El modelo mecánico cuántico: definición y descripción general

Definición del átomo

Mira a tu alrededor. ¿Que ves? Tal vez vea una computadora frente a usted, un techo encima de usted, la ropa que está usando o un árbol fuera de una ventana. ¿Qué tienen todas estas cosas en común? No mucho, podría pensar. Pero, toda la materia en el universo, todo lo que te rodea está hecho del mismo material básico. Todo en el universo está hecho de los 118 elementos descubiertos en química: 118 tipos diferentes de átomos.

Los átomos son los componentes básicos del universo formados por protones y neutrones dentro de un núcleo central, rodeado por electrones en órbita. Este modelo del átomo de abajo es el que la mayoría de la gente aprende en las clases de química en la escuela, llamado modelo planetario , que es un modelo del átomo que aparece como un sistema planetario con el núcleo actuando como el sol y los electrones actuando como los planetas. .

Es una versión muy simplificada del modelo de lo que ahora se cree que es cierto, pero el modelo anterior ha sido reemplazado más de una vez. Primero fue reemplazado por una versión más detallada, llamada modelo de Bohr (llamado así por el físico Neils Bohr), donde los electrones solo pueden orbitar con cantidades específicas de energía. Y luego, fue reemplazado por el modelo mecánico cuántico.

El modelo mecánico cuántico

El descubrimiento que inició la mecánica cuántica como un campo de estudio fue cuando los físicos Albert Einstein y Max Planck demostraron que la luz y la materia pueden comportarse como partículas y como ondas. Esto comenzó la era de la mecánica cuántica , que es básicamente la física de lo muy pequeño. Si partículas como los electrones pueden comportarse como ondas, significa que no tienen una posición exacta de la forma que imaginamos para una partícula tradicional. La mecánica cuántica nos dice que no se puede conocer con precisión la posición y la velocidad de un electrón al mismo tiempo.

Esto significa que no deberíamos imaginar a los electrones como objetos individuales que giran alrededor del átomo. En cambio, todo lo que sabemos es la probabilidad de encontrar un electrón en una ubicación particular. Terminamos con algo llamado nube de electrones. Una nube de electrones es un área del espacio en la que es probable que se encuentre un electrón. Es como un gráfico en 3-D que muestra la probabilidad de encontrar el electrón en cada lugar del espacio.

La mecánica cuántica también nos dice que una partícula tiene ciertos números (llamados números cuánticos) que representan sus propiedades. Al igual que los materiales pueden ser duros o blandos, brillantes o sin brillo, las partículas tienen números para describir las propiedades. Estos incluyen los números cuánticos orbitales de una partícula, el número cuántