1. El documento describe experimentos realizados por científicos como Thomson, Rutherford y Millikan que ayudaron a revelar la naturaleza eléctrica de la materia. 2. Thomson descubrió los rayos catódicos y determinó que tienen carga negativa y masa. Millikan midió directamente la carga del electrón. 3. El modelo atómico de Thomson propuso que los átomos estaban compuestos por una esfera positiva con electrones incrustados, similar a un budín de pasas.

1. excepción alguna, es un conjunto de
sustancias químicas. El cuerpo
humano es un gran almacén de
actividad química, e
Colegio Madre Vicencia incluso el pensamiento está
Área de Gestión relacionado con energía química. El
alimento que tomamos, las plantas y
Curricular animales que nos rodean, los
Sub-sector Física automóviles que manejamos, la
Prof. Mauricio Alegría película que vemos, los cosméticos y
artículos de tocador que usamos, la
ropa que vestimos, nada de esto
UNIDAD II: MUNDO puede existir sin la intervención de
ATÓMICO las fuerzas químicas. Si queremos
INTRODUCCIÓN. penetrar en los misterios de la
Átomo, la unidad más pequeña tierra y del aire, que son esenciales
posible de un elemento químico. En la para la vida, debemos recurrir
filosofía de la antigua Grecia, siempre al estudio de la química.
la palabra “átomo” se empleaba para Es por esto que a través de la
referirse a la parte de materia más historia, la imagen que el hombre a
pequeña que podía concebirse. tenido del átomo a pasado por una
Esa “partícula fundamental”, por serie de conceptos evolutivos, estos
emplear el término moderno para ese cambios se han presentado como
concepto, se consideraba consecuencia de las diferentes
indestructible. De hecho, átomo evidencias experimentales
significa en griego “no divisible”. A lo encontradas por diferentes
largo de los siglos, el tamaño y la investigadores como son los
naturaleza del átomo sólo fueron experimentos de Thomson,
objeto de especulaciones, por lo Rutherford, Becquerel ,etc.
que su conocimiento avanzó muy La Física relativa al mundo atómico-
lentamente. cuántico, rama de la física que
El estudio del universo físico ha estudia el comportamiento de las
revelado un grupo de disciplinas partículas teniendo en cuenta su
estrechamente relacionadas, dualidad onda-corpúsculo.
generalmente diferenciadas por la Esta dualidad es el principio
porción del universo que eligen para fundamental de la teoría cuántica;
su estudio, y también por el tipo de el físico alemán Max Planck fue
preguntas que el estudiante hace en quien estableció las bases de esta
relación a los sistemas. teoría física al postular que la
Los científicos físicos que estudian materia sólo puede emitir o absorber
la naturaleza de la materia en sí, se energía en pequeñas unidades
dividen en dos categorías: físicos y discretas llamadas cuantos.
químicos.
"Los físicos se interesan por las
fuerzas responsables de la d NATURALEZA ELÉCTRICA DE
estructura y los cambios de la LA MATERIA.
materia." El mayor avance en el campo atómico
"Los químicos estudian las procede más del campo físico que
diferentes clases de sustancias del químico.
materiales, sus estructuras y sus El desarrollo de las diferentes
transformaciones, e intentan teorías en este campo ha necesitado
comprender sus descubrimientos de la contribución de muchos
mediante las leyes de la física." científicos, posiblemente la primera
Durante las 24 horas del día, cada idea con bases científicas es la que
uno de nosotros está relacionado, dieron los griegos hace
en una forma u otra, con la química. aproximadamente 2600 años, ellos
Dormidos o despiertos, todo lo que aportaron las primeras ideas
tiene contacto con nosotros, sin

2. relacionando la materia con ciertas visión mas detallada de éstas
partículas cargadas eléctricamente. cargas.
En la actualidad algunas
experiencias comunes nos J.J.
relacionan a la materia con la Thomson(1856 -
electricidad. A principios del siglo 1940), Premio
XX se empezaron a encontrar Nóbel en 1906, en
relaciones entre la materia y 1895, estudiando
algunos fenómenos físicos. el paso de la
En el siglo V a.C. los griegos corriente a
observaron que cuando se frotaba través de los
ámbar (resina fósil de los árboles) gases usó para su
con alguna tela, éste material era estudio los tubos
capaz de atraer pequeños pedazos de de Crookes
papel, paja, hojas secas, etc. modificados.
Posteriormente se vio que el vidrio
presenta fenómenos semejantes; en a) El tubo estaba
la actualidad nosotros estamos completamente cerrado y al vacío.
familiarizados con este tipo de Dentro de él se encuentran 2
fenómenos, como por ejemplo un electrodos, uno es el cátodo ( - ) y
peine o al deslizarse un cuerpo otro el ánodo ( + ), los cuales están
sobre una vestidura de automóvil y conectados a una fuente de alto
hacer contacto posterior con un voltaje.
material metálico.
Esta fuerza de atracción se le llamó b) Se procedió a encontrar la
electricidad, de la palabra griega relación entre la carga y la masa del
ámbar. Actualmente este tipo de electrón de acuerdo con lo
electricidad producida por siguiente:
frotamiento se le conoce con el Al paso de una corriente eléctrica
nombre de Electricidad Estática de alto potencial se libera un flujo
para distinguirla de la corriente de electrones en línea recta desde
eléctrica. el polo negativo o cátodo hacia el
Muchos años después de los polo positivo o ánodo.
griegos, Benjamín Franklin (1747)
realizó más experimentos sobre la
electricidad estática y llegó a la
siguiente conclusión:
“La electricidad no se forma
únicamente por frotamiento sino que
se recoge,
ya que es un elemento que se
encuentra difundido en toda la Los
materia”. rayos catódicos viajan en línea
Esto constituyó el primer paso firme recta y por ello proyectan la
sobre el conocimiento de la sombra de cualquier cuerpo que se
estructura electrónica de los interponga a su paso, es por esto
átomos. que los rayos catódicos que se
desplazan por el tubo en línea recta
á RAYOS CATÓDICOS chocan con la cruz y no penetran, el
Experimento con los tubos de resultado es que en el vidrio
Croques. aparece la sombra de la cruz ya que
Investigación de las propiedades del el vidrio se hace fluorescente en
electrón. todas las regiones excepto la que
El paso de la electricidad a través queda directamente detrás de la
de soluciones salinas llevó a la cruz.
conclusión de que la corriente
consiste de cargas en movimiento. Si c) Si se somete el tubo de Crookes a
hacemos pasar una corriente a un campo eléctrico se observará
través de los gases se obtiene una que el flujo de rayos catódicos

