la rectancia inductiva y la corriente eléctrica de la bobina que se utiliza en un timbre de acuerdo a los datos que aparecen en la figura anterior. Cálculo XL

XL = 2π F L 1

XL = 2π X 60 ( ) X 100 ml Ω

seg

XL = 37680, Ω

Cálculo 1 V127V

I = =

XL 37680Ω

1.7 IMPENDANCIA

De todo lo anterior concluimos que la reactancia en un circuito de VCA existirá una oposición NO resistiva al flujo de corriente eléctrica ocasionado por la capacitancia o la inductancia.

En términos reales no solamente existe la reactancia capacitiva o inductiva, sino que también hay que considerar una resistencia eléctrica, ya que todo conductor presenta una resistencia.

CIRCUITO RC EN SERIE

Si consideramos un circuito RC en serie conectado a una fuente de VCA, ya no tendremos solamente una reactancia, sino que habrá de considerar la resistencia.

Si en este circuito deseamos calcular la corriente eléctrica que se consume, es necesario

La suma vectorial de ambos parámetros recibe el nombre de “IMPEDANCIA” y se representa por Z.

La resistencia y la reactancia capacitiva se representa como vectores, los cuales llamaremos FASORES.

El fasor (R) lo representamos como un vector horizontal al eje X en los ejes cartesianos, ya que no presenta ningún defasamiento el voltaje con respecto a la corriente.

El Fasor Xc lo representaremos por un Fasor a lo del eje vertical negativo ya que existe una diferencia de fase de –90º (el voltaje está retrasado con respecto a la corriente por 90º).

Por lo tanto para obtener el modelo matemático de la impedancia se utiliza el teorema de pitágoras.

22

Z = R +Xc (Ω)

Y aplicado a la ley de Ohm para este

circuito obtendremos:

VI = Z

PROBLEMA Calcula la corriente eléctrica que circula por el siguiente circuito:

22

R = 10

Z = R − Xc

C = µf

Z =

V

V = 127 V

I = =

Z

F = 60 Hz Figura 22. I = A

Circuito RL en serie.

Para un circuito RL en serie, ahora se considera que el Fasor XL se localiza en el eje vertical positivo ya que existe una diferencia de Fase de + 90º (el voltaje está adelantado 90º con respecto a la corriente).

Por lo tanto para obtener la impedancia se tiene:

Figura 23

Cuando se tiene un circuito eléctrico con un resistor, un capacitor y bobina se suman vectorialmente cada Fasor para obtener la impedancia del circuito.

La suma vectorial XL + Xc da como resultado la reactancia total.

La impedancia del circuito es la suma vectorial de la resistencia y de las reactancias capacitiva e inductia.

Z = R2 + XT2 El ángulo de fase está dado por:
XXL − Xc

TAN Θ = oTAN Θ =

RR Del análisis de esta última ecuación tendremos que: a) Si XL > Xc ⇒ El ángulo de fase será positivo (+ Θ ) y por lo

tanto el circuito será del tipo “inductivo”. b) Si XL < Xc ⇒ El ángulo de fase será negativo (-Θ ) y el circuito será del tipo “capacitivo”. c) Si XL = Xc ⇒ El ángulo de fase será igual a cero y ∴ el circuito será del tipo “resistivo”. En este último caso la impedancia será solamente resistiva y mínima. Esto ocurre únicamente para un valor determinado de la frecuencia, obteniéndose el valor de esta frecuencia de la igualdad: XL = Xc Si sustituimos las ecuaciones de la reactancia: 1

2 π FL =

2πFc y despejamos F: 1F = (2π)2LC Qudando finalmente:

1 0.159

F = = 2πLC LC

Concluimos que cuando XL = Xc el valor de F recibe el nombre de frecuencia de resonancia, o sea:

0.159

FR = LC

Cuando existe esta frecuencia FR se dice que la corriente eléctrica será máxima en el circuito o sea que el circuito se encuentra en resonancia.

