Este documento describe la ecuación de Schrödinger para un átomo hidrogenoide y su resolución. 1) La ecuación separa en una parte angular y una radial. 2) La parte angular da como soluciones los armónicos esféricos y depende de los números cuánticos l y m. 3) La parte radial da los niveles de energía cuantizados que sólo dependen de n, dando lugar a degeneración.
1. El documento presenta ejercicios resueltos sobre aplicaciones lineales, incluyendo determinar si aplicaciones son lineales, hallar aplicaciones lineales dados sus núcleos e imágenes, y calcular núcleos e imágenes de aplicaciones dadas sus matrices asociadas.
Este documento introduce conceptos fundamentales relacionados con curvas en R3 definidas por funciones vectoriales de una variable real. Explica funciones vectoriales, dominio, límite, continuidad y trayectorias. Luego define gráficas, trazas y curvas como la traza de una trayectoria. Presenta ejemplos de curvas comunes como hélices y discute derivadas y conceptos asociados a derivadas de funciones vectoriales.
Este documento presenta la solución de una evaluación de álgebra lineal con 5 proposiciones. Justifica que si una matriz B se obtiene de A por intercambio de filas, sus rangos son iguales. Muestra un ejemplo donde el rango de una matriz 3x5 puede ser menor que 3. Demuestra que el generador del intersecto de dos subespacios no es igual al intersecto de sus generadores.
Este documento presenta varios ejercicios de álgebra lineal relacionados con transformaciones lineales. Propone determinar si ciertas funciones son transformaciones lineales, calcular el núcleo e imagen de transformaciones dadas, y encontrar las matrices asociadas a transformaciones respecto a bases específicas. El documento contiene 8 ejercicios con múltiples partes cada uno sobre diversos temas de álgebra lineal aplicados a transformaciones lineales.
Este documento presenta una resolución de una evaluación de álgebra lineal que incluye varias proposiciones y preguntas. La primera sección contiene 4 proposiciones sobre espacios vectoriales y subespacios, las cuales se justifican con ejemplos. La segunda sección define 4 conjuntos y pregunta cuáles son subespacios vectoriales de V, determinando bases y dimensiones de dos de ellos y su intersección. Finalmente, se pide determinar si la suma de dos matrices pertenece a la unión de los subespacios definidos.
Este documento introduce las funciones de varias variables y discute cómo graficarlas. Presenta ejemplos de funciones de R2 a R, R3 a R y R4 a R. Explica que la gráfica de una función se define como el conjunto de puntos (x, y) tales que y = f(x) para x en el dominio, y solo puede representarse gráficamente para n = 1, 2.
Este documento presenta la solución a una evaluación de álgebra lineal. Incluye cuatro proposiciones sobre transformaciones lineales y sus propiedades que deben ser calificadas como verdaderas o falsas con justificación. También describe una transformación lineal L entre matrices 2x2 y escalares reales, solicitando determinar su núcleo, imagen e identificar la matriz asociada respecto a las bases canónicas.
Este documento presenta 6 problemas resueltos relacionados con series de Fourier. Cada problema involucra desarrollar una función dada en una serie de Fourier, calcular coeficientes de Fourier, y estudiar la convergencia de la serie. Los problemas cubren temas como funciones periódicas, puntos de discontinuidad, y aplicaciones de series de Fourier como demostrar identidades trigonométricas.
1. El documento presenta ejercicios resueltos sobre aplicaciones lineales, incluyendo determinar si aplicaciones son lineales, hallar aplicaciones lineales dados sus núcleos e imágenes, y calcular núcleos e imágenes de aplicaciones dadas sus matrices asociadas.
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Este documento presenta la solución de una evaluación de álgebra lineal con 5 proposiciones. Justifica que si una matriz B se obtiene de A por intercambio de filas, sus rangos son iguales. Muestra un ejemplo donde el rango de una matriz 3x5 puede ser menor que 3. Demuestra que el generador del intersecto de dos subespacios no es igual al intersecto de sus generadores.
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Este documento introduce las funciones de varias variables y discute cómo graficarlas. Presenta ejemplos de funciones de R2 a R, R3 a R y R4 a R. Explica que la gráfica de una función se define como el conjunto de puntos (x, y) tales que y = f(x) para x en el dominio, y solo puede representarse gráficamente para n = 1, 2.
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Este documento presenta tres temas de la asignatura Teoría Electromagnética I. El primer tema calcula el potencial absoluto en un punto dado dos conductores paralelos con cargas opuestas. El segundo tema determina el radio de separación de dos dieléctricos en un cable coaxial para que la diferencia de potencial sea igual en cada uno, y calcula la capacitancia por unidad de longitud. El tercer tema calcula la carga total contenida en una esfera dada un campo eléctrico expresado en coordenadas cartesianas.
El documento presenta notas sobre el análisis de sistemas de control mediante el lugar geométrico de las raíces. Explica que este método gráfico representa la ubicación de los polos de lazo cerrado a medida que varía un parámetro y puede usarse para analizar la estabilidad y respuesta transitoria. También muestra ejemplos de cómo determinar la ubicación de los polos y el valor de parámetros para lograr un desempeño específico.
