Teoria de la relatividad

La conocida teoría de la relatividad del tiempo formulada en 1905 por Einstein sostiene que la velocidad de un objeto en movimiento con respecto a la de otro acelera o retarda el tiempo. De acuerdo con esta hipótesis, la aguja de los segundos de un reloj en movimiento debe de saltar más rápido que la de un reloj inmóvil, fenómeno que se llama “dilución del tiempo”.
En 1905, al confirmarse que la velocidad de la luz es finita Einstein, dedujo que las leyes de la ciencia deben ser iguales para cualquier espectador que se mueva libremente, prediciendo que nada puede aventajar su velocidad, y determinando que su movimiento es el mismo para todos los sucesos.

    La relatividad es la teoría ligada al cambio de posición del conjunto de reglas o medidas características del universo. Al hablar de movimiento debemos preguntarnos: ¿Movimiento respecto a que sistema?. Existen infinidad de ejemplos sumamente ilustrativos; un móvil se mueve a 80 km/h, siendo adelantado por otro que circula a 100 km/h. Si analizamos el movimiento de ambos vemos como el segundo vehículo no adelanta al primero a una determinada velocidad, sino que su cambio de posición respecto al otro es de 20 km/h.

En la relatividad no existe el reposo absoluto. No podemos basarnos en ningún sistema de referencia que se encuentre en tal estado porque no existe. Sólo si comparamos un cuerpo con otro podemos decir que uno está en reposo respecto al otro, por lo que llegada la hora de estudiar las singularidades de uno de ellos debemos tener en cuenta su conexión con el sistema de referencia elegido.

    Quizás la prueba mas evidente la tenemos en nuestro planeta. Si por ejemplo, un ecuatoriano se sienta a descansar un minuto en un banco de su país ocurrirá que transcurrido el periodo de reposo ha alterado su posición en 28 kilómetros al Este, -la Tierra gira de Oeste a Este- ; ello ateniéndonos solamente al movimiento de rotación. La comprobación es sencilla: si dividimos los 40.000 kilómetros que mide el círculo máximo de la tierra entre las 24 horas del día tendremos que, el movimiento rotatorio en el ecuador es de 1.666 km/h. Además, estamos cambiando de lugar a una velocidad de 107.118 km/h., debido a que nos trasladamos alrededor del Sol, y también nuestro Sistema Solar se mueve en torno a su centro galáctico a 245 m/segundo, independientemente del alejamiento ininterrumpido de todas las galaxias del universo.

Los numeros cuanticos

1.       Número cuántico principal: (n) Indica la distancia del electrón al núcleo, determina el nivel de energía y toma los valores: 1,2,3,4,5,6,etc

2.      Número cuántico secundario o Azimutal: (l) Nos indica el valor de los subniveles que hay en cada subnivel. Toma los valores: 0,1,2,3 y se le asignan las letras s,p,d,f (s: más cercano al núcleo y f: más alejado del núcleo.)

3.      Número cuántico magnético: (m_l) determina la orientación espacial de lqa nube electrónica. Los valores de m dependen de l y varían siendo negativos y positivos. m_l: -l, ..... 0, ....+l

4.      Número cuántico spin: (m_s) Señala el tipo de electrones y el sentido del giro del electrón sobre su propio eje. Asume dos únicos valores +1/2, -1/2.

Orbitales atomicos

En 1.927 pudo comprobarse experimentalmente la hipótesis de De Broglie al observarse un comportamiento ondulatorio de los electrones en los fenómenos de difracción.

Un electrón que se mueve alrededor de núcleo puede considerarse ligado a él y podemos describir su movimiento ondulatorio mediante la ecuación de ondas.

Con esta idea, Schrödinger realizó un estudio matemático del comportamiento del electrón en el átomo y obtuvo una expresión, conocida como ecuación de Schrödinger.

Podemos decir que un orbital atómico es una zona del espacio donde existe una alta probabilidad (superior al 90%) de encontrar al electrón. Esto supone considerar al electrón como una nube difusa de carga alrededor del núcleo con mayor densidad en las zonas donde la probabilidad de que se encuentre dicho electrón es mayor.

Para que la ecuación de Schrödinger tenga significado físico es necesario imponerle unas restricciones que son conocidas como números cuánticos, que se simbolizan de la misma forma que los obtenidos en el modelo atómico de Bohr.