(Recordar la resonancia acústica vista en Física III)

Y por lo tanto existirá una transferencia máxima de potencia. Una aplicación de lo anterior está en los radios, teléfonos celulares, tv, etcétera.

Por ejemplo es posible seleccionar de entre todas las señales o frecuencias que capta la antena de un receptor o radio a aquella cuya frecuencia corresponde a la del circuito resonante.

Todas estas frecuencias llegan a la antena.

Cuando en el capacitor se selecciona una FR por ejemplo: siendo esta FR = 920 MHz la

cual es igual a 92.1 Radio Zeta. Cuando la frecuencia de resonancia del circuito es igual a la de la señal de la estación de radio, la transferencia de potencia de las señales de radio hacia el circuito es máxima, y por tanto presenta la máxima respuesta a la señal recibida por la antena.

Factor de Potencia.

En un circuito de VCA, con R, Xc y XL, ni la capacitancia ni la inductancia consumen potencia. La energía solo se almacena o libera en estos elementos de circuito. La pérdida efectiva de potencia en un circuito RLC está dada por:

P = IV COS Θ

Donde el ángulo Θ recibe el nombre de “Factor de Potencia” y es el ángulo formado por Z y R. Para una perdida de potencia máxima:

COS Θ = 1 Esto significa que Θ = 0 y por lo tanto Z = R o sea que Xt = 0 ∴ XL = Xc (Condición de resonancia) Luego como:

R

COS Θ = = 0

Z Sea R = 0
Se dice P = 0 Por lo tanto: existe solamente reactancia pura y es una condición ideal.

ACTIVIDADES.

Contesta lo que se te pregunta a continuación. Si tienes dudas remítete a los temas y da otro repaso.

  1. La capacitancia es directamente proporcional a la carga e inversamente proporcional a __________________________________________________________________
    1. Menciona tres diferentes tipos de capacitores y sus aplicaciones.
      1. ________________________________________________________________
      2. ________________________________________________________________
      3. ________________________________________________________________
  2. ¿Cuál es el modelo matemático de la capacitancia en función del área de las placas que lo forman? ______________________________________________________
  3. Anota el modelo matemático de la Xc. ____________________________________
  4. ¿Cuál es la unidad de la inductancia? _____________________________________
  5. Anota el modelo matemático de la reactancia inductiva.
  6. Define el concepto de impedancia.
  7. ¿Qué sucede si se alimenta un circuito RC con VCD?
  8. ¿Qué representa el signo negativo en la suma vectorial XL –XC?
  9. ¿Cuándo se obtiene una potencia máxima en un circuito R.L.C.?
  10. ¿Cuándo se obtiene una pérdida máxima de potencia?

PRÁCTICA EXPERIMENTAL No. 1

VCA VCP VCD

Objetivo: Obtener experimentalmente los diferentes tipos de voltajes.

Obtener la amplitud, frecuencia y periodo del VCA. Aplicación de una semiconductor para obtener un VCP de un VCA. Aplicar un capacitor con VCP para obtener un VCD.

Material: 1 diodo
1 tranformador
1 2 capacitor multímetros
1 4 4 osciloscopio caimanes rojos caimanes negros

Desarrollo: Armar el circuito que se ilustra a continuación:

I) a) Aplicar _______________ V al circuito y obtener la forma de onda en el osciloscopio. VCA = _________________________________________________________ Calcular la amplitud, frecuencia y periodo obteniendo los datos del osciloscopio.

b) Graficar la forma de onda obtenida.

II) III) a) Obtener la forma de onda en el punto B utilizando el osciloscopio. b) Obtener amplitud, en el osciloscopio. c) Invertir el diodo y obtener la forma de onda con el osciloscopio. d) Analiza resultados. a) Obtener la forma de onda en el punto C utilizando un capacitor de 1) 220 µf 2) 470 µf
C = 220 µf c = 470 µf

CUESTIONARIO

1) ¿Se podrá variar la frecuencia del VCA?

2) ¿Se podrá aumentar o disminuir la amplitud del VCA?

3) ¿El osciloscopio puede medir sólo corriente eléctrica?

4) ¿Al aplicar el diodo (polarización directa) para obtener VCP, cómo afecta al VCA?

5) Si invierto el diodo (polarización inversa) obtengo un VCP con polarización.

6) Obtener VCD con diferentes capacitores; ¿con cuál es más rápida la descarga?

7) El factor de rizo es menor con el capacitor de.

8) Un VCD con factor de rizo = 0 ¿qué frecuencia tiene?

9) ¿Qué aparatos en tu casa utilizan VCA?

10) ¿Qué aparatos en tu casa utilizan VCD?

11) ¿Cómo es la intensidad del foco con el VCP con respecto al VCD?

12) ¿Cómo varía la intensidad del foco al aplicar el: C = 220 µf 470 µf

PRÁCTICA EXPERIMENTAL No. 2

CAPACITANCIA

Objetivo: Obtener la permitividad del dieléctrico en un capacitor, observar y medir los tiempos de carga y descarga.

Material:

1) Capacitor de 470 µf a 60 V. 2) Pinzas de punta 3) Regla 4) Multímetro

Desarrollo:

a) Con las pinzas de punta abrir el capacitor como se muestra.

b) Se desenrrollan las placas metálicas del capacitor separándolas cuidadosamente del papel dieléctrico.

Placas Metálicas

c) Se mide el área de una de las placas.

L

A

A = L x a = _____________ m2

d) Se mide el espesor del papel dieléctrico. Se hacen dobleces con el fin de engrosar el espesor y poder medir más fácilmente.

d

Espesor de una hoja = e ____________ m.

36

e) Y teniendo los datos: C = ____________________ A = ____________________ d = ____________________ Se aplica el modelo matemático.

Se despeja Eo y se calcula su valor.

2. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

los circuitos electrónicos los utilizamos todos los días en el trabajo, escuela o casa; por ejemplo: en el trabajo y escuela tenemos: las calculadoras, fax, teléfonos, computadoras, los monitores e impresoras; en casa: el radio, video juegos, equipo de sonido, horno de microondas, etcétera. Todos estos aparatos tienen en su interior circuitos eléctricos o electrónicos y los cuales contienen elementos ya estudiados anteriormente como capacitores, bobinas, resistores, transformadores, interruptores, etcétera.

Ahora, en esta segunda parte del fascículo introduciremos otros elementos de gran importancia, los cuales son utilizados en todo circuito electrónico. Estos elementos reciben el nombre de semiconductores como:

  • Diodos
  • Transistores
    • Circuitos integrados
    • Estos smiconductores vinieron a desplazar a las válvulas de vacío llamados bulbos, ya que presentan las siguientes ventajas:
  • Menor tamaño
  • Menor consumo de corriente eléctrica
  • Menor calentamiento
  • Menor costo

Los semiconductores los estudia la física del estado sólido. Los materiales sólidos en estudio son principalmente dos; los cristales de silicio y de germanio. Estos elementos se caracterizan por tener 4 electrones en su última órbita, los cuales son compartidos con los otros átomos del elemento.

En los cristales puros de silicio, todos los electrones están enlazados y por lo tanto no pueden conducir electricidad, pero si a estos cristales les agregamos IMPUREZAS (átomos de otro elemento como fósforo) esto originará que haya conducción de corriente eléctrica.

El fósforo tiene 5 electrones en su última órbita y por lo tanto sobra un electrón en la estructura reticular impurificada (unión de un átomo de SI con otro de F), tendremos un electrón libre.

bre.

 

Si a este material (silicio con fósforo) le aplicamos un voltaje, este electrón se moverá en el cristal generándose una corriente eléctrica. Si al silicio le añadimos una impureza que aporta un electrón (figura 29) la impureza será del tipo “donadora” y por consecuencia el semiconductor recibe la clasificación del tipo N. Si al silicio le apregamos una impureza como un átomo de boro, el cual sólo tiene 3 electrones en su última órbita, entonces

faltará un electrón originándose un hueco en la estructura reticular impurificada.