Este documento resume los temas fundamentales del curso de Cálculo Avanzado impartido por el profesor Carlos Silva en la Universidad de Santiago de Chile, incluyendo funciones reales de varias variables, límites y continuidad, derivadas parciales, diferenciabilidad, regla de la cadena, derivación implícita y algunas ecuaciones en derivadas parciales.
Este documento resume los principales conceptos y métodos para resolver ecuaciones diferenciales de primer y segundo orden. En primer lugar, explica cómo resolver ecuaciones diferenciales de primer orden separables, exactas y lineales. Luego, presenta ejemplos de aplicación en diversos problemas físicos. Finalmente, detalla métodos como variación de constantes y coeficientes indeterminados para resolver ecuaciones diferenciales de segundo orden lineales y no lineales.
Este documento presenta tres ejemplos de cómo calcular la representación en serie de Fourier para diferentes señales. En el primer ejemplo, se calculan los coeficientes de Fourier para la señal f(t)=e-t. En el segundo ejemplo, se calculan los coeficientes para la señal f(t)=t2. En el tercer ejemplo, se calculan los coeficientes para una señal periódica de amplitud A entre -π y π.
El documento contiene información sobre la transformada de Laplace. Incluye la definición de la transformada de Laplace, ejemplos de su aplicación, y tablas con propiedades comunes de funciones elementales utilizadas en el cálculo de la transformada.
Este documento contiene la guía número 2 del curso de Matemática II. Incluye 7 secciones con ejercicios sobre aproximaciones de áreas bajo curvas usando rectángulos, cálculo de integrales definidas, volúmenes de sólidos de revolución, y determinación de convergencia de integrales impropias. Los profesores son Josè Ollarves, Nancy Requena, Aida Ulacio, Arnaldo Mèndez y Ariel Luna en la Universidad Francisco de Miranda.
Este documento presenta conceptos básicos sobre series de Fourier. Explica que una función periódica puede representarse mediante una serie trigonométrica de Fourier, cuyos coeficientes se calculan usando fórmulas de Euler. También cubre temas como simetrías par e impar, convergencia de la serie, y desarrollos de medio rango para funciones definidas en intervalos parciales.
Este documento resume las leyes de Gauss y Coulomb, así como sus aplicaciones. Explica que la ley de Gauss relaciona la densidad de carga eléctrica con el campo eléctrico, mientras que la ley de Coulomb describe la fuerza entre cargas eléctricas puntuales. Luego, presenta un ejemplo de cálculo de la densidad lineal de carga de un hilo infinito a partir de la masa, carga y velocidad final de una partícula cargada. Finalmente, distingue entre conductores, donde el campo eléctrico
Este documento define conceptos fundamentales relacionados con curvas en el espacio, incluyendo curvas paramétricas, vectores tangente, normal y binormal, derivadas de curvas, radio de curvatura y aceleración. Explica cómo representar curvas mediante funciones vectoriales r(t) y calcular propiedades geométricas como la curvatura a partir de las derivadas de dichas funciones.
Interior, exterior y frontera de un conjuntowalexander03
1) El documento presenta definiciones y propiedades relacionadas con el interior, exterior y frontera de subconjuntos en espacios topológicos. 2) El interior de un subconjunto A es el conjunto de puntos interiores a A, es decir, puntos para los cuales existe una vecindad contenida en A. 3) La frontera de un subconjunto A es el conjunto de puntos que no están ni en el interior ni en el exterior de A.
Este documento introduce conceptos básicos sobre curvas en el plano y en el espacio. Explica que una curva diferenciable está dada por una función continua y derivable que mapea un intervalo de números reales a puntos en R2 o R3. Define conceptos como parametrización, vector tangente, recta tangente y longitud de una curva. Incluye ejemplos como rectas, circunferencias, hélices y curvas con autointersecciones o picos.
1) El documento presenta definiciones y propiedades básicas de números reales, operaciones, desigualdades y valor absoluto.
2) También introduce conceptos como mínimo común múltiplo, máximo común divisor, funciones trigonométricas, identidades trigonométricas y derivadas.
3) El documento proporciona esta información fundamental de manera concisa para servir de referencia en cálculo.
Este documento describe las características del movimiento ondulatorio y la clasificación de las ondas. Explica que un movimiento ondulatorio es la propagación de una perturbación a través del espacio sin transporte de materia, solo de energía. Clasifica las ondas según el tipo de energía, dimensión, forma del frente de ondas y dirección de propagación. Las ondas pueden ser mecánicas, electromagnéticas, unidimensionales, bidimensionales, planas, circulares, esféricas, longitudinales o transversales.
El documento proporciona soluciones detalladas a varios ejercicios de álgebra lineal. Resuelve cinco ejercicios encontrando bases y dimensiones de subespacios generados por conjuntos de vectores en diferentes espacios vectoriales. Explica cada paso con cuidado para justificar las respuestas.