3. sufre una desviación hacia el polo
positivo, por lo que infiere que los Y... sin embargo no fue Thomson
rayos catódicos tienen carga quién les dio el nombre de
negativa, son desviados por campos electrones sino Stoney en
eléctricos y magnéticos. 1874.
1 RELACIÓN CARGA MASA DEL
ELECTRÓN.
PARTE CUANTITATIVA DEL
EXPERIMENTO DE THOMSON.
Thomson trató de calcular la carga
y la masa del electrón sin lograrlo
obteniendo solamente una relación
carga-masa siempre constante, por
c) Si se somete el tubo de Crookes a
lo tanto quedaba pendiente de medir
un campo eléctrico se observará
por separado la carga y la masa del
que el flujo de rayos catódicos
electrón. Thomson ideó un aparato
sufre una desviación hacia el polo
de rayos X, usando gotas de agua de
positivo, por lo que infiere que los
vapor sobresaturado y midiendo la
rayos catódicos tienen carga
carga total obtuvo un valor de
negativa, son desviados por campos
6.5x1011 [uet/g].
eléctricos y magnéticos.
Pero el valor de la carga del
electrón, lo obtuvo Robert Millikan
Hagamos un paréntesis y,
analicemos que se entiende por
teorías y modelos.
Las teorías son explicaciones que
interpretan y relacionan hechos por
d) Si se coloca un rehilete dentro medio de amplias relaciones lógicas
del tubo de Crookes, en forma y sirven para predecir nuevos
perpendicular al haz de electrones descubrimientos. Las teorías derivan
este se mueve en el sentido del flujo de las hipótesis propuestas como
de los rayos catódicos, lo que indica explicaciones provisionales de una
que tales rayos tienen masa. serie limitada de fenómenos.
El carácter provisional de las
teorías nunca es totalmente
eliminado, ya que deben ser
verificadas por los hechos, y al
aumentar el caudal de los mismos,
las teorías son modificadas para que
correspondan a los hechos.
CONCLUSIONES: Un ejemplo interesante, lo
Las conclusiones a las que llego constituye la teoría atómica tal
Thomson a través de sus como fue formulada en su momento
experimentos con los rayos por Dalton, la cual se comprobó
catódicos son las siguientes: experimentalmente. Si bien no
resultó correcta en todos sus
a. Viajan en línea recta. postulados, permitió promover
b. Tienen carga eléctrica negativa. descubrimientos y otras teorías.
c. Tienen masa. Se habla de modelo , cuando se
d. Son partículas universales.- Ya hace referencia a un modo imaginario
que introduciendo cualquier gas se (y por tanto arbitrario) de
produce el mismo fenómeno por lo representar la realidad de un objeto
tanto son partículas presentes en o proceso, para poder realizar un
toda la materia. estudio teórico por medio de las

4. teorías y leyes usuales. Así, un
modelo es una imagen particular e
incompleta de un sistema usualmente
complejo, ya que sólo algunas
características del referente o
sistema se encuentran presentes en
el modelo.
Cuando Thomson propuso su modelo
atómico se sabía que los átomos
eran neutros. Ciertos experimentos
lograron determinar que los
átomos estaban formados por
partículas positivas y partículas Modelo de panqué o Budín con
negativas. pasas.
Thomson sugirió un modelo atómico Este modelo era estático, pues
que tomaba en cuenta la existencia suponía que los electrones estaban
del electrón, descubierto en reposo dentro del átomo y que el
por él en 1897, y puede describirse conjunto era eléctricamente
diciendo que: neutro. Con este modelo se podían
MODELO ATÓMICO DE explicar una gran cantidad de
THOMPSON fenómenos atómicos conocidos
hasta esa fecha. Posteriormente, el
"El átomo se
encuentra descubrimiento de nuevas partículas
formado por una y los experimentos llevados cabo
esfera de carga por Rutherford demostraron la
positiva en la inexactitud de tales ideas.
cual se
encuentran
incrustadas las i EXPERIMENTO DE MILLIKAN DE
cargas negativas LA GOTA DE ACEITE
(electrones) de
forma similar a Determinación de la carga del
como se electrón.
encuentran las Robert Millikan (físico
pasas de uva en norteamericano) en 1911 determinó
un pastel.
Además, como el la carga del electrón, se planteó
átomo es neutro como objetivo el conocer la carga y
la cantidad la masa del electrón por separado.
de cargas Millikan (Premio Nobel 1923)
positivas es igual
a la cantidad de perfeccionó, para su determinación,
cargas su famoso experimento de la "gota
negativas". de aceite" de tal manera que pudo
determinar con cierto grado de
exactitud la carga de un electrón.
Sobre la base de sus estudios El aparato en el que trabajo
Thomson propuso este Millikan para obtener la carga del
Modelo Atómico, ya que en ese electrón fue diseñado
momento se sabía que existían cargas ingeniosamente y consistía de un
negativas ó electrones en la materia recipiente que llevaba adaptado un
y que, lógicamente, deberían existir microscopio graduado, un aspersor,
cargas positivas por lo tanto su un aditamento de rayos X y dos
modelo fue el: placas metálicas conectadas a una
fuente de alto voltaje.