Ahora si a este material le aplicamos un voltaje, habrá un movimiento de electrones con el fin de llenar los huecos existentes, y al hacerlo, dejarán huecos atrás. La impureza que produce un hueco, recibe el nombre de impureza “aceptora”. En este caso los portadores de carga se consideran positivos, llamándose el semiconductor del tipo P.

2.1 DIODOS

Al unir dos semiconductores, uno del tipo N y otro del tipo P se obtiene un Diodo de

Debido a la diferencia de portadores de carga, existirá un voltaje en la unión.

Si a un diodo le aplico un VCD en sus extremos (como se ve en la figura 31) se originará una corriente eléctrica a través de él, diciéndose que el diodo tiene una polarización directa..

Positivo de la pila a la impureza tipo P.

Figura 31

Si aplico un VCD al diodo conectando el negativo de la pila a la impureza tipo P, se dice que el diodo tiene una polarización inversa.

 

El diodo de germanio conduce voltajes mayores de 0.3 volts. El diodo de silicio conduce voltajes mayores de 0.7 volts. La aplicación más común de los diodos es cuando

 

A este proceso se le llama rectificación de media onda y el diodo recibe el nombre de “Diodo Rectificador”.

Si invertimos el diodo se obtiene:

 

También existe otro proceso de rectificación llamado “rectificación de onda completa”, en la cual se utiliza un arreglo de 4 diodos rectificadores como se muestra en la siguiente figura:

 

2.2 TRANSISTORES

Otro semiconductor de gran aplicación es el transistor, el cual vino a sustituir a los bulbos desde hace aproximadamente 3 décadas.

Existen en el mercado diferentes tipos de transistores, pero el más usado es el llamado transistor bipolar, el cual puede ser del tipo NPN que consta de una impureza del tipo P en medio de 2 impurezas del tipo N. Cada cristal recibe un nombre de acuerdo a su

 

El transistor del tipo PNP consta de dos cristales P y uno del tipo N como se ve en la figura 38.

El transistor tiene muchas aplicaciones, de las cuales sólo estudiaremos las principales que son:

Transistor como amplificador.
Transistor como oscilador.

2.2.1 AMPLIFICADORES

Un transistor como amplificador significa que va a aumentar la señal de VCA en la salida

 

C-B (Unión colector Base) E-B (Unión Emisor Base) Figura 39.

Los circuitos de entrada y salida de un transistor pueden interactuar por tener una base común. Los tipos de polarización que se usan en los transistores son los que nos van a permitir controlar la interacción entre E-B y C-B, y con esto se logra la amplificación deseada.

A continuación se muestran los tipos de polarización necesarios para el funcionamiento

 

La polarización E-B debe ser directa, ya que la corriente del circuito de entrada debe estar determinada por el voltaje de la señal de entrada, y con esto se asegura que la corriente E-B varíe de acuerdo al voltaje de la señal.

En cambio la corriente de salidad debe estar controlada por la interacción del circuito de salida con el circuito de entrada; y por lo tanto debe ser relativamente independiente de los voltajes del circuito. Lo anterior sólo se logra polarizando inversamente la unión C-B.

Generalmente en los amplificadores se utiliza un voltaje alto en la salida C-B, ya que si el circuito de entrada es de bajo voltaje y el circuito de salita de alto voltaje, entonces las señalers de voltaje pequeño pueden generar señales de salida con mayor voltaje.

Si consideramos ahora las resistencias (RE y RL) en un circuito amplificador a transistor con configuración base común, estudiaremos su operación de la siguiente forma:

La señal de entrada se aplica al emisor a través de RE y se obtiene la señal de salida del conector a través de RL.

Cuando el voltaje VE se suma al voltaje de polarización VP1’ la IE aumenta y ocasiona que la IC también aumente y produzca un voltaje mayor E RL (resistencia de carga). La iC aumenta o disminuye casi lo mismo que la IE, pero como RL>> RE, entonces el voltaje de señal VC será amplificada.

