Los científicos descubrieron mucho de lo que sabemos sobre la estructura del átomo al observar la interacción de los átomos con diversas formas de energía radiante o transmitida, como la energía asociada con la luz visible que detectamos con nuestros ojos, el infrarrojo radiación que sentimos como calor, la luz ultravioleta que causa quemaduras solares y los rayos X que producen imágenes de nuestros dientes o huesos. Todas estas formas de energía radiante deberían ser familiares para usted. Comenzamos nuestra discusión sobre el desarrollo de nuestro modelo atómico actual describiendo las propiedades de las ondas y las diversas formas de radiación electromagnética.
Propiedades de las ondas
Una onda es una oscilación periódica que transmite energía a través del espacio . Cualquiera que haya visitado una playa o arrojado una piedra a un charco ha observado olas que viajan a través del agua (Figura ( PageIndex {1} )). Estas ondas se producen cuando el viento, una piedra o alguna otra perturbación, como un bote que pasa, transfiere energía al agua, haciendo que la superficie oscile hacia arriba y hacia abajo a medida que la energía viaja hacia afuera desde su punto de origen. Cuando una ola pasa un punto particular en la superficie del agua, todo lo que flota allí se mueve hacia arriba y hacia abajo.
Las ondas tienen propiedades características (Figura ( PageIndex {2} )). Como habrás notado en la Figura ( PageIndex {1} ), las ondas son periódicas, es decir, se repiten regularmente tanto en el espacio como en el tiempo. La distancia entre dos puntos correspondientes en una onda —entre los puntos medios de dos picos, por ejemplo, o dos canales— es la longitud de onda ( (λ ), lambda griega en minúscula). Las longitudes de onda se describen por una unidad de distancia, típicamente metros. La frecuencia ( (
u ), minúscula griega nu) de una onda es el número de oscilaciones que pasan un punto particular en un período de tiempo determinado. Las unidades habituales son oscilaciones por segundo (1 / s = s −1 ), que en el sistema SI se denomina hertz (Hz). Lleva el nombre del físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894), pionero en el campo de la radiación electromagnética.
La amplitud , o altura vertical, de una ola se define como la mitad de la altura de pico a valle; A medida que aumenta la amplitud de una onda con una frecuencia dada, también lo hace su energía. Como puede ver en la Figura ( PageIndex {2} ), dos ondas pueden tener la misma amplitud pero diferentes longitudes de onda y viceversa. La distancia recorrida por una ola por unidad de tiempo es su velocidad ( (v )), que generalmente se mide en metros por segundo (m / s). La velocidad de una onda es igual al producto de su longitud de onda y frecuencia:
[ begin {align} ( text {wavelength}) ( text {frequency}) & = text {speed}
onumber \ [4pt] lambda
u & = v label {6.1.1a} \ [4pt] left ( dfrac {meters} { cancel {wave}} right) left ( dfrac { cancel { text {wave}}} { text {second}} right) & = dfrac { text {meters}} { text {second}} label {6.1.1b} end {align} ]
Los diferentes tipos de ondas pueden tener velocidades y frecuencias muy diferentes. Las ondas de agua son lentas en comparación con las ondas de sonido, que pueden viajar a través de sólidos, líquidos y gases. Mientras que las ondas de agua pueden viajar unos pocos metros por segundo, la velocidad del sonido en aire seco a 20 ° C es de 343.5 m / s. Las ondas ultrasónicas, que viajan a una velocidad aún mayor (> 1500 m / s) y tienen una frecuencia mayor, se utilizan en aplicaciones tan diversas como la localización de objetos bajo el agua y la obtención de imágenes médicas de órganos internos.
Radiación electromagnética
Las ondas de agua transmiten energía a través del espacio mediante la oscilación periódica de la materia (el agua). Por el contrario, la energía que se transmite o irradia a través del espacio en forma de oscilaciones periódicas de campos eléctricos y magnéticos se conoce como radiación electromagnética . (Figura ( PageIndex {3} )). Algunas formas de radiación electromagnética se muestran en la Figura ( PageIndex {4} ). En el vacío, todas las formas de radiación electromagnética, ya sean microondas, luz visible o rayos gamma, viajan a la velocidad de la luz ( c ), que resulta ser una constante física fundamental con un valor de 2.99792458 × 10 8 m / s (aproximadamente 3.00 × 10 8 m / so 1.86 × 10 5 mi / s). Esto es aproximadamente un millón de veces más rápido que la velocidad del sonido.