5. espacio, si el voltaje entre las
placas era el adecuado.
Por lo tanto con estas
observaciones determinó la carga
del electrón (en unidades
electrostáticas o [uet]), y observó
que sus valores obtenidos tenían
ciertas características:
Estos valores salían en ocasiones
positivos y en ocasiones negativos,
sin embargo en todos los casos los
valores encontrados son múltiplos
de 4.8 x 10-10 [uet] o bien de1.602 x
19-19 [Coul], carga que Millikan
Millikan tomo en cuenta varios atribuyó al electrón.
parámetros: Carga del electrón: 1.602 x 19-19
D = Distancia entre placas. coul. o 4.8 x 10-10 uet.
r = radio de la gota Con el dato de la carga del
ρ = densidad. electrón fue posible calcular la
ρo = densidad del aire masa del electrón. e/m = 5.273 x
m = masa 1017 [uet /g] e= 4.8 x10 -10 [uet]
m = 4.8x10-10[uet] / 5.273 x 1017
η = viscosidad
[uet / g] = 9.1x10-28 [g] ⇒ m=
v = volumen 9.1x10 -28 [g].
V= diferencia de potencial entre Para analizar cual era la estructura
las placas del átomo propuesto por Thomson,
e=? Rutherford diseñó un experimento y
posteriormente propone su propio
Mediante un pulverizador o aspersor modelo.
se produce una nube de pequeñísimas
gotitas de aceite en la superficie de 4.8 x 10 -10 uet.
las placas metálicas. De vez en 9.6 x 10 -10 uet.
cuando una gotita de aceite 14.4 x 10 -10 uet.
atraviesa un pequeño orificio 19.2 x 10 -10 uet.
practicado en la placa media y llega
al espacio comprendido entre ésta EXPERIMENTO Y MODELO DE
última y la inferior. ERNEST RUTHERFORD.
El aparato estaba aislado, a fin de
evitar corrientes de aire y estaba
equipado con ventanas para que las
observaciones se pudieran hacer
mediante el microscopio graduado
montado en el exterior.
Se seleccionó una de las gotas de
aceite que penetraban por el orificio
y se determinó su velocidad quitando
y poniendo el campo eléctrico entre
las placas además se hizo pasar un
haz de rayos X con objeto de ionizar
los gases y una fuente de
electrones libres.
Ernest Rutherford
Al pasar la radiación de rayos X la
El físico británico Ernest
gota adquiría carga y una vez
Rutherford, que obtuvo el
cargada podría ser atraída por una
Premio Nobel de Química en 1908,
de las placas cargadas con signo
fue un pionero de la
contrario; o ser detenidas en el
física nuclear por sus
investigaciones experimentales y

6. su desarrollo de la teoría nuclear
de la estructura
atómica. Rutherford afirmó que un
átomo está
constituido en gran medida por
espacio vacío, con un
núcleo con carga positiva en el
centro, en torno al cual
orbitan los electrones, cargados Los resultados obtenidos por
negativamente. Rutherford fueron los siguientes:
o Algunas partículas eran desviadas
en ángulos más anchos y, de vez en
De 1906 a 1913 fue el periodo en cuando, una partícula alfa rebotaba
donde se desarrolló la primera en la lámina.
teoría de la estructura atómica
que tuvo éxito.
El experimento consistía en Aproximadamente una de cada 20.000
bombardear una fina lámina de oro partículas rebotaba al chocar con
con rayos alfa. Para observar el la lámina de oro y se desviaba hasta
resultado de dicho bombardeo, 180o. o La mayoría de los rayos
alrededor de la lámina de oro lograban pasar a través de la lámina
colocó una pantalla fluorescente. sin desviarse o solo muy ligeramente
En 1906 Ernest Rutherford y los desviados. o Algunos son desviados
físicos Geiger y Marsden (1871-1937) en ángulos más anchos. o De vez en
encontraron que cuando cuando una partícula alfa rebota de
se bombardeaba una delgada lámina la lámina.
metálica con partículas alfa (iones
de helio = He++), la mayoría de las
partículas penetraban la materia y
sufría solamente una pequeña
desviación en su recorrido.
Inicialmente el aparato de
Rutherford consistió en una fuente
emisora radioactiva se encontraba
encerrado en una caja de plomo con
un orificio por donde salen las
radiaciones las cuales incidían
sobre una lámina de oro; se utilizó Por lo tanto Rutherford dio una
una lamina de este metal ya que es explicación a sus experimentos y
muy maleable y era fácil colocarlo sugirió lo siguiente:
en el recipiente. La lámina tenía un o Que los átomos están formados de
espesor equivalente a 10.000 un núcleo cargado positivamente,
átomos de oro o 4x10- rodeado por un sistema de
20 cm de grueso, atrás de la cual electrones. o Que el volumen
existe una pantalla fotográfica. efectivo del núcleo es
Rutherford observó que la mayoría extremadamente pequeño en
de las partículas pasaban a través comparación con el del átomo y casi
de la lámina sin desviarse, lo cuál no toda la masa de éste está
estaba de acuerdo con el modelo concentrada en el núcleo.
del budín con pasas de Thomson, o Por lo tanto Rutherford plantea
además de que algunas partículas su modelo atómico al que llamó
solamente se desviaban muy poco. "SISTEMA PLANETARIO" con un
núcleo donde están las partículas
positivas con espacios vacíos y en la
superficie cargas negativas.

7. que, además, explicara la estabilidad
de los átomos y la aparición de
espectros lineales.
Ante esta situación el modelo no era
el adecuado para avanzar más en el
conocimiento del átomo, por lo
tanto tuvieron que buscar más
evidencias.
Sobre la base EL ÁTOMO DE BOHR
de las observaciones posteriores
Rutherford postuló las siguientes
hipótesis: o El átomo está Niels Bohr,
constituido por un núcleo en donde ganador del
se encuentra casi la totalidad de la Premio Nóbel, no
masa atómica y la carga positiva, el sólo es famoso
volumen efectivo del núcleo es por su trabajo
extremadamente pequeño en teórico
comparación con el del átomo o En personal sino
torno a este núcleo y a grandes por su papel
distancias de él (espacios vacíos) como preceptor
giran los electrones a una de físicos jóvenes que
velocidad tal que la fuerza de contribuyeron notablemente a la
atracción electrostática compense física teórica. Como director del
a la fuerza centrífuga. o Como él Instituto de Física Teórica de la
átomo es neutro, el número de Universidad de Copenhague, Bohr
cargas positivas en el núcleo debe reunió a algunos de los mejores
ser igual al número de cargas físicos, como Werner Heisenberg o
negativas alrededor de él (1912). George
Gamow. En el instituto, durante la
n FALLAS DEL MODELO DE década de 1920, se realizaron
RUTHERFORD trabajos muy importantes en
Aunque el modelo de Rutherford mecánica cuántica y en física teórica
para el átomo explicaba la en general. postuló que los
distribución de masas positivas y electrones giran a grandes
negativas en el átomo, o no velocidades alrededor del núcleo
explicaba el origen de los atómico. En ese caso, los
espectros lineales . o Era un electrones se disponen en diversas
átomo inestable órbitas circulares, las cuales
De acuerdo con las leyes de la física determinan diferentes niveles de
clásica, un electrón en órbitas se energía.
debe acelerar y, por consiguiente,
irradiar energía. Al hacerlo, el En 1911, Rutherford estableció la
electrón perderá energía existencia del núcleo atómico. A
constantemente, y también en forma partir de los datos experimentales
constante disminuirá su radio de la dispersión de partículas alfa
orbital, de modo que emitirá una por núcleos de átomos de oro,
radiación continua y, eventualmente, supuso que cada átomo está
entrará en espiral en el núcleo. formado por un núcleo denso y con
Esto contradice dos hechos carga positiva, rodeado por
experimentales, los átomos son electrones cargados negativamente
estables y los electrones que lo que giran en torno al núcleo como
constituyen no entran en el núcleo los planetas alrededor del Sol. La
y, además, producen espectros teoría electromagnética clásica
lineales y no espectros continuos. desarrollada por el físico británico
Por lo tanto, era necesario un James Clerk Maxwell predecía
nuevo modelo que no solo excluyera inequívocamente que un electrón
los resultados de Rutherford, sino que girara en torno a un núcleo