 

Para lograr lo anterior existen 3 configuraciones, las cuales son:

1) Base común 2) Emisor común 3) Colector común

A continuación se hace un análisis general de cada una de ellas considerando los parámetros de voltaje y corriente.

2.2.2 CONFIGURACIÓN BASE COMÚN

En ésta la potencia de salida es mayor que la potencia de entrada, y el aumento de la señal de voltaje de salida con respecto a la señal de voltaje de entrada recibe el nombre de Ganancia en voltaje.

V salida (1)

Gv =

V entrada

Existiendo también una ganancia para la corriente eléctrica.

∝ = Ic = 0.97 (2)

IE

Siendo para la configuración base común ∝ = 0.97 (adimensional).

Esto indica que la IE es siempre menor que IC.

Ejemplo:

La resistencia de salida RL es la que produce las variaciones de voltaje de salida VS de acuerdo con los cambios en la IC.

Otro aspecto importante en esta configuración es que la señal de salida tiene la misma fase que la señal de entrada (figura).

La ganancia de resistencia se da por:

GR = RE RS (3)
Se pueden relacionar (1), (2) y (3) obteniéndose: GV = ∝ GR (4)
La ganancia en potencia se da por: Gp = entradaP salidaP (5)
Gp = Gv x ∝ (6)
Ejemplo: Si se tiene IE = .8 mA y la ganancia es de 0.97 Como G = Ie Ic ∴Ic = Gie Ic = 0.97 x .8 mA Ic = 0776 mA Si consideramos que RE = 500 Ω y RL = 10000 Ω GR = RE Rs = Ω Ω 500 10000 GR = 20 y si aplicamos la ecuación 4 Gv = ∝ X GR

Obtenemos:

Gv = 0.97 x 20 Gv = 19.4

Esto significa que si aplicamos a RE una señal de voltaje de VE = imV obtendremos en el RL una señal de voltaje amplificada 19.4 veces, o sea:

VS = 19.4 x 1 mV = 19.4 mV

2.2.3 CIRCUITO EMISOR COMÚN

En este tipo de circuito el emisor está conectado tanto al emisor como al concector, y es el más usado en los amplificadores de audio.

Para lograr la amplificación en este tipo de arreglo, la señal de entrada VE se suma con el voltaje de polarización VP aumenta la corriente de base y esto origina también un aumento en IE y por consiguiente también aumenta IC aumentando el voltaje en RL, siendo este voltaje la señal VS amplificada, la ganancia en el voltaje también está dada por:

V

S

Gv =

V

E

En la configuración emisor común, la señal de voltaje a la salida se defasa 180º con respecto a la señal de entrada.

 

La ganancia en corriente está dada por: Ic

B =

IE En este caso la ganancia en corriente es mucho mayor que en la configuración base común. B > 1

La ganancia en resistencia es igual a la configuración base común. R salida

GR =

R entrada

Y la ganancia en voltaje está dada por:

Vs

Gv = o Gv = B. GR

Ve

Y en potencia por: Psal

Gp = o Gp = Gv B

Pen Problema:

Se tiene un transmisor en emisor común, el cual tiene un Rs = 5000Ω y su RE = 1000Ω considerando una B = 40, obtener:

a) su GR b) su GV c) su GP

 

2.2.4 CONFIGURACIÓN COLECTOR COMÚN

En esta configuración, el colector está conectado tanto al circuito de entrada como de salida y ninguna terminal del transistor está conectado a tierra de CD, sino que utiliza un capacitor de desacoplo, a fin de mantenerse a tierra de la cual a esta configuración suele llamarse “seguidor emisor”.

La configuración colector común para un transmisor NPN es:

 

Esta configuración se utiliza como un amplificador de corriente ya que al llegar la señal (positiva) a RB se suma con el voltaje de polarización originándose que Ie sea grande.