Debido a que los diversos tipos de radiación electromagnética tienen la misma velocidad ( c ), solo difieren en longitud de onda y frecuencia. Como se muestra en la Figura ( PageIndex {4} ) y la Tabla ( PageIndex {1} ), las longitudes de onda de la radiación electromagnética familiar van desde 10 1 m para ondas de radio hasta 10 −12 m para rayos gamma, que son emitidos por reacciones nucleares. Al reemplazar (v ) con ( c ) en la ecuación ( ref {6.1.1a} ), podemos mostrar que la frecuencia de la radiación electromagnética es inversamente proporcional a su longitud de onda: [ 19459010]
[ begin {align} c & = lambda
u \ [4pt]
u & = dfrac {c} { lambda} label {6.1.2} end {align} ]
Por ejemplo, la frecuencia de las ondas de radio es de aproximadamente 10 8 Hz, mientras que la frecuencia de los rayos gamma es de aproximadamente 10 20 Hz. La luz visible, que es radiación electromagnética que puede ser detectada por el ojo humano, tiene longitudes de onda entre aproximadamente 7 × 10 −7 m (700 nm, o 4.3 × 10 14 Hz) y 4 × 10 −7 m (400 nm, o 7,5 × 10 14 Hz). Tenga en cuenta que cuando la frecuencia aumenta, la longitud de onda disminuye; c siendo una constante permanece igual. Del mismo modo, cuando la frecuencia disminuye, la longitud de onda aumenta.
Dentro del rango visible, nuestros ojos perciben la radiación de diferentes longitudes de onda (o frecuencias) como luz de diferentes colores, que van del rojo al violeta en orden decreciente de longitud de onda. Los componentes de la luz blanca, una mezcla de todas las frecuencias de luz visible, se pueden separar mediante un prisma, como se muestra en la parte (b) en la Figura ( PageIndex {4} ). Un fenómeno similar crea un arco iris, donde las gotas de agua suspendidas en el aire actúan como pequeños prismas.
| Unidad | Símbolo | Longitud de onda (m) | Tipo de radiación |
|---|---|---|---|
| picómetro | pm | 10 −12 | rayos gamma |
| angstrom | Å | 10 −10 | rayos X |
| nanómetro | nm | 10 −9 | UV, visible |
| micrómetro | μm | 10 −6 | infrarrojo |
| milímetro | mm | 10 −3 | infrarrojo |
| centímetro | cm | 10 −2 | microondas |
| metro | m | 10 0 | radio |
Como pronto verá, la energía de la radiación electromagnética es directamente proporcional a su frecuencia e inversamente proporcional a su longitud de onda:
[ begin {align} E ; & propto ;
u label {6.1.3} \ [4pt] & propto ; dfrac {1} { lambda} label {6.1.4} end {align} ]
Mientras que la luz visible es esencialmente inofensiva para nuestra piel, la luz ultravioleta, con longitudes de onda de ≤ 400 nm, tiene suficiente energía para causar daños severos a nuestra piel en forma de quemaduras solares. Debido a que la capa de ozono de la atmósfera absorbe la luz solar con longitudes de onda de menos de 350 nm, nos protege de los efectos dañinos de la radiación ultravioleta altamente energética.
La energía de la radiación electromagnética aumenta a medida que aumenta la frecuencia y disminuye la longitud de onda.
Resumen
La comprensión de la estructura electrónica de los átomos requiere una comprensión de las propiedades de las ondas y la radiación electromagnética. Una onda es una oscilación periódica por la cual se transmite energía a través del espacio. Todas las ondas son periódicas , que se repiten regularmente tanto en el espacio como en el tiempo. Las ondas se caracterizan por varias propiedades interrelacionadas: longitud de onda ( (λ )), la distancia entre ondas sucesivas; frecuencia ( (
u )), el número de ondas que pasan un punto fijo por unidad de tiempo; velocidad ( (v )), la velocidad a la que la onda se propaga a través del espacio; y amplitud , la magnitud de la oscilación sobre la posición media. La velocidad de una onda es igual al producto de su longitud de onda y frecuencia. La radiación electromagnética consiste en dos ondas perpendiculares, una eléctrica y otra magnética, que se propagan a la velocidad de la luz ( (c )). La radiación electromagnética es energía radiante que incluye ondas de radio, microondas, luz visible, rayos X y rayos gamma, que difieren en sus frecuencias y longitudes de onda.
Colaboradores
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Modificado por Joshua Halpern ( Universidad de Howard )