8. radiaría continuamente energía gravitatoria es completamente
electromagnética hasta perder toda despreciable).
su energía, y acabaría cayendo en el Consideremos dos electrones
núcleo. Por tanto, según la teoría separados una distancia d, y
clásica, el átomo descrito por comparemos la interacción
Rutherford sería inestable. Esta electromagnética con fuerza de
dificultad llevó al físico danés Niels atracción entre sus masas.
Bohr a postular, en 1913, que la
teoría clásica no es válida en el
interior del átomo y que los
electrones se desplazan en órbitas
fijas. Cada cambio de órbita de un La intensidad de la interacción
electrón corresponde a la gravitatoria es por tanto
absorción o emisión de un cuanto de despreciable frente a la interacción
radiación. electromagnética.
La aplicación de la teoría de Bohr a
átomos con más de un electrón Modelo atómico de Bohr
resultó difícil. Las ecuaciones El modelo de Bohr es muy simple y
matemáticas para el siguiente átomo recuerda al modelo planetario de
más sencillo, el de helio, fueron Copérnico, los planetas
resueltas durante la segunda y describiendo órbitas circulares
tercera década del siglo XX, pero alrededor del Sol.
los resultados no concordaban El electrón de un átomo o ion
exactamente con los datos hidrogenoide describe órbitas
experimentales. Para átomos más circulares, pero los radios de estas
complejos sólo pueden obtenerse órbitas no pueden tener cualquier
soluciones aproximadas de las valor.
ecuaciones, y se ajustan sólo Consideremos un átomo o ion con un
parcialmente a las observaciones. solo electrón. El núcleo de carga
Un átomo tiene una dimensión total Ze es suficientemente pesado para
del orden de 10-9 m. Está compuesto considerarlo inmóvil, de modo que
por un núcleo relativamente pesado la energía del electrón es
(cuyas dimensiones son del orden de
10-14 m) alrededor del cual se mueven
los electrones, cada uno de carga –
e (1.6 10-19 C), y de masa me (9.1·10-31
kg).
El núcleo está compuesto por
protones y neutrones. El número Z
de protones coincide con el número
de electrones en un átomo neutro. Si el electrón
La masa de un protón o de un describe una
neutrón es aproximadamente 1850 órbita
veces la de un electrón. En circular de
consecuencia, la masa de un átomo radio r, por la
es prácticamente igual a la del dinámica del
núcleo. movimiento
Sin embargo, los electrones de un circular
átomo son los responsables de la uniforme :
mayoría de las propiedades atómicas
que se reflejan en las propiedades
macroscópicas de la materia.
El movimiento de los electrones
alrededor del núcleo se explica,
considerando solamente las
interacciones entre el núcleo y los
electrones (la interacción

9. En el modelo de Bohr solamente
están permitidas aquellas órbitas La energía del electrón
cuyo momento angular está aumenta con el número
cuantizado. cuántico n .
Al discutir el experimento de Frank-
Hertz se mencionaba la primera
energía de excitación como
la necesaria para llevar a un átomo
n es un número entero que se de su estado fundamental a el primer
denomina número cuántico, y h es la (o más bajo) estado excitado.
constante de Planck h= 6.6256·10-34 La energía del estado fundamental
Js. se obtiene con, n 1, E 13,6 eV 1
Las ecuaciones (2) y (3) nos dan los = = − y la del primer estado
radios de las órbitas permitidas excitado con n 2, E 3,4 eV 2 = =
−
Las energías se suelen expresar en
“electrón-voltios” (1eV=1.6 10 -19
J)
) La radiación emitida cuando el
El radio de la primera órbita es electrón pasa del estado excitado
n =1, r =5,29·10 -11 m, se denomina al fundamental es ,
radio de Bohr.
Espectros Atómicos
Uno de los logros mas
espectaculares de la teoría
Cuántica es la explicación del
origen de las líneas espectrales de
los átomos.
• Cuando se excitan en la fase
gaseosa, cada elemento da lugar a
un espectro de líneas único.
• La espectroscopía es un medio de
suma utilidad para analizar la
composición de una sustancia
desconocida.
• A finales del siglo XIX se descubrió
que las longitudes de onda
Nota: Con Å se designa la unidad de presentes en un espectro atómico
longitud Angstrom (en el sistema SI) caen dentro de determinados
y equivale a 1.0x10-10 metros. conjuntos llamados series
El electrón puede acceder a un nivel espectrales.
de energía superior pero para ello • Fórmulas empíricas
necesita "absorber" energía. Cuando 1. Serie de Balmer (1885). Espectro
vuelve a su nivel de energía original,
visible del H.
el electrón necesita emitir la
energía absorbida (por ejemplo en
forma de radiación).
f La energía total se puede escribir,

10. energético tenían distinta
energía. Algo andaba mal.
La conclusión fue que
dentro de un mismo nivel
energético existían
subniveles.
En 1916, Arnold Sommerfeld
modifica el modelo atómico de
Bohr, en el cual los electrones
sólo giraban en órbitas circulares,
al decir que también podían girar en
órbitas elípticas.
Todavía Chadwick no había
descubierto los neutrones, por
eso en el núcleo sólo se
representan, en rojo, los
protones.
Este conocimiento dio lugar a un
nuevo número cuántico: "el número
cuántico azimutal", que determina la
forma de los orbitales, se lo
representa con la letra " l " y toma
valores que van desde 0 hasta n-1.
PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE
Werner K.
Heisenberg
El físico alemán
Werner K.
Heisenberg es
conocido sobre
El modelo atómico de de Bohr, daba todo por formular
una explicación teórica a existencia el principio de
de las “series espectrales del incertidumbre, una
hidrógeno, (eran empíricas) y salvaba contribución
la inestabilidad del “átomo de fundamental al
Rutherford”. desarrollo de la
Este modelo, funcionaba muy bien teoría cuántica. Este
para el átomo de hidrógeno. principio afirma que es imposible
En los espectros realizados para medir simultáneamente de forma
otros átomos se observaba que precisa la posición y el momento
electrones de un mismo nivel lineal de una partícula. Heisenberg

11. fue galardonado con el Premio
Nobel de Física en 1932.
Principio de incertidumbre, en LA RADIACTIVIDAD
mecánica cuántica, principio que
afirma que es imposible medir
simultáneamente de forma precisa la
posición y el momento lineal de una
partícula, por ejemplo, un electrón.
El principio, también conocido como
principio de indeterminación, afirma
igualmente que si se determina con
mayor precisión una de las
cantidades se perderá precisión en
la medida de la otra, y que el
producto de ambas incertidumbres Antoine Henri
nunca puede ser menor que la Becquerel
constante de Planck, llamada así en El físico francés Antoine Henri
honor del físico alemán Max Planck. Becquerel recibió el Premio Nobel
La incertidumbre es muy pequeña, y de Física
resulta despreciable en mecánica
clásica.
En cambio, en la mecánica cuántica
las predicciones precisas de la
mecánica clásica se ven sustituidas
por cálculos de probabilidades.
El principio de incertidumbre fue
formulado en 1927 por el físico Pierre Curie
alemán Werner Heisenberg y tuvo El físico francés Pierre Curie
una gran importancia para el obtuvo el Premio Nobel de Física en
desarrollo de la mecánica cuántica. 1903 por su descubrimiento de los
Las implicaciones filosóficas de la elementos radiactivos. Compartió el
indeterminación crearon una fuerte premio con su esposa Marie Curie y
corriente de misticismo entre con su colega Antoine Henri
algunos científicos, que Becquerel.
interpretaron que el concepto
derribaba la idea tradicional de
causa y efecto. Otros, entre ellos
Albert Einstein, consideraban que la
incertidumbre asociada a la
observación no contradice la
existencia de leyes que gobiernen el
comportamiento de las partículas, ni Marie Curie Marie
la capacidad de los científicos para Curie acuñó el término radiactividad
descubrir dichas leyes. para las emisiones del uranio
A fines de 1800 el físico alemán detectadas en sus primeros
Wilhelm Röntgen descubrió un rayo experimentos. Mas tarde, junto con
nuevo y extraño, producido por el su marido, descubrió los elementos
choque de un electrón contra un de polonio y radio Radiactividad,
trozo de vidrio. Como eran rayos de desintegración espontánea de
naturaleza desconocida, los llamó núcleos atómicos mediante la
"rayos x". emisión de partículas subatómicas

12. llamadas partículas alfa y
partículas beta, y de radiaciones
electromagnéticas denominadas
rayos X y rayos gamma.
El fenómeno fue descubierto en
1896 por el físico francés Antoine
Henri Becquerel al observar que las
sales de uranio podían ennegrecer
una placa fotográfica aunque
estuvieran separadas de la misma por
una lámina de vidrio o un papel
negro. También comprobó que los
rayos que producían el
oscurecimiento podían descargar un Una partícula alfa está formada
electroscopio, lo que indicaba que por dos protones y dos neutrones
poseían carga eléctrica. que actúan como una única
En 1898, los químicos franceses partícula. Son núcleos de átomos de
Marie y Pierre Curie dedujeron que helio. Cuando un núcleo radiactivo
la radiactividad es un fenómeno inestable emite una partícula alfa,
asociado a los átomos e éste se convierte en un núcleo de un
independiente de su estado físico o elemento distinto.
químico. También llegaron a la
conclusión de que la pechblenda, un e Rayos gamma
mineral de uranio, tenía que
contener otros elementos Los rayos gamma (fotones de alta
radiactivos ya que presentaba una energía) son emitidos por el núcleo
radiactividad más intensa que las de un átomo
sales de uranio empleadas por tras sufrir una
Becquerel. El matrimonio Curie Desintegración
llevó a cabo una serie de radiactiva. La
tratamientos químicos de la energía del
pechblenda que condujeron al rayo gamma
descubrimiento de dos nuevos (generalmente
elementos radiactivos, el polonio y similar a la de
el radio. Marie Curie también los rayos X de
descubrió que el torio es radiactivo. alta energía)
En 1899, el químico francés André corresponde a
Louis Debierne descubrió otro la diferencia de energías entre el
elemento radiactivo, el actinio. núcleo original y los productos de
Ese mismo año, los físicos británicos la desintegración. Cada isótopo
Ernest Rutherford y Frederick radiactivo emite rayos gamma con
Soddy descubrieron el gas una energía característica.
radiactivo radón, observado en
asociación con el torio, el actinio y
el radio.
TIPOS DE RADIACIÓN
Hay dos tipos de desintegración
beta. En la que se muestra a la
izquierda, un neutrón se