IE = IB + IP

Observándose que la fase de entrada será igual a la fase de salida. La ganancia de corriente para este circuito está dada por:

I

E

GI = y como IE = IC + IB (Para todo transistor)

I

B

I +II

CB C

GI = = + A

II

BB

Por lo tanto: GI = B + 1

Para que un circuito colector común opere satisfactoriamente es necesario que RE > RL por lo tanto la GR < 1

RB = RE Rsalida

GR = < 1 RL = R Sal

E entrada

Y por lo anterior la GV representa más que una ganancia, una pérdida, ya que GV < 1.

Sin embargo para la ganancia en potencia se puede tener GP > 1. Los modelos matemáticos para la GV serán:

V sal.

GV = RGan (B + 1) o GV = V ent. Y para GP será: P sal.

GP = GV (B + 1)

o GP =

P ent. Las ganancias para las configuraciones base común ∝ y emisor común B será la relación por el siguiente modelo matemático: ∝ = B

B + 1

Cada circuito electrónico maneja diferentes corrientes, voltajes potencias y frecuencias, por lo tanto existen gran cantidad de tipos de transistores y cada uno opera bajo ciertas condiciones de los parámetros señalados anteriormente.

ACTIVIDADES

  1. ¿Qué diferencia existe entre un circuito eléctrico y otro electrónico?
  2. ¿Cómo se clasifican los semiconductores? ________________________________
  3. ¿Para qué se utilizan los diodos de SI? ____________________________________
    1. Menciona 4 tipos de diodos y sus aplicaciones.
    2. a) b) c) d)
  4. ¿Qué polarización debe tener un diodo para que conduzca corriente?
  5. Menciona dos aplicaciones de los transistores. a) _________________________________________________________________ b) _________________________________________________________________
  6. Si tengo en un circuito transistorizado una señal de entrada de 10 mV y a la salida una señal de 50 mV. ¿Cómo opera el circuito?
  7. ¿Varía la frecuencia cuando se amplifica una señal? SI _______________________ NO _______________________
  8. En el diagrama de un equipo de sonido identifica la configuración que tiene el circuito amplificador.
  9. ¿Qué ventajas tiene un amplificador emisor común con respecto a un aplificador base común?
  10. ¿En qué tipo de configuración se tiene una amplificación máxima de corriente?
  11. ¿Qué configuraci´pon nos da mayor ganancia en potencia?

2.3 ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Para comprender cómo se generan ondas electromagnéticas (ondas de radio frecuencia) en una antena hay que tener en mente algunos conceptos y leyes básicas de lo que es una onda electromagnética.

Toda onda electromagnética presenta un campo eléctrico E, un campo magnético B y un desplazamiento Z.

Algunas leyes importantes vistas en Física III y que nos serán de gran utilidad recordar son: La 3ª. ley de Farady que dice: “un campo magnético inducido que cambia con el tiempo genera un campo eléctrico variable”; y la ley de Maxwel que dice: “un campo eléctrico variable que circula por un conductor genera o induce un campo magnético variable asociado”.

La teoría electromagnética de Maxwel establece que una onda electromagnética contiene un campo eléctrico variable que genera un campo magnético variable, que a su vez genera otro campo eléctrico variable.

El campo generado en cualquier instante de tiempo está en fase con respecto a su

 

Cuando una corriente eléctrica alterna, fluye por un conductor o antena, un campo magnético B inducido aparece alrededor del conductor (regla de la mano derecha Física III), y como existe un movimiento de cargas eléctricas debido a la corriente eléctrica se generará un campo eléctrico E, el cual es inducido en el conductor.

 

Estos campos generados en un conductor llamado antena, tienen una frecuencia y potencia, los cuales al desprenderse de él generan en el espacio una onda electromagnética la cual puede llevar información útil como audio o video.

Esta onda electromagnética se obtiene de un VCA, el cual a su vez se obtiene de la aplicación de una bobina, capacitor y transistor los cuales se alimentan de un VCD. El arreglo electrónico de los componentes mencionados forman un circuito electrónico llamado “oscilador”.