Este documento presenta la ley de Gauss y la ley de Coulomb. Explica que la ley de Gauss se usa para describir el campo eléctrico creado por una distribución de carga. También resuelve problemas aplicando estas leyes, como calcular la densidad lineal de carga de un hilo infinito a partir de la masa, carga y velocidad final de una partícula cargada. Finalmente, distingue entre conductores, donde el campo eléctrico se anula en equilibrio, y aislantes, donde se establece un campo polarizado
Este documento presenta la solución a un problema sobre la transición rotacional de la molécula de CO entre los estados J=1 y J=2 al absorber un fotón de 2,30 x 1011 Hz. La solución encuentra el momento de inercia de esta molécula, el cual resulta ser 1,46 x10-46 kg-m2.
Este documento presenta la solución a un problema sobre la transición rotacional de la molécula de CO al absorber un fotón. Se calcula el momento de inercia de la molécula como 1,46×10−46 kg m2. También se pregunta sobre la importancia de este compuesto en el calentamiento global y el efecto invernadero.
Este documento resume las leyes de Gauss y Coulomb, así como sus aplicaciones. Explica que la ley de Gauss relaciona la densidad de carga eléctrica con el campo eléctrico, mientras que la ley de Coulomb describe la fuerza entre cargas eléctricas puntuales. Luego, presenta un ejemplo de cálculo de la densidad lineal de carga de un hilo infinito a partir de la masa, carga y velocidad final de una partícula cargada. Finalmente, distingue entre conductores, donde el campo eléctrico
Este documento resume las leyes de Gauss y Coulomb, así como sus aplicaciones. Explica que la ley de Gauss relaciona la densidad de carga eléctrica con el campo eléctrico, mientras que la ley de Coulomb describe la fuerza entre cargas eléctricas puntuales. Luego, presenta un ejemplo de cálculo de la densidad lineal de carga de un hilo infinito a partir de la masa, carga y velocidad final de una partícula cargada. Finalmente, distingue entre conductores, donde el campo eléctrico
El documento presenta información sobre la ley de Gauss y la ley de Coulomb. Explica que la ley de Gauss se usa para describir el campo eléctrico creado por una distribución de carga eléctrica. También presenta ejemplos de aplicaciones de estas leyes, incluido el cálculo de la densidad lineal de carga de un hilo infinito a partir de la masa, carga y velocidad final de una partícula cargada. Finalmente, distingue entre conductores, donde el campo eléctrico en equilibrio es cero
Este documento presenta tres temas de la asignatura Teoría Electromagnética I. El primer tema calcula el potencial absoluto en un punto dado dos conductores paralelos con cargas opuestas. El segundo tema determina el radio de separación de dos dieléctricos en un cable coaxial para que la diferencia de potencial sea igual en cada uno, y calcula la capacitancia por unidad de longitud. El tercer tema calcula la carga total contenida en una esfera dada un campo eléctrico expresado en coordenadas cartesianas.
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1) El documento presenta definiciones y propiedades relacionadas con el interior, exterior y frontera de subconjuntos en espacios topológicos. 2) El interior de un subconjunto A es el conjunto de puntos interiores a A, es decir, puntos para los cuales existe una vecindad contenida en A. 3) La frontera de un subconjunto A es el conjunto de puntos que no están ni en el interior ni en el exterior de A.
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1) El documento presenta definiciones y propiedades básicas de números reales, operaciones, desigualdades y valor absoluto.
2) También introduce conceptos como mínimo común múltiplo, máximo común divisor, funciones trigonométricas, identidades trigonométricas y derivadas.
3) El documento proporciona esta información fundamental de manera concisa para servir de referencia en cálculo.
Este documento describe las características del movimiento ondulatorio y la clasificación de las ondas. Explica que un movimiento ondulatorio es la propagación de una perturbación a través del espacio sin transporte de materia, solo de energía. Clasifica las ondas según el tipo de energía, dimensión, forma del frente de ondas y dirección de propagación. Las ondas pueden ser mecánicas, electromagnéticas, unidimensionales, bidimensionales, planas, circulares, esféricas, longitudinales o transversales.