13. convierte en un protón emitiendo un recipiente; al cabo de unos días pudo
antineutrino y una partícula beta demostrarse la presencia de helio
cargada negativamente. En elemental utilizando un
la de la derecha, un protón se espectroscopio. Más tarde se
convierte en un neutrón emitiendo demostró que las partículas beta
un neutrino y una partícula beta eran electrones, mientras que los
positivamente cargada. Las rayos gamma eran radiaciones
partículas beta positivas se llaman electromagnéticas de la misma
positrones, y las negativas naturaleza que los rayos X pero con
electrones. Después de la una energía considerablemente
desintegración, el núcleo del átomo mayor.
contiene un protón más o menos, Rutherford descubrió que las
por lo que constituye un elemento emisiones radiactivas contienen al
nuevo, con número atómico distinto. menos dos componentes: partículas
El descubrimiento de que la alfa, que sólo penetran unas
desintegración del radio produce milésimas de centímetro en el
radón demostró de forma fehaciente aluminio, y partículas beta, que son
que la desintegración radiactiva casi 100 veces más penetrantes.
está acompañada de un cambio en la En experimentos posteriores se
naturaleza química del elemento que sometieron las emisiones radiactivas
se desintegra. a campos eléctricos y magnéticos, y
estas pruebas pusieron de manifiesto
la presencia de un tercer
componente, los rayos gamma, que
resultaron ser mucho más
penetrantes que las partículas beta.
En un campo eléctrico, la
trayectoria de las partículas beta se
Los "rayos X", la "luz visible", desvía mucho hacia el polo positivo,
las "ondas de radio", etc., son mientras que la de las partículas
fotones de diferente energía. alfa lo hace en menor medida hacia
La radiación gama corresponde el polo negativo; los rayos gamma
a fotones de alta energía. no son desviados en absoluto. Esto
Los experimentos sobre la indica que las partículas beta tienen
desviación de partículas alfa en un carga negativa, las partículas alfa
campo eléctrico demostraron que tienen carga positiva (se desvían
la relación entre la carga eléctrica menos porque son más pesadas que
y la masa de dichas partículas es las partículas beta) y los rayos
aproximadamente la mitad que la del gamma son eléctricamente neutros.
ion hidrógeno. Los físicos Pronto se reconoció que la
supusieron que las partículas podían radiactividad era una fuente de
ser iones helio con carga doble energía más potente que ninguna de
(átomos de helio a los que les las conocidas. Los Curie midieron el
faltaban dos electrones). calor asociado con la
El ion helio tiene una masa unas desintegración del radio y
cuatro veces mayor que el de establecieron que 1 gramo de radio
hidrógeno, lo que supondría que su desprende aproximadamente unos
relación carga-masa sería 420 julios (100 calorías) de energía
efectivamente la mitad que la del ion cada hora.
hidrógeno. Esta suposición fue
demostrada por Rutherford cuando Este efecto de calentamiento
hizo que una sustancia que emitía continúa hora tras hora y año tras
partículas alfa se desintegrara año, mientras que la combustión
cerca de un recipiente de vidrio de completa de un gramo de carbón
paredes finas en el que se había produce un total de 34.000 julios
hecho el vacío. (unas 8.000 calorías) de energía.
Las partículas alfa podían atravesar Tras estos primeros
el vidrio y quedaban atrapadas en el descubrimientos, la radiactividad
atrajo la atención de científicos

14. de todo el mundo. En las décadas primeras letras del alfabeto griego:
siguientes se investigaron a fondo (alfa), (beta), y (gama). Estas tres
muchos aspectos del fenómeno. formas de radiación pueden ser
Dos meses después de este separadas por medio de un campo
descubrimiento, el físico francés magnético, ya que las partículas
Henri Becquerel estaba realizando alfa, cargadas positivamente, doblan
un experimento en el que cubría en una dirección, las partículas
diferentes elementos con placas beta, negativas, en la dirección
fotográficas revestidas en negro, opuesta, y la radiación gama,
para medir si estos elementos podían eléctricamente neutra, no dobla en
emitir rayos. Si un elemento emitiera absoluto.
un rayo, penetraría el revestimiento
negro y expondría la placa Los físicos franceses Pierre y Marie
fotográfica. Para su sorpresa, Curie llevaron a cabo gran parte de
Becquerel encontró que unos las investigaciones básicas que
cuantos elementos, incluido el abrieron una brecha en el
uranio, emitían rayos energéticos sin conocimiento de la radioactividad.
recibir ningún aporte externo de Después de muchos años de estudio,
energía. estos científicos identificaron
La importancia de los experimentos varios tipos de partículas,
de Becquerel fue el descubrimiento resultantes de procesos
que existen procesos naturales radioactivos (radiación).
responsables de que ciertos Las partículas alfa pueden ser
elementos liberen rayos x detenidas por medio de una hoja de
energéticos. papel; las partículas beta por
Esto sugiere que esos elementos aluminio; y la radiación gama con un
son intrínsecamente inestables, bloque de plomo. Ya que la radiación
porque liberan espontáneamente gama puede penetrar muy
diferentes formas de energía. Esta profundamente dentro de un
liberación de partículas energéticas material, y tiene la propiedad de
(en la forma de rayos x), romper ligaduras químicas, se la
provenientes del decaimiento de considera como la más peligrosa,
átomos inestables, se llama cuando se trabaja con materiales
radioactividad. radioactivos (lamentablemente, a
los científicos les tomó muchos
años determinar los peligros de la
radiactividad....)
Los tres tipos distintos de radiación
fueron llamados, utilizando las tres

15. Un pedazo de uranio, por sí mismo,
decaerá gradualmente hacia varias
partículas más pequeñas.
La tasa de decaimiento se mide por el
tiempo requerido para que decaiga la
mitad de la masa de uranio (la vida
media). Aún cuando es
absolutamente aleatorio cuándo
decaerá un átomo en particular,
podemos efectuar una buena
predicción para la vida media de un
número grande de átomos.
Hubo mucha gente descontenta con
la idea que las probabilidades
puedan regir las propiedades físicas.
En respuesta a esta teoría Einstein
proclamó "Dios no juega a los
dados" (Einstein estaba
equivocado).
Si usted arroja una moneda sólo dos
veces y obtiene dos "caras", no
puede de allí sacar conclusiones
respecto a la probabilidad de
obtener una "seca" en el próximo
tiro, porque el tamaño de su muestra
es muy pequeño. Sin embargo, si usted
arroja una moneda cien veces y
obtiene 51 "caras" y 49 "secas",
usted puede concluir que la chance
de obtener una "seca" es del
50%. A pesar de que las propiedades
físicas estén regidas por las
probabilidades, los físicos pueden
predecir aproximadamente los
resultados globales de una gran
muestra de eventos aleatorios. En el
caso de la vida media, por ejemplo,
pueden predecir cuándo la mitad de
los átomos de un grupo dado, habrá
Esa idea de que "si puede suceder, decaído aleatoriamente.
¡sucederá!" es fundamental para la
mecánica cuántica, la rama de la ¿Dónde se fue la masa?
física que explica el comportamiento Todavía
de las partículas, en términos de está sin
probabilidades. Para algunos
átomos hay una probabilidad cierta
de sufrir decaimientos radiactivos, a
causa de la posibilidad de que el
núcleo --por un instante—pueda
existir en un estado que le permita
volar en pedazos.