Los valores del número cuántico n indican el tamaño del orbital, es decir su cercanía al núcleo.
Los valores del número cuántico l definen el tipo de orbital:
• Si l= 0 el orbital es del tipo s
• Si l= 1 los orbitales son del tipo p
• Si l = 2 los orbitales son del tipo d
• Si l= 3 los orbitales son del tipo f

Las letras s, p, d, f identificativas de los tipos de orbitales proceden de los nombres que recibieron los distintos grupos de líneas espectrales relacionadas con cada uno de los orbitales:

 

• sharp : líneas nítidas pero de poca intensidad
• principal : líneas intensas
• difuse : líneas difusas
• fundamental : líneas frecuentes en muchos espectros

Son posibles otros tipos de orbitales como g, h, ...pero los elementos que conocemos, en sus estado fundamental, no presentan electrones que cumplan las condiciones cuánticas necesarias para que se den estos otros tipos de orbitales.

Los valores del número cuántico m hacen referencia a la orientación espacial del orbital.
El cuarto número cuántico, s, que define a un electrón en un átomo hace referencia al momento angular de giro del mismo.

El conjunto de los cuatro números cuánticos definen a un electrón, no pudiendo existir en un mismo átomo dos electrones con los cuatro números cuánticos iguales, por lo que una vez definido el tamaño, el tipo y la orientación de un orbital con los tres primeros números cuánticos, es decir los valores de n, l y m, sólo es posible encontrar un máximo de dos electrones en dicha situación que necesariamente tendrán valores diferentes de su número cuántico de spin.

 

La configuracion electronica

En el modelo actual no existen órbitas bien definidas por las que se mueven los electrones, sino que existen regiones del espacio, denominadas orbitales, en las que es muy probable encontrarlos.

En el modelo atómico de Bohr, y en los posteriores, se considera que los electrones de la corteza se sitúan en niveles de distinta energía. Estos niveles de energía se numeran del 1 al 7 por orden creciente de la energía que tienen los electrones en el orbital. Cada uno de estos niveles puede contener a su vez subniveles energéticos que se designan con las letras s, p, d y f.

La distribución de los electrones de un átomo en estos niveles y subniveles es lo que se conoce como configuración electrónica.
A los electrones que están situados en la última capa se les llama electrones de valencia, y al nivel que ocupan, capa de valencia. Estos electrones son los responsables de las propiedades químicas de las substancias.
Subniveles que contiene cada nivel energético: el primer nivel consta únicamente de un subnivel s, el segundo uno s y otro p, el tercero s, p y d y a partir del cuarto se puede considerar que contiene cuatro (s, p d y f).
Número máximo de electrones de cada subnivel: en el subnivel s puede haber un máximo de 2 electrones, 6 en el p, 10 en el d y 14 en el f. Esto se debe a que en cada orbital cabe un máximo de dos electrones y los subniveles s, p, d y f contienen 1, 3, 5 y 7 orbitales respectivamente.

PARTICULAS SUBATOMICAS

Una definición de objeto elemental es la de ser el último constituyente indivisible de la materia. La respuesta a la pregunta: ¿cuál es ese objeto?, ha variado históricamente.
En los siglos IV y V a.C., la teoría griega del atomismo, cuyos máximos exponentes fueron Leucipo y su discípulo Demócrito, introducía, sin base experimental, objetos idénticos e indivisibles llamados átomos. En los siglos XVIII y XIX, con el desarrollo de la Química, tenemos que para John Dalton existen 20 elementos formados por átomos. En 1897, J.J.Thomson (Universidad de Cambridge, Inglaterra), encuentra experimentalmente el electrón. En 1911, E.Rutherford (Universidad de Manchester, Inglaterra), en un experimento crucial, descubre que la carga positiva del átomo está concentrada en el núcleo, en torno al cual se mueven los electrones. En 1932 queda establecido que el núcleo está constituido por protones y neutrones. En la década de los sesenta se acepta que estos protones y neutrones dejen de ser elementales y estén constituidos por quarks.
Hoy en día ya han sido detectadas una gran cantidad de partículas de tamaño inferior al átomo, constituyendo lo que se ha denominado "un zoo de partículas". ¿Pero cuáles son las elementales?
Es muy importante que quede claro este concepto. Llamaremos partículas elementales a aquellas que no poseen estructura interna y, por lo tanto, no "albergan" dentro de ellas otras partículas "aún más elementales". Todas aquellas partículas de tamaño inferior al átomo, pero no elementales, las llamaremos subatómicas. Así, por ejemplo, el protón es una partícula subatómica, pero no elemental, ya que está constituida por tres quarks, como veremos más adelante. El hecho de llamarlas subatómicas no significa que formen parte del átomo: simplemente, que su tamaño es inferior al "diámetro" de un átomo "medio", es decir, un angström, 10 -8 cm.
Así, a una distancia de un angström, "vemos" que el átomo está constituido por los electrones y el núcleo, en el que no distinguimos sus constituyentes; a una distancia de 10 -13 (unidad denominada fermi, 1 fm = 10 -13 cm), reconocemos en el núcleo protones y neutrones; a una distancia de 10 -17 cm, discernimos los quarks como sus constituyentes elementales.

¿QUE ES LA MATERIA?

Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio. En física y filosofía, materia es el término para referirse a los constituyentes de la realidad material objetiva, entendiendo por objetiva que pueda ser percibida de la misma forma por diversos sujetos. Se considera que es lo que forma la parte sensible de los objetos perceptibles o detectables por medios físicos. Es decir es todo aquello que ocupa un sitio en el espacio, se puede tocar, se puede sentir, se puede medir, etc.


Los primeros humanos distinguían fácilmente entre los materiales para hacer ropa, instrumentos o bienes para alimentarse. Ellos desarrrollaron un lenguaje con palabras que describían estas cosas, tales como “piel,” “piedra” o “conejo.” Sin embargo, ellos no tenían nuestro actual conocimiento sobre las sustancias que componen estos objetos. Empédocles, un filósofo y científico griego que vivió en la costa sur de Sicilia, entre los años 492 y 432 AC, propuso una de las primeras teorías que intentaba describir las cosas que nos rodean. Empédocles argumentó que toda materia se compone de cuatro elementos : fuego, aire, agua y tierra. La proporción de estos cuatro elementos afecta las propiedades de la materia. La teoría de Empédocles era muy estimada, pero tenía varios problemas. Por ejemplo, no importa cuántas veces se rompe una piedra en dos, las piezas nunca se parecen a ninguno de los elementos esenciales del fuego, del aire, del agua o de la tierra. A pesar de estos problemas, la teoría de Empédocles fue un desarrollo importante del pensamiento científico ya que es una de las primeras en sugerir que algunas sustancias que parecían materiales puros, como la piedra, en realidad se componen de una combinación de diferentes "elementos".

¿QUE ES EL ATOMO?

La unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

El átomo esta compuesto por un núcleo de carga positiva formado por protones y neutrones, en conjunto conocidos como nucleón, alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa.

Durante los siglos VI a IV antes de Cristo, en las ciudades griegas surgió una nueva mentalidad, una nueva forma de ver el mundo no como algo controlado por los dioses y manejado a su capricho, sino como una inmensa máquina gobernada por una leyes fijas e inmutables que el hombre podía llegar a comprender. Fue esta corriente de pensamiento la que puso las bases de la matemática y las ciencias experimentales.
Demócrito, uno de estos pensadores griego, en al siglo IV antes de Cristo, se interrogó sobre la divisibilidad de la materia. A simple vista las sustancias son continuas y se pueden dividir. ¿Es posible dividir una sustancia indefinidamente? Demócrito pensaba que no, que llegaba un momento en que se obtenían unas partículas que no podían ser divididas más; a esas partículas las denominó átomos, que en griego significa indivisible. Cada elemento tenía un átomo con unas propiedades y forma específicas, distintas de las de los átomos de los otros elementos.

Las ideas de Demócrito, sin estar olvidadas completamente, cayeron en desuso durante más de dos mil años.

Mientras tanto, se desarrolló la química, se descubrieron nuevos elementos y se descubrieron las leyes que gobiernan las transformaciones químicas.

Precisamente para explicar algunas de estas leyes, las leyes ponderales, Dalton, en 1808 propuso una nueva teoría atómica. Según esta teoría, los elementos estaban formados por átomos, indivisibles e indestructibles, todos iguales entre sí, pero distintos de los átomos de los otros elementos. la unión de los átomos daba lugar a la variedad de sustancias conocidas y la ruptura de las uniones entre los átomos para formar nuevas uniones era el origen de las transformaciones químicas.