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Este documento resume las leyes de Gauss y Coulomb, así como sus aplicaciones. Explica que la ley de Gauss relaciona la densidad de carga eléctrica con el campo eléctrico, mientras que la ley de Coulomb describe la fuerza entre cargas eléctricas puntuales. Luego, presenta un ejemplo de cálculo de la densidad lineal de carga de un hilo infinito a partir de la masa, carga y velocidad final de una partícula cargada. Finalmente, distingue entre conductores, donde el campo eléctrico
Este documento resume las leyes de Gauss y Coulomb, así como sus aplicaciones. Explica que la ley de Gauss relaciona la densidad de carga eléctrica con el campo eléctrico, mientras que la ley de Coulomb describe la fuerza entre cargas eléctricas puntuales. Luego, presenta un ejemplo de cálculo de la densidad lineal de carga de un hilo infinito a partir de la masa, carga y velocidad final de una partícula cargada. Finalmente, distingue entre conductores, donde el campo eléctrico
El documento presenta información sobre la ley de Gauss y la ley de Coulomb. Explica que la ley de Gauss se usa para describir el campo eléctrico creado por una distribución de carga eléctrica. También presenta ejemplos de aplicaciones de estas leyes, incluido el cálculo de la densidad lineal de carga de un hilo infinito a partir de la masa, carga y velocidad final de una partícula cargada. Finalmente, distingue entre conductores, donde el campo eléctrico en equilibrio es cero
El documento presenta información sobre la ley de Gauss y la ley de Coulomb. Explica que la ley de Gauss se usa para describir el campo eléctrico creado por una distribución de carga eléctrica. También presenta una aplicación que calcula la densidad lineal de carga de un hilo infinito a partir de la masa, carga y velocidad final de una partícula cargada. Finalmente, distingue entre conductores, donde el campo eléctrico en el equilibrio es cero, y aislantes, donde se establece un
1. Las ecuaciones de Maxwell predicen la existencia de ondas electromagnéticas que son soluciones transversales de dichas ecuaciones y que se propagan a la velocidad de la luz.
2. Las ondas electromagnéticas consisten en campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación, transportando energía a través del espacio descrita por el vector de Poynting.
3. El espectro electromagnético clasifica las ondas según su longitud de onda, abarcando desde on
Este documento describe el sistema de coordenadas polares, incluyendo cómo se construye, la relación entre coordenadas polares y cartesianas, ejemplos de curvas planas en coordenadas polares como rectas, circunferencias, simetrías, intersecciones, pendiente de la tangente y área. También presenta algunas curvas comunes en coordenadas polares como la lemniscata, el caracol de Pascal, la rosácea y elipse, hipérbola y parábola.
El documento presenta un problema de mecánica sobre un semidisco y una partícula que rueda dentro de una ranura en el semidisco. Se proporcionan las ecuaciones del movimiento, las integrales primeras y expresiones para las reacciones entre los objetos.
El documento describe el vector tangente unitario, el vector normal principal y el plano osculador de una curva. El vector tangente unitario T apunta en la dirección de la curva en cada punto y tiene magnitud 1. El vector normal principal N es perpendicular a T. Cuando T y N se trazan en un punto, definen el plano osculador, que mejor se adapta a la curva en ese punto. El documento proporciona un ejemplo para ilustrar cómo calcular la ecuación del plano osculador para una hélice circular.
El resumen del documento es:
1) Un átomo de hidrógeno en su quinto estado excitado emite un fotón de 1090 nm al decaer a un estado más bajo.
2) Después de la emisión, el momento angular máximo posible del electrón es 6h.
El documento describe el uso de diferentes coordenadas para calcular integrales dobles y triples. Introduce las coordenadas polares, cilíndricas y esféricas, y explica cómo transformar entre sistemas de coordenadas utilizando el jacobiano de la transformación. Proporciona ejemplos del cálculo del volumen de una esfera y un cubo usando diferentes coordenadas.
El documento resume los principales modelos atómicos desde los átomistas hasta el modelo cuántico, incluyendo los números cuánticos y sus implicaciones. Explica que el modelo de Bohr no podía explicar completamente los espectros atómicos y que fue necesario introducir el spin del electrón. Finalmente, describe cómo se representan los estados electrónicos de los átomos mediante los números cuánticos y el principio de exclusión de Pauli.
1) El documento presenta las ecuaciones de Maxwell en medios con fuentes y describe cómo se pueden obtener las expresiones de los potenciales escalar y vectorial a partir de estas ecuaciones.
2) Explica cómo resolver la ecuación de onda escalar no homogénea para obtener la expresión del potencial escalar retardado para una distribución de carga volumétrica variable en el tiempo.
3) Introduce la noción de trabajar con fasores cuando las fuentes tienen una variación armónica en el tiempo y obtiene las expresiones de los pot
Cálculo varias variables campos escalaresYerikson Huz
Este documento presenta conceptos básicos sobre funciones de varias variables reales, llamadas campos escalares. Define dominio y rango de un campo escalar, y ofrece ejemplos de cómo calcular la imagen de una función de varias variables. También explica cómo representar gráficamente campos escalares a través de superficies y curvas de nivel, y cómo calcular límites de funciones de varias variables.
El documento describe diferentes funciones polares que definen varias curvas como rosas polares, cardioides, lemniscatas, espirales y concoides. Presenta las ecuaciones polares que definen cada curva, analiza sus propiedades como rangos de valores, simetrías y puntos donde es tangente al origen. Incluye tablas con valores de las funciones en diferentes valores del ángulo polar.
El documento describe cómo calcular los momentos de inercia de diferentes objetos geométricos respecto a sus ejes de simetría. Se presentan fórmulas para calcular los momentos de inercia de una esfera, cilindro hueco, cilindro hueco de radios interiores y exteriores, y un sistema formado por una barra cilíndrica unida a dos esferas. Los cálculos involucran integrales y teoremas como el de Steiner.
