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Estructura atómica y molecular
4.
Estructura electrónica del átomo
El desarrollo de la mecánica cuántica ha permitido conocer la estructura electrónica
de los átomos, es decir, el modo en que los electrones están situados dentro de ellos.
A continuación, expresamos el camino seguido:
4.1.
Hipótesis de Planck
El nacimiento de la
mecánica cuántica
se sitúa en el año 1900, momento en el que
Max Planck
(1858-1947) lanzó una revolucionaria hipótesis para explicar lo inexpli-
cable: el mecanismo que hace que los átomos radiantes produzcan la distribución de
energía observada (las rayas de los espectros). Planck sugirió que:
❚❚
Los átomos se comportan como pequeños osciladores armónicos de frecuencia
υ
.
❚❚
Cada oscilador puede absorber o emitir energía en forma de radiación en una
cantidad proporcional a
υ
. Cuando un oscilador absorbe o emite radiación electro-
magnética, su
energía
aumenta o disminuye, respectivamente, en una cantidad
h
υ
, donde
h
es una constante universal, conocida como
constante de Planck,
que vale 6,63
⋅
10
−
34
J s.
E
0
=
h
υ
La segunda hipótesis establece que la energía de los osciladores está
cuantizada
,
es decir, solo puede tener valores múltiplos del mínimo «paquete» de energía (
h
υ
,
2
h
υ
,
3
h
υ
... n h
υ
) o, como se dirá a partir de ahora, del
cuanto
de energía
h
υ
.
4.2.
Efecto fotoeléctrico
¿Crees que un metal, por simple iluminación, puede emitir electrones?
En 1887 el científico alemán
Heinrich Rudolph Hertz
(1857-1894), al iluminar
con luz ultravioleta dos electrodos metálicos, observó que se producía una descarga
eléctrica entre ellos.
A la emisión de electrones por parte de ciertos metales cuando sobre ellos incide
una luz de pequeña longitud de onda (o elevada frecuencia) se le denomina
efecto fotoeléctrico.
En 1905, basándose en la hipótesis de Planck, el joven
Albert Einstein
(1879-1955)
explicó de manera magistral el efecto fotoeléctrico: cada partícula que compone
la luz (fotón) lleva una energía cuantizada (
h
υ
), de modo que, al chocar contra un
electrón del metal, le comunica esa energía y puede arrancarlo del átomo; es decir,
vence la fuerza de atracción del núcleo y el exceso de energía lo invierte en poner en
movimiento al electrón (energía cinética). La ecuación matemática sería:
h
υ
=
h
υ
0
+
1
2
mv
2
Donde,
h
υ
es la energía aplicada;
h
υ
0
, la que se emplea en arrancar el electrón,
también llamada
energía o trabajo de extracción
(
υ
0
es la
frecuencia umbral del
metal
) y ½
mv
2
es la energía cinética que adquiere el electrón.
Figura 4.14.
Efecto fotoeléctrico.
Metal
E
=
h
υ
E
c
=
m
υ
2
1
2
e
−
W
extr
=
h
υ
0
Figura 4.13.
Max Planck, premio Nobel de
Física en 1918.
Actividades
11
Calcula el cuanto de una luz
de frecuencia 4
⋅
10
14
s
−
1
.
12
Siunátomoemiteluzconuna
frecuencia de 4
⋅
10
14
s
−
1
, ¿cuáles
de los siguientes valores coinci-
den con los cuantos que emite?
a)
2,65
⋅
10
−
19
J
b)
3,19
⋅
10
−
19
J
c)
5,30
⋅
10
−
19
J
d)
4,24
⋅
10
−
19
J
13
¿Cuál es la energía cinética
máxima de los electrones arran-
cados del bario cuando es ilumi-
nado con una luz de longitud de
onda de 350 nm, si la energía de
extracción del bario es 2,50 eV?
Dato: 1 eV
=
1,6
⋅
10
−
19
J
Solución:
1,05 eV
14
Elabora un breve informe
(para ello puedes buscar en In-
ternet) que explique que «el
efecto fotoeléctrico es la base de
la producción de energía eléctri-
ca por radiación solar».
