El Átomo: Estructura, Radiactividad y Dualidad Onda-Corpúsculo

Estructura Atómica y Radiactividad

Estructura atómica: El estudio de la estructura atómica se revolucionó con el descubrimiento de la radiactividad. Los rayos catódicos, la fluorescencia y la fosforescencia fueron fenómenos clave en este proceso. Roentgen descubrió los rayos X por error, mientras que Becquerel, experimentando con sales de uranio, descubrió la radiactividad, la emisión de radiación sin necesidad de exposición solar previa.

La radiactividad se manifiesta en diferentes formas:

• Rayos γ (gamma): Radiación electromagnética similar a los rayos X y la luz.
• Rayos β (beta): Partículas con carga negativa.
• Rayos α (alfa): Partículas con carga positiva.

Estos descubrimientos demostraron que el átomo, considerado indivisible hasta entonces, tenía una estructura interna compleja.

Las Tres Grandes Áreas de la Física

A finales del siglo XIX, la física se dividía en tres grandes áreas:

• Mecánica: Explicaba las leyes del movimiento (Newton).
• Termodinámica: Estudiaba el calor y su transmisión (Carnot).
• Electricidad: Investigaba las corrientes eléctricas, los imanes y la naturaleza de la luz (Lorenz).

Sin embargo, surgieron fenómenos inexplicables como la radiactividad, la radiación del cuerpo negro y la relatividad, que desafiaban las leyes de la física clásica.

Planck y la Teoría Cuántica

Para explicar la radiación del cuerpo negro, Planck propuso que la energía se emite en paquetes discretos llamados cuantos, cuya energía es proporcional a la frecuencia de la radiación (Constante de Planck, h): E = h x ν.

El Modelo Atómico de Bohr

Bohr propuso un modelo atómico basado en cuatro postulados:

1. El átomo está formado por un núcleo con carga positiva y casi toda la masa, alrededor del cual giran los electrones en órbitas circulares. La fuerza de atracción eléctrica se compensa con la fuerza centrífuga.
2. El electrón no puede tener cualquier radio en su órbita. Solo son posibles las órbitas donde el momento angular del electrón es un múltiplo entero de la constante de Planck.
3. La órbita es estable, y mientras el electrón está en ella, no pierde energía.
4. Cuando el electrón pasa de una órbita a otra, emite o absorbe la diferencia de energía entre esas órbitas.

Dualidad Onda-Corpúsculo

Dualidad Onda-Corpúsculo de la Luz

La naturaleza de la luz ha sido objeto de debate: ¿es una onda o una partícula? Fenómenos como la reflexión se explican tanto con el modelo ondulatorio como con el corpuscular. Sin embargo, la difracción, la interferencia y otros fenómenos solo se pueden explicar si la luz es una onda.

Planck propuso que la luz se emite en forma de partículas (cuantos) para explicar la radiación del cuerpo negro. Einstein, para explicar el efecto fotoeléctrico (emisión de electrones por metales al ser iluminados), postuló que la luz se absorbe en forma de partículas. Si la luz se emite y se absorbe como partícula, entonces también debe estar formada por partículas. Por lo tanto, la luz presenta una dualidad onda-corpúsculo.

Dualidad Onda-Corpúsculo de los Electrones

Broglie propuso que los electrones, considerados partículas, también tienen propiedades ondulatorias. Experimentos de difracción con electrones confirmaron esta hipótesis. La longitud de onda del electrón es inversamente proporcional a su cantidad de movimiento. La difracción, una propiedad exclusiva de las ondas, distingue a una onda de una partícula.