Átomos y moléculas

Cuantización de la energía

Hipótesis de Planck.

Para explicar la radiación del cuerpo negro el físico alemán Max Planck (1858-1947), en 1900 propuso que cada una de las partículas que constituyen la materia se comporta como osciladores armónicos de frecuencia de oscilación dada; pero su funcionamiento se aparta de las leyes de la Física clásica.
Planck establece que la energía que emite o absorbe un átomo está formada por pequeños paquetes o cuantos de energía. La energía de cada uno de los cuantos que emite o absorbe el átomo viene dada por la expresión   

Donde h es la constante de Planck cuyo valor es es la frecuencia.

Ya que la energía del átomo que se comporta como un oscilador puede aumentar o disminuir sólo en cantidades enteras h.v, diremos que la energía de la radiación es discontinua y esta cuantizada en la forma  

Estos cuantos o fotones de energía radiante son tan pequeños que la luz  nos parece continua de manera análoga a lo que ocurre con la materia, pero realmente ambas son discontinuas.

• Espectros atómicos.
   
  Se comprueba experimentalmente que los átomos son capaces de emitir radiación electromagnética o absorberla al ser excitados mediante calentamiento o radiación, respectivamente, pero solo en algunas frecuencias. Estas frecuencias de emisión o absorción determinan una serie de líneas que recogidas en un diagrama reciben el nombre de espectro de emisión o de absorción del átomo correspondiente. Se trata en todos los casos de espectros discontinuos.

• Es preciso señalar que cada elemento químico excitado emite siempre unas rayas de frecuencia característica que, por tanto,  sirven para identificarlo. Esta propiedad se manifiesta de la misma manera ya sea con el elemento puro o combinado con otros, por lo que se trata de una técnica de análisis básica en la identificación atómica.

Efecto fotoeléctrico, explicado en el año 1905
 
La Teoría de Planck no fue en absoluto bien acogida hasta que, en 1905, Albert Einstein la aplicó a la resolución de un fenómeno inexplicable hasta entonces: El efecto fotoeléctrico. Se conoce con este nombre la emisión de electrones (fotoelectrones) por las superficies metálicas cuando se iluminan con luz de frecuencia adecuada. En los metales alcalinos el efecto se presenta ya con luz visible, en los demás metales con luz ultravioleta.
El estudio cuantitativo del efecto fotoeléctrico ha conducido a las siguientes conclusiones:

1. Para cada metal existe una frecuencia mínima (frecuencia umbral) por debajo de la cual no se produce el efecto fotoeléctrico, independientemente de la intensidad de la radiación luminosa.

2. Si la frecuencia de la luz incidente es mayor que la frecuencia umbral, la intensidad de la corriente fotoeléctrica es proporcional a la intensidad de la radiación.

3. La emisión de electrones es prácticamente instantánea, a partir de la incidencia de la luz.

4. La energía cinética de los electrones emitidos aumenta al hacerlo la frecuencia de la luz.

La teoría ondulatoria de la luz es incompatible con las observaciones experimentales relativas al efecto fotoeléctrico. En 1905, Einstein explico el efecto fotoeléctrico aplicando a la luz las teorías de Planck sobre la radiación térmica: La luz se propaga por el espacio transportando la energía en cuantos de luz, llamados fotones, cuya energía viene dada por la ecuación de Planck:

En la explicación dada por Einstein, toda la energía de un fotón se transmite a un electrón de un metal, y cuando éste salta de la superficie metálica posee una energía total dada por:
                          h. ע = Ec + We
Donde h. ע es la energía del fotón de luz incidente, “We” es la energía mínima que el electrón necesita para escapar de la superficie del metal y Ec es la energía cinética del electrón al abandonar la superficie del metal

 

La mecánica cuántica moderna. Podemos decir que la mecánica cuántica moderna surge en 1925 como resultado del conjunto de trabajos realizados por Heisenberg, Schrödinger, Born, Dirac y otros, y es capaz de explicar de forma satisfactoria no sólo la constitución atómica, sino otros fenómenos fisicoquímicos, además de predecir una serie de sucesos que posteriormente se comprobarán experimentalmente. La mecánica cuántica se basa en la teoría de Planck, y tomo como punto de partida la dualidad onda-corpúsculo de Louis De Broglie. y el principio de incertidumbre de Heisenberg.