16. responder la pregunta: si un átomo características son denominadas
de partículas virtuales ).
uranio decae hacia uno de thorio más
una partícula alfa, ¿dónde
fueron las UMA's restantes?
Tanto la interacción fuerte como la
débil causan el decaimiento de las
partículas. Antes de explicar
algunas diferencias entre estas
Había un montón de energía interacciones, es necesario
almacenada en la fuerza fuerte redefinir un par de términos claves.
residual, que mantenía el átomo de Carga Electromagnética:
uranio unido. Cuando ese átomo de Las Partículas con carga
uranio sufrió el electromagnética atraen a otras
decaimiento radioactivo, algo de partículas con carga eléctrica
esta energía fue liberada como opuesta, y repelen a las partículas
energía cinética (la energía del con cargas de igual signo. La
movimiento). Esta conversión de interacción electromagnética ha
energía quedó registrada como una sido unificada con la interacción
pérdida de masa. débil constituyendo la interacción
Mediadores del decaimiento de electrodébil.
partículas Los átomos pueden Carga de Color:
decaer en átomos de menor masa Así como algunas partículas pueden
desdoblándose; pero ¿cómo decae estar cargadas
una partícula fundamental en otra electromagnéticamente, otras
partícula fundamental? Por partículas tienen un tipo diferente
definición, es imposible partir una de carga, llamada carga de color. La
partícula fundamental. interacción fuerte causa la
atracción entre partículas con
Resulta que cuando una partícula carga de color.
decae, se transforma en una Sabor:
partícula de menor masa más una El tipo de cada partícula se denomina
partícula portadora de fuerza (un su "sabor". Si una partícula decae de
gluón o W/Z). Estos portadores de un tipo ha otro se dice que "cambia
fuerza pueden luego decaer en otras su sabor". Cuando un quark down,
partículas. por ejemplo, decae hacia un quark
Así, una partícula no puede up, sería incorrecto decir que el
simplemente transformarse en otro quark down repentinamente dejó de
tipo de partícula; hay una partícula existir, se dice en cambio que el
portadora de fuerza intermediaria quark down cambió su sabor.
que actúa como mediador en los
decaimientos de partículas. de color. Los portadores de fuerza
En muchos casos, estas partículas de la interacción débil son los W+
portadoras de fuerza provisorias, (eléctricamente positivos),
parecen violar la conservación de W- (eléctricamente negativos), y los Z
la energía debido a que sólo existen (sin carga eléctrica). Ninguna de las
a energías extremadamente altas. partículas portadoras
Sin embargo, estas partículas de la fuerza débil tienen carga de
existen durante un lapso tan breve, color.
que no se rompe ninguna regla Típicamente las partículas
(partículas con estas portadoras de la fuerza débil (W±)
actúan como intermediarios en

17. aquellos decaimientos en los que
las partículas cambian su carga
eléctrica. Esto pasa usualmente
siempre que una partícula cambia de
sabor. La partícula portadora de la
fuerza fuerte (el gluón) es el
mediador en los decaimientos que
involucran un cambio de color. Al
ser más intensas, las interacciones
fuertes acontecen más rápidamente
que las interacciones débiles.
Aniquilaciones
Las aniquilaciones son diferentes de
los decaimientos en que en una
aniquilación una partícula de materia
y una partícula de antimateria se
aniquilan entre sí convirtiéndose
totalmente en energía,
en tanto que en un decaimiento una
parte de la masa de la partícula que
decae se convierte en energía, y el
resto de la masa se convierte en
masa de las nuevas partículas.
La línea del tiempo de la física
de partículas
Por más de dos mil años la gente ha
pensado acerca de las partículas
fundamentales, con las que
está hecha toda la materia;
empezando con un desarrollo
gradual de la teoría atómica para
continuar luego con una
Durante una aniquilación, una comprensión más profunda del
partícula de materia y una de átomo cuántico, hasta llegar a la
antimateria interactúan entre sí, reciente teoría del Modelo
convirtiendo toda la energía que Standard.
poseen antes de la aniquilación, en Lo invitamos a explorar esta historia
una partícula portadora de fuerza, de la física de partículas, con su
muy energética (un gluón, W/Z, o un visión enfocada hacia los científicos
fotón). Estos portadores de y los pensadores que ayudaron a dar
fuerzas, a su vez, pueden decaer forma a este campo de la física. Las
generando otras partículas. cuatro secciones están dispuestas
Muy a menudo, los físicos hacen que cronológicamente. Usted puede usar
dos partículas se aniquilen a el índice para encontrar mayor
tremendas energías para poder información sobre una persona
crear nuevas partículas masivas. específica o sobre un evento en
Muchos eventos pueden involucrar particular.
aniquilaciones, interacciones
débiles y/o interacciones fuertes.
Diríjase a la siguiente página para ver
varios ejemplos.
Ejemplos de decaimientos