Este documento presenta 8 ejercicios de matemática relacionados con ecuaciones diferenciales y su resolución utilizando métodos como la transformada de Laplace, series de potencias, separación de variables y sistemas de ecuaciones diferenciales. Los ejercicios incluyen resolver ecuaciones diferenciales específicas, hallar fórmulas de recurrencia, determinar soluciones generales y aplicar conceptos a problemas de circuitos RC y ondas.
El documento presenta la resolución de 4 problemas relacionados con encontrar los extremos de funciones en conjuntos dados. En el primer problema, se buscan los extremos absolutos de la función f(x,y)=xy^2 en el conjunto A. Los extremos son (-5/3, ±√11/3) con valor -55/27 y (2√3/3, ±2√6/3) con valor 48√3/27. En el segundo problema, los extremos absolutos de la función f(x,y)=(x-2)^2+y^2 en el conjunto A son (-56/9, ±5/3
(1) El documento presenta cuatro problemas relacionados con encontrar los extremos absolutos de funciones en conjuntos definidos. (2) En cada problema, primero se representa el conjunto, luego se identifican los puntos candidatos a ser extremos, y finalmente se evalúa la función en dichos puntos para determinar los máximos y mínimos. (3) Los métodos utilizados incluyen derivadas parciales, multiplicadores de Lagrange y sustitución de variables.
1. 1
3. ATOMOS HIDROGENOIDES.
3.1. LA ECUACIÓN DE SCHRÖDINGER DE UN HIDROGENOIDE.
Un átomo hidrogenoide está compuesto por un núcleo de carga +Ze y un
único electrón de carga –e girando alrededor (e = 1.602×10-19 C).
z e- Para H: Z=1, para He+: Z=2, para Li2+: Z=3.
r
El movimiento interno se puede reducir a un problema
θ
mn ·me
Ze+ y de una sola partícula de masa reducida µ = ,
mn + me
φ
que se mueve alrededor del origen de coordenadas
x
situado en el núcleo.
La energía potencial de interacción entre dos cargas en el vacío es:
Ze 2
V (r) = − , donde ε0 es la permitividad del vacío.
4πε 0 r
V(r) depende únicamente de la distancia r. A esto se le llama problema de campo
central.
La ecuación de Schrödinger para un átomo hidrogenoide es:
h2 Ze 2
− ∇ψ −
2
ψ = Eψ
2µ 4πε 0 r
En coordenadas esféricas:
h2 1 ∂ 2 ∂ψ 1 ∂ ∂ψ 1 ∂ 2ψ Ze 2
− 2 r + 2 senθ + 2 2 − ψ = Eψ
2µ r ∂r ∂r r senθ ∂θ ∂θ r sen θ ∂φ 2 4πε 0 r
donde ψ = ψ(r,θ,φ) depende de r, θ y φ.
2. 2
3.2. SEPARACIÓN DE VARIABLES:
Al ser V(r) sólo función de r, la ecuación se puede escribir:
2 1 ∂ 1 ∂ ψ
2 2
∂ ∂ψ Ze ∂ψ
−h
2
r
2
−
+ 2µ r ψ − h 2
− E senθ + =0
∂r ∂r 4πε 0 r senθ ∂θ ∂θ sen 2θ ∂φ 2
Se ha escrito el operador que actúa sobre la función ψ como suma de dos
operadores, uno que depende sólo de r, el otro depende sólo de θ y φ.
Por tanto se pueden buscar soluciones del tipo: ψ(r,θ,φ) = R(r)·Y(θ,φ).
El operador del tercer término de la ecuación actuando sobre ψ corresponde
exactamente al operador cuadrado del momento angular, L2 :
ˆ
∂ 2 ∂ψ Ze 2
− h2 r + 2µ r 2 − − E ψ + L2ψ = 0
ˆ
4πε r
∂r ∂r 0
Sustituyendo ψ(r,θ,φ) = R(r)·Y(θ,φ):
d 2 dR ( r ) Ze 2
− h 2Y (θ , φ ) r + 2µ r 2 −
4πε r − E R( r )Y (θ , φ ) + R( r ) L2Y (θ , φ ) = 0
ˆ
dr dr 0
y dividiendo por R(r)·Y(θ,φ):
h 2 d 2 dR ( r ) 2 Ze 2 1
− r + 2µ r −
4πε r Y (θ , φ ) L Y (θ , φ ) = 0
− E + ˆ2
R( r ) dr dr 0
Para que se cumpla la ecuación anterior:
1
a) L2Y ( θ ,φ ) = A = l( l + 1 )h 2
ˆ (A=constante)
Y ( θ ,φ )
h 2 d 2 dR( r ) Ze 2
b) − r + 2µ r 2 −
4πε r − E = − A = −l( l + 1 )h 2
R( r ) dr dr 0
3. 3
Ecuación angular.
La ecuación (a) equivale a la ecuación de Schrödinger del rotor rígido, si
hacemos: A = l (l + 1)h 2 .
Las soluciones a esta ecuación son idénticas a las funciones de onda del
rotor rígido, es decir son los armónicos esféricos, Yl,m(θ,φ), que nos dan la
dependencia de los ángulos θ y φ en las funciones de onda de un átomo
hidrogenoide.
Dependen también de los números cuánticos l y m:
l= 0, 1, 2, 3,... m= 0, ±1, ±2,..., ±l.
-Ecuación radial:
La ecuación (b):
h 2 d 2 dR ( r ) Ze 2
− r + 2µ r 2 −
4πε r − E = −l (l + 1)h 2
R( r ) dr dr 0
o bien, se puede rescribir:
h 2 d 2 dR( r ) l (l + 1)h 2 Ze 2
− r + − R( r ) = ER( r )
2 µ r 2 dr dr 2 µ r 2
4πε 0 r
Esta ecuación diferencial se llama ecuación radial de un átomo hidrogenoide.
Resolviéndola nos proporciona R(r), que es la parte dependiente de r (radial) de la
función de onda.
Se demuestra que la ecuación tiene soluciones aceptables cuando:
Z 2 µ e4 1
Z 2e2 1
En = − 2 2 2 = − ; n = 1, 2, 3,...; n ≥ l +1
8ε 0 h n 8πε 0 a0 n 2
donde a0 es el radio de Bohr para el átomo hidrogenoide:
4πε 0 h 2
a0 = , que vale 0.5292 Å para el átomo de hidrógeno.
µ e2
4. 4
3.3. NIVELES DE ENERGÍA:
Z 2 µ e4 1 Z 2e2 1
En = − 2 2 2 = − ; n = 1, 2, 3,...; n ≥ l +1
8ε 0 h n 8πε 0 a0 n 2
La gráfica corresponde al átomo de hidrógeno.
La energía está cuantizada solamente por el número
cuántico n, y es independiente de los números cuánticos
l y m. Por tanto habrá niveles de energía degenerados.
Para n = 1 tenemos el estado fundamental del átomo.
Para el hidrógeno E1 = -13.6 eV.
Existen otras soluciones aceptables para la ecuación
radial que corresponden a valores de E positiva. Estos
estados se llaman estados del continuo (zona
sombreada). En ellos la energía es continua, es decir,
todas las energías positivas están permitidas. Esa zona
corresponde al núcleo y al electrón no interaccionando.
La energía mínima necesaria para desprender el electrón del átomo en su estado
fundamental se llama energía de ionización, que para el H es 13.6 eV.
REPASAR:
-Espectros de los átomos hidrogenoides. Series de Lyman, Balmer, Parchen, etc.
5. 5
3.4. SOLUCIONES ACEPTABLES DE LA ECUACIÓN RADIAL:
Las funciones de onda radiales dependen de los números cuánticos n y l. La
forma general normalizada de estas funciones es:
1 l+3 ρ
( n − l − 1)! 2
2Z 2
l
−
Rn , l ( r ) = −
na
r e 2 Ln , l ( ρ )
2n[( n + l )! ]3 0
2 Zr
donde ρ = .
na0
Ln , l ( ρ ) son las llamadas funciones asociadas de Laguerre, que tienen forma
polinómica de grado n - l -1 en la variable ρ y dependen de los valores de n y l.
n l Ln , l ( ρ ) Rn,l(r)
3 Zr
1 0 -1 1 2Z 2 − a0
e
2 a0
3 Zr
2 0 - 4 + 2ρ 1 Z 2 Zr −
2 − 4 e 2a 0
4 2 a0
a
0
5 Zr
−
1 Z 2
2a 0
6r e
1 -6 12 6 a 0
2 2Z
3
2 2 Zr
2
2 Zr − Zr
3a 0
3 0 - 18 + 18ρ - 3ρ2 3
3a − 18 3a + 18 e
36 3a 0
0
0
5 Zr
1 1 2Z 2 2 Zr −
- 96 + 24ρ − 24 + 96 re 3a 0
288 3a 0
3a
0
7 Zr
−
2 - 120 1 2Z 2
120 r 2 e 3a0
1440 5 3a 0
6. 6
3.5. FUNCIONES DE DISTRIBUCIÓN RADIAL:
|ψ(r,θ,φ)|2dτ nos da la probabilidad de encontrar el electrón en un elemento
de volumen dτ, es decir, entre r y r+dr, θ y θ+dθ, φ y φ+dφ.
Podemos calcular la probabilidad de encontrar el electrón en un elemento
de capa esférica situado en el radio r, es decir, entre r y r+dr.
Esta probabilidad se obtiene sumando la probabilidad para todos los
elementos de volumen situados dentro de la capa esférica. Esto equivale a integrar
para todos los ángulos θ y φ posibles:
∫∫ ψ ( r,θ ,φ )
2
r 2 senθ dr dθ dφ =
θφ
,
π 2π
∫ Θ(θ ) senθ dθ ·∫ Φ (φ ) dφ · R( r ) r 2 dr = R ( r ) r 2 dr
2 2 2 2
0 0
Tomando Θ(θ) y Φ(φ) normalizadas, sus integrales son igual a 1.
