Mecánica cuántica
La Mecánica cuántica es la parte de la física que estudia el movimiento de las partículas muy pequeñas. El concepto de partícula "muy pequeña" atiende al tamaño en el cual comienzan a notar se efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud infinita y a la vez la posición y la velocidad de una partícula (véase Principio de indeterminación de Heisenberg), entre otros. A tales efectos suele denominárseles "efectos cuánticos". Así, la Mecánica cuántica es la que rige el movimiento de sistemas en los cuales los efectos cuánticos sean relevantes. Se ha documentado que tales efectos son importantes en materiales mesoscópicos (unos 1.000 átomos).
Las suposiciones más importantes de esta teoría son las siguientes:
La energía no se intercambia de forma continua, sino que en todo intercambio energético hay una cantidad mínima involucrada.
Al ser imposible fijar a la vez la posición y la velocidad de una partícula, se renuncia al concepto de trayectoria, vital en Mecánica clásica. En vez de eso, el movimiento de una partícula queda regido por una función matemática que asigna, a cada punto del espacio y a cada instante, la portabilidad de que la partícula descrita se halle en tal posición en ese momento (al menos, en la interpretación de la Mecánica cuántica más usual, la probabilística o "de Copenhagen"). A partir de esa función, o función de onda, se extraen teóricamente todas las magnitudes del movimiento necesarias.
Aunque la estructura formal de la teoría está bien desarrollada, no sucede lo mismo con su interpretación, que sigue siendo objeto de controversias.
La teoría cuántica fue desarrollada en su forma básica a lo largo de la primera mitad del siglo XX. El hecho de que la energía se intercambiaba de forma discreta se puso de relieve por hechos experimentales como los siguientes:
Espectro de la radiación del Cuerpo negro, resuelto por Max Planck con la cuantización de la energía.
Explicación del efecto fotoeléctrico, dada por Albert Einstein, en que volvió a aparecer esa "misteriosa" necesidad de cuantizar la energía.
El desarrollo formal de la teoría fue obra de los esfuerzos conjuntos de muchos y muy buenos físicos y matemáticos de la época como Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Albert Einstein, P.A.M. Dirac, Niels Bohr y Von Neumann entre otros (la lista es larga). En general, la región de origen de la Mecánica cuántica puede localizarse en la Europa central, en Alemania y Austria, y en el contexto histórico del primer tercio del siglo XX.
Conjunto de números cuánticos
En particular, se refiere a los números que caracterizan los estados propios estacionarios de un electrón de un átomo hidrogenoide y que, por tanto, describen los orbitales atómicos. Estos números cuánticos son:
I) El número cuántico principal n Este número cuántico indica la distancia entre el núcleo y el electrón, medida en niveles energéticos, pero la distancia media en unidades de longitud también crece monótonamente con n. Los valores de este número, que corresponde al número del nivel energético, varían entre 1 e infinito, mas solo se conocen átomos que tengan hasta 7 niveles energéticos en su estado fundamental.
II) El número cuántico del momento angular o azimutal (l = 0,1,2,3,4,5,...,n-1), indica la forma de los orbitales y el subnivel de energía en el que se encuentra el electrón. Un orbital de un átomo hidrogenoide tiene l nodos angulares y n-1-l nodos radiales. Si:
'l = 0: Subórbita "s" ("forma circular") →s proviene de sharp (nitido) (*)
l = 1: Subórbita "p" ("forma semi circular achatada") →p proviene de principal (*)
l = 2: Subórbita "d" ("forma lobular, con anillo nodal") →d proviene de difuse (difuso) (*)
l = 3: Subórbita "f" ("lobulares con nodos radiales") →f proviene de fundamental (*)
l = 4: Subórbita "g" (*)
l = 5: Subórbita "h" (*)
(*) Para obtener mayor información sobre los orbitales vea el artículo Orbital.
III) El número cuántico magnético (m, ml), Indica la orientación espacial del subnivel de energía, "(m = -l,...,0,...,l)". Para cada valor de l hay 2l+1 valores de m.
IV) El número cuántico de espín (s, ms), indica el sentido de giro del campo magnético que produce el electrón al girar sobre su eje. Toma valores 1/2 y -1/2.
Los números cuánticos son s, p, d, f.
“n “= representa los niveles de energía. (Desde 1 hasta 7)
“l “= representa las formas geométricas de los orbitales (de cero hasta n-1)
“m “= representa la orientación en el espacio de estos orbitales (desde – l hasta + l pasando por cero)
“s” = representa el sentido de giro del electrón sobre su propio eje (+ ½ y – ½
formas geométricas (l = n-1) de los orbitales:
“l “= 0 ------>> s (esférica)
“l “= l ------>> p (ovoides)
“l “= 2 ------>> d (ovoides y anillo)
“l “= 3 ------>> f (otra)
Cuántas formas geométricas (l) o sea orbitales (desde –l hasta +l) puede haber según el nivel (n)?
Si n = 1 l = 0, hasta l =1-1 = 0 0 o sea 1S
Si n = 2 l = 0, hasta l = 2-1 = 1 0,1 o sea 2S 2P
Si n = 3 l = 0, hasta l = 3-1 = 2 0, 1, 2
Si n = 4 l = 0, hasta l = 4-1 = 3 0, 1, 2, 3 o sea 4S 4P 4d 4f
¿Cuántas orientaciones en el espacio (m) presenta cada forma geométrica ( l ) o sea cada tipo de orbital (n)?
(Desde –l hasta +l pasando por cero
Tipo S: l = 0 (0) una sola orientación: S
Tipo P: l = 1 (-1, 0, +1) tres orientaciones: Px, Py, Pz
tipo d: l = 2 ( -2, -1, 0, +1, +2 ) cinco orientaciones: d1, d2, d3, d4, d5
Tipo f: l = 3 (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3) siete orientaciones: f1----f7
Según el “principio de exclusión de Pauli” solo dos electrones pueden ocupar cada orbital.”.
S : una sola orientación: S : 2 electrones
P: tres orientaciones: Px, Py, Pz: 6 electrones
d: cinco orientaciones: d1, d2, d3, d4, d5 : 10 electr.
f: siete orientaciones: f1…f7 : 14 electrones
1S2
2S2 2P6
3S2 3P6 3d10
4S2 4P6 4d10 4f14
5S2 5P6 5d10 5f 14 5g
6S2 6P6 ---------------------
7S2 ------------------------------
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