18. son continuamente creadas y
aniquiladas. En realidad, las fuerzas
y los procesos de creación y
aniquilación son fenómenos
relacionados, y se denominan
colectivamente interacciones o
fuerzas fundamentales.
Las secciones de la Historia de la Se conocen cuatro tipos de
Física de Partículas fueron interacción:
escritas por el grupo de física, de
1996, del Mountain Empire High
School, Pine Valley, California, bajo
la conducción de Susan Lafo.
Las fuerzas fuertes
residuales unen el núcleo
Recuerde que en la ruta del Modelo
Standard vimos que los protones
son positivos, y que el núcleo se
mantiene unido gracias a las Fuerzas fundamentales
interacciones fuertes residuales. Un Las cuatro fuerzas fundamentales
núcleo se separaría, a causa de la (gravitatoria, nuclear débil,
repulsión eléctrica entre protones, electromagnética y nuclear fuerte)
si no estuvieran "pegados" por los mantienen unidas las partículas y las
gluones, que afectan al núcleo hacen interaccionar, dando forma a
completo. la materia y al Universo.
Imagine el núcleo como si fuera un Cada una de ellas es transmitida por
resorte traccionado con fuerza unas partículas muy especiales
(por la repulsión eléctrica ) pero llamadas bosones. La fuerza
con su longitud mantenida gracias a gravitatoria es la más débil de las
una soga resistente (fuerza residual fuerzas fundamentales; es
fuerte). A causa de ello, hay un transmitida por el gravitón
montón de energía potencial en el (partícula cuya existencia todavía no
resorte, que no se puede liberar por ha sido confirmada
causa de la resistencia de la soga. experimentalmente) y está ligada a la
masa de los cuerpos.
La fuerza más intensa es la nuclear
fuerte, transmitida por el gluón, que
actúa en el interior del núcleo,
entre los quarks que forman
protones y neutrones. De intensidad
intermedia son la fuerza
electromagnética, que une los
electrones a los núcleos en átomos
y moléculas, y la fuerza nuclear
débil, responsable de las
desintegraciones radiactivas y de
algunas reacciones nucleares que
tienen lugar en el interior de las
estrellas. Estas dos fuerzas, como
FUERZAS FUNDAMENTALES
demostraron Abdus Salam, Steven
Las partículas elementales ejercen
Weinberg y Sheldon Lee Glashow
fuerzas sobre las demás partículas y

19. (premios Nobel de Física en 1979), Constituyentes de la materia
son dos manifestaciones diferentes
del mismo tipo de interacción: la
fuerza electrodébil.
La interacción nuclear fuerte es la
más intensa, y es la responsable de
la vinculación de protones y
neutrones para formar núcleos. Le
sigue en intensidad la interacción
electromagnética, que une los
electrones a los núcleos en átomos
y moléculas. Desde el punto de vista
práctico, esta unión reviste una gran
importancia porque todas las
reacciones químicas conllevan
transformaciones de esta unión
electromagnética de los electrones Según el modelo estándar, la
y los núcleos. materia se compone de dos tipos de
La llamada interacción débil, o partículas fundamentales: los
fuerza nuclear débil, es mucho leptones y los quarks. El electrón,
menos intensa. Rige la uno de los constituyentes
desintegración radiactiva de los elementales del átomo, pertenece a
núcleos atómicos, que fue la familia de los leptones.
observada por primera vez (1896- En cambio, el protón y el neutrón,
1898) por los físicos y químicos constituyentes del núcleo atómico,
franceses Antoine H. Becquerel, están formados por quarks.
Pierre y Marie Curie. La interacción La simetría de la naturaleza ha
gravitatoria es importante a gran ordenado las partículas de cada
escala, aunque es la más débil de las clase en tres familias. Las medidas
interacciones entre partículas efectuadas en el acelerador LEP del
elementales. CERN (Organización Europea para la
En la actualidad, los científicos Investigación Nuclear) han
intentan demostrar que todas estas confirmado ese número de familias,
interacciones, aparentemente proporcionando fundamento
diferentes, son manifestaciones, en experimental al modelo.
circunstancias distintas, de un modo Nota:
único de interacción. El término Teoría de supercuerdas
“teoría del campo unificado” Teoría de supercuerdas, teoría física
engloba a las nuevas teorías en las que considera los componentes
que dos o más de las cuatro fuerzas fundamentales de la materia no
fundamentales aparecen como si como puntos matemáticos, sino como
fueran básicamente idénticas. La entidades unidimensionales (líneas)
teoría de la gran unificación intenta llamadas ‘cuerdas’, y que incorpora
unir en un único marco teórico las la teoría matemática de
interacciones nuclear fuerte y supersimetría. Esta última teoría es
nuclear débil, y la fuerza una evolución de la teoría de la gran
electromagnética. unificación que sugiere que todos
Esta teoría de campo unificado se los tipos de partícula conocidos
halla todavía en proceso de ser deben tener una “compañera
comprobada. La teoría del todo es supersimétrica” todavía no
otra teoría de campo unificado que descubierta. Esto no significa
pretende proporcionar una que exista una compañera para cada
descripción unificada de las cuatro partícula individual (por ejemplo,
fuerzas fundamentales. Hoy, la para cada electrón), sino un tipo de
mejor candidata a convertirse en partícula asociado a cada tipo
una teoría del todo es la teoría de conocido de partícula. La partícula
supercuerdas. hipotética correspondiente al

20. electrón sería el selectrón, por
ejemplo, y la correspondiente al
fotón sería el fotino. Esta
combinación de la teoría de cuerdas
y la supersimetría es el origen del
nombre de ‘supercuerdas’.
Las propiedades como la carga
eléctrica se consideran vinculadas
en cierto sentido a los extremos de
las cuerdas, y la forma en que las
cuerdas vibran y rotan explica
muchas propiedades de partículas
como los protones y electrones,
aunque las cuerdas en sí mismas
serían muchísimo más pequeñas que
estas partículas ‘de la vida diaria’.
Una cuerda típica sería tan pequeña
que harían falta 1020 cuerdas una
detrás de otra para abarcar el
diámetro de un único protón.
Resulta imposible estudiar la
estructura de la materia a esta
escala en experimentos realizados
en laboratorios terrestres: hacerlo
exigiría un acelerador de partículas
mayor que la propia Tierra. Sin
embargo, los físicos matemáticos
están muy interesados por las
implicaciones de la teoría de
cuerdas, ya que además de explicar
el comportamiento conocido de
partículas como electrones y
protones, proporciona
automáticamente una descripción de
la gravitación a partir del
comportamiento de cuerdas
vibrantes en forma de bucle. Muchos
físicos creen por ello que las
supercuerdas son el planteamiento
que mejores perspectivas ofrece
para desarrollar una teoría del
todo definitiva.