2.4 CIRCUITOS OSCILADORES (OSCILANTES)

Ya vimos anteriormente que un circuito amplificador recibe una señal pequeña y la aumenta a su salida.

 

Ahora un circuito oscilador genera una señal a su salida la cual es periódica y puede ser de CA, diente de sierra, pulsos, etcétera, y se requiere de una entrada.

 

No se necesita señal de entrada para producir una señal de salida.

Existen gran variedad de circuitos osciladores, pero éstos se pueden clasificar en: senoidales y no senoidales, en este fascículo sólo analizaremos los osciladores senoidales utilizando los conceptos adquiridos de reactancia y transistores.

2.4.1 OSCILADOR SENOIDAL

Un oscilador senoidal utiliza el principio de un amplificador, el cual retroalimenta una pequeña parte de la señal de salida al circuito de entrada. Por lo tanto las condiciones básicas para producir una oscilación son:

  • Que exista una amplificación de la señal.
  • Que exista una retroalimentación positiva de la señal amplificada.
  • Que la energía retroalimentada sea mayor que las pérdidas en el circuito de entrada.

 

2.4.2 CIRCUITO TANQUE

Un solo pulso aplicado a este circuito se obtiene una gran corriente circulante, debido a la acción del capacitor y bobina, los cuales almacenan y liberan energía alternadamente donde la frecuencia de la corriente está dada por la frecuencia de resonancia.

1

fR = 2π L.C 

2.4.3 OSCILADOR LC

Un ejemplo de un oscilador es el llamado circuito sintonizado LC el cual tiene un capacitor y un inductor (bobina) conectados en paralelo formando un circuito resonante (recordar resonancia) o circuito tanque, y acoplados a un transistor como se ve en la siguiente figura.

 

En este tipo de circuito se genera una señal sonoidal estable en magnitud y frecuencia.

El transistor se usa para dar la amplificación o ganancia y la retroalimentación necesarias para mantener las oscilaciones en el circuito oscilador.

ACTIVIDADES

  1. Una onda magnética presenta un campo magnético perpendicular a:
  2. Menciona los componentes básicos de un oscilador.
  3. ¿Qué tipos de ondas se pueden obtener en un oscilador?
  4. ¿Cómo está formado un circuito tanque?
  5. Anota el modelo matemático para la frecuencia de resonancia para un circuito tanque.
    1. Para aumentar la frecuencia en un circuito LC en paralelo se pueden mover las placas de un capacitor para:
    2. a) Acercarlas más unas a otras. b) Alejarlas más unas de otras.
  6. La constante de tiempo de un oscilador está dada por los parámetros:

 

Elabora una síntesis a partir de los conceptos que integran el siguiente esquema.

A continuación encontrarás una serie de preguntas y problemas que deberás contestar de acuerdo a los conocimientos que adquiriste en este fascículo. Después corrobora tu resultado en los Lineamientos de Autoevaluación.

  1. ¿Qué tipo de circuito se necesita para obtener un VCP a partir de un VCA?
  2. Se define como la distancia entre cresta y cresta. ____________________________
  3. En un circuito de V.C.D. un capacitor se comporta como un:
  4. ¿Qué tipo de circuito se necesita para que el voltaje y la corriente se encuentren en fase?
  5. Menciona tres tipos de capacitores. ______________________________________
  6. ¿Cuál es la unidad de la inductancia? _____________________________________
  7. ¿Qué sucede si XL = Xc en un circuito R.L.C.? _____________________________
  8. ¿Qué elemento consume mayor potencia en un circuito R.L.C.?
  9. Menciona 2 aplicaciones de un circuito R.L.C. _______________________________
  10. ¿Qué ventajas tienen los semiconductores respecto a los bulbos?
  11. ¿Qué se obtiene al unir un semiconductor tipo N con otro tipo P?
  12. Si se tiene en un circuito transistorizado una señal de entrada de 10 mV y a la salida una señal de 50 mV. ¿Cómo opera el circuito?
  13. ¿Cuál es el rango de frecuencia en que debe responder un buen amplificador?
  14. La onda electromagnética está formada por 3 vectores siendo éstos:
  15. Una onda electromagnética presenta un campo magnético perpendicular a:
  16. ¿Cuáles son las condiciones básicas para generar una oscilación?
    1. ¿Cuál de las combinaciones R.C que se muestran tiene el mayor valor como constante de tiempo?
    2. a) R = 27 M; c = 150 nF b) R = 25 K; c = 170 uF
  17. Para aumentar la frecuencia en un circuito LC en paralelo se pueden mover las placas de un capacitor para:

a) Acercarlas más unas a otras. b) Alejarlas más unas de otras.

PROBLEMAS

  1. Calcular la permitividad de un capacitor de 4.7 uF, cuya área en cada placa es de 15 cm2 y una separación entre las placas de .2 mm.
  2. Si entre las placas de un capacitor existe un voltaje de 9V, y su capacitancia es de 560 uF, calcular la carga eléctrica almacenada en él.
  3. Se tiene una reactancia inductiva de 50 ohms, en un circuito choke de filtro (investigar su significado), que es alimentado por 220V a una frecuencia de 50 Hz. Calcular la inductancia de la bobina.
  4. Calcular la impedancia de un circuito RLC que tiene conectados en serie un resistor de 25 Ohms, un capacitor de 80 uF y una bobina de 65 mHy a una frecuencia de 60 Hz.
  5. Calcular la frecuencia de resonancia de un circuito tanque formado por un capacitor de 2200 pF a una bobina de 8 mHy.
  6. Calcular la fem de una pila de qV que tiene una resistencia 25 interna de 25 ohms y una corriente eléctrica de 6 mA.
  7. Se tiene un amplificador a transistor con la configuración base común si se tiene una resistencia de entrada de 4.5 k y una resistencia de salida de 22 k, ¿cuál será su ganancia en voltaje si a la entrada tenemos una señal de 5 mV.

 

Las respuestas siguientes son las que debiste haber dado en las actividades de consolidación. Si no son las mismas o tienes algún problema, remítelo a la parte correspondiente del fascículo.

  1. Rectificador.
  2. Longitud de onda.
  3. Abierto.
  4. Resistivo.
  5. Capacitor variable, filtro electrolítico polarizado, filtro no polarizado.
  6. Henry.
  7. La impedancia será solamente resistiva y existirá una frecuencia de resonancia.
  8. La resistencia.
  9. Fabricación de circuitos osciladores y crossover (separador de frecuencias en baffles acústicos).
  10. Menor calentamiento, tamaño y consumo de potencia eléctrica.
  11. Uniodo.
  12. Amplificador de voltaje.
  13. 400Hz a la 14 Khz. (gama audible 40hz a 20khz aproximadamente)
  14. vector del campo eléctrico, vector del campo magnético y el vector de propagación de la onda.
  15. El campo eléctrico.
  16. Tener un amplificador de señal, una retroalimentación positiva de la señal amplificada y que la energía retroalimentada sea mayor que las pérdidas en el circuito de entrada.
  17. La segunda combinación.
  18. A

RESPUESTAS A LOS PROBLEMAS

  1. 626 x 10-8 F/m.
  2. 5 nC
  3. 159 mHy.
  4. 29.3 Ohms.
  5. 37950 Hz.
  6. 9.15 V
  7. 23.65 = V

 

ALFONSO, Marcelo. Física: Campos y Ondas. Fondo Educativo Interamericano, Colombia 1981.

GRUNNER D. Alfred. Análisis de Circuitos Transistorizados. Ed. Colección Fondo Educativo 1974.

MONCADA, Guillermo. Física II Conceptos Básicos. Mc Graw-Hill, México 1993. WAIKER, J. Física Recreativa. Ed. Limusa, México 1988.