2
Se define la función de distribución radial, Rn , l ( r ) r 2 , como la densidad
de probabilidad (probabilidad por unidad de distancia) de encontrar al electrón en
un elemento de capa esférica situado entre r y r + dr.
Utilizando esta función es posible:
- Calcular la probabilidad de encontrar al electrón entre dos distancias al
núcleo r1 y r2.
r2
2 2
P( r1 , r2 ) = ∫ Rn ,l ( r ) r dr
r1
- Calcular la distancia al núcleo más probable de encontrar al electrón:
d 2 2
dr Rn ,l ( r ) r
=0
r = r
max
9. 9
3.7. ORBITALES REALES.
Algunas de las soluciones a la ecuación de Schrödinger para el átomo de
hidrógeno son funciones complejas.
Podemos buscar funciones reales (más fáciles de visualizar) usando la
propiedad de los estados degenerados: “En estados degenerados, cualquier
conjunto de combinaciones lineales que sean linealmente independientes son una
descripción adecuada de esos estados del sistema”.
Ejemplo: El orbital 2p0 es una función real pero los orbitales 2p+1 y 2p-1 son
funciones complejas. El 2p0 se deja como está. Se suele llamar 2pz:
3 Zr
1 Z 2
Zr − 2 a 0
2 pz =
a e cosθ
32π 0 a0
Podemos tomar las siguientes combinaciones lineales de los orbitales 2p+1 y 2p-1:
1 1
2 px = (ψ 211 + ψ 21−1 ) = (R21 ( r )·Y11 (θ ,φ ) + R21 ( r )·Y1−1 (θ ,φ ) ) =
2 2
= R21 ( r )·
1
2 8π
3
(
sen θ eiφ + e − iφ =
3
4π
)
R21 ( r ) sen θ cos φ =
3 Zr
1 Z 2
Zr − 2 a 0
=
a e sen θ cos φ
32π 0 a0
1 1
2 py = (ψ 211 − ψ 21−1 ) = (R21 ( r )·Y11 (θ ,φ ) − R21 ( r )·Y1−1 (θ , φ ) ) =
2i 2i
= R21 ( r )·
1 3
2 i 8π
(
sen θ eiφ − e − iφ =
3
4π
)
R21 ( r ) sen θ sen φ =
3 Zr
1 Z 2
Zr − 2 a 0
=
a e sen θ sen φ
32π 0 a0
Los orbitales resultantes son funciones reales y son también funciones
propias del operador hamiltoniano del átomo hidrogenoide. Igual se hace para los
orbitales 3p, 4p, etc...
10. 10
Para los orbitales d:
nd z 2 = ψ n 20
1 1
nd xz = (ψ n 21 + ψ n 2 −1 ) nd yz = (ψ n 21 − ψ n 2 −1 )
2 2i
1 1
nd x 2 − y 2 = (ψ n 22 + ψ n 2 − 2 ) nd xy = (ψ n 22 −ψ n 2 − 2 )
2 2i
-Forma de los orbitales reales.
Orbitales s: En ellos l = 0, por tanto, la parte angular del orbital es
1
Y00 = , que es constante. Los orbitales s tienen simetría esférica.
4π
z
Representación de superficie límite.
y
x
Representaciones de nubes de puntos.
Nodos radiales: Son valores de r para los
que la densidad de probabilidad es cero.
Nº de nodos radiales = n – l – 1
11. 11
- Orbitales p: l = 1. Las funciones dependen de los
ángulos. No tienen simetría esférica sino que están
orientados en el espacio:
Además de los nodos radiales existen planos nodales que
son planos en los que la densidad de probabilidad es cero.
En cada uno de los dos lóbulos de los orbitales p la función tiene diferente signo,
uno positivo y otro negativo (indicado en tono claro y oscuro).
-Orbitales d:
l = 2. También están orientados en
el espacio porque dependen de los
ángulos.
12. 12
3.8 NÚMEROS CUÁNTICOS. ENERGÍA Y MOMENTO ANGULAR.
El número cuántico n determina el nivel de energía. n se llama número
cuántico principal:
Z 2 µ e4 1
Z 2e2 1
En = − 2 2 2 = − ; n = 1, 2, 3,...; n ≥ l +1
8ε 0 h n 8πε 0 a0 n 2
Por ejemplo, los estados u orbitales 2s, 2px, 2py y 2pz corresponden al mismo nivel
de energía. Son estados degenerados.
Los números cuánticos l y m están relacionados con el momento angular
del electrón en cada orbital.
-l se llama número cuántico azimutal y m se llama número cuántico
magnético.
Los orbitales hidrogenoides son funciones propias de los operadores L2 y Lz :
ˆ ˆ
L2ψ nlm ( r ,θ ,φ ) = Rnl ( r )L2Ylm ( θ ,φ ) = Rnl ( r ) l( l + 1 )h 2Ylm ( θ ,φ ) =
ˆ ˆ
= l( l + 1 )h 2ψ nlm ( r ,θ ,φ )
Lzψ nlm ( r,θ , φ ) = Rnl ( r ) LzYlm (θ , φ ) = Rnl ( r ) mhYlm (θ , φ ) = mhψ nlm ( r,θ , φ )
ˆ ˆ
Según esto los valores del módulo y de la componente z del vector momento
angular orbital del electrón están cuantizados de la misma forma que en el rotor
rígido:
r
L = l (l + 1)h l = 0, 1, 2, ..., n-1
Lz = m h m = 0, ±1, ±2, ..., ±l
En los orbitales o estados s, l = 0. El momento angular orbital del electrón
es cero.
13. 13
En los orbitales o estados p, l = 1, m = +1, 0, -1:
r
L = 2h Lz = + h, 0, − h
En los orbitales o estados d, l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2:
r
L = 6h Lz = +2h, + h, 0, − h, − 2h
Orientaciones espaciales permitidas para
el vector momento angular orbital.
Ejemplo: orbitales p (l = 1)
3.9. SPIN.
r
Un electrón en un átomo tiene un momento angular orbital, L . Como el
electrón es una carga en movimiento, tendrá un momento magnético asociado:
r e r µ r
µ=− L=− B L
2 me h
eh
donde µB es el magnetón de Bohr: µB = = 9.274 × 10 − 24 J ·T − 1 .
2 me
r
En el seno de un campo magnético, B , inhomogéneo a lo largo del eje z, un
r
momento magnético µ sufre una fuerza:
r
r dB dB µ dB
Fz = µ · = µ z · z = − B Lz · z
dz dz h dz
14. 14
-El experimento de Stern-Gerlach:
Al pasar un haz de átomos de Ag por el seno de un campo magnético
inhomogéneo en el eje z, y recogerlos sobre una pantalla observaron que los
átomos se desviaban en dos bandas discretas, una hacia +z y otra hacia –z.
S
N
Horno
Lo mismo se observó con H, Na, K, Au.
Conclusiones del experimento:
r
-Los átomos de Ag tienen un momento magnético µ cuya orientación con
respecto al eje z (componente z) está cuantizada (cuantización espacial).
-Los valores posibles de µz son dos (dos bandas discretas).
Interpretación:
Si el momento magnético de los átomos de Ag fuese debido al momento
angular orbital del electrón, Lz podría tomar 2l+1 valores (l es el número cuántico
1
azimutal). Según esto: 2l + 1 = 2 ⇒ l =
2
Esto no es posible. l tiene que ser un número entero.
Uhlenbeck y Goudsmit propusieron que el momento magnético que se
estaba observando era debido a un momento angular intrínseco del electrón que se
r
llamó spin, S .
15. 15
El spin se puede imaginar como una rotación del electrón alrededor de su
propio eje. Esta descripción del spin no tiene porqué ser cierta. Ni siquiera se sabe
como es exactamente la estructura de un electrón.
r µB r
El momento magnético debido al spin: µs = − gs S gs ≈ 2
h
Por similitud al momento angular orbital se introdujeron los números
cuánticos s y ms:
r
S = s ( s + 1) h s=½
S z = ms h ms = +1/2, -1/2. (número cuántico de spin)
Así se explicaban los resultados del experimento de Stern-Gerlach.
El electrón tiene dos estados posibles de spin:
ms = +1/2 ó ms = -1/2.
Se postula la existencia de dos funciones de onda de spin: α(ω) y β(ω) que
representan cada estado de spin del electrón.
Son funciones de una hipotética coordenada interna (variable de spin, ω).
La función de onda espacial se multiplica por α(ω) ó β(ω) para tener en cuenta el
estado de spin para ms = +1/2 y ms = -1/2 respectivamente.
Así los dos estados de más baja energía posibles del hidrógeno son:
ψ 1s ( r,θ , φ )·α (ω ) ψ 1s ( r,θ , φ )·β (ω )
En primera aproximación la energía no depende del spin. Son dos estados
degenerados.
Al producto de una función de onda espacial por una función de spin se le
llama orbital de spin.
16. 16
CONCEPTOS IMPORTANTES DE ESTE TEMA:
- El hamiltoniano de un átomo hidrógenoide. Deducción.
- ¿Qué es un problema de campo central?
- Separación de variables. Ecuación angular y ecuación radial.
- Los niveles de energía de un átomo hidrogenoide.
- ¿Qué es la energía de ionización?
- Concepto de orbital.
- Función de distribución radial. ¿Qué información contiene y cuál es su
utilidad?
- Punto de máxima probailidad y distancia más probable. Diferencias. ¿Cómo
se calculan?
- Orbitales reales. ¿Cómo se construyen?
- Formas de los orbitales.
- ¿Qué “cuantiza” cada número cuántico?
- Cuantización del momento angular de un orbital.
- ¿Qué es el spin?
- Diferencias y similitudes entre el spin y el momento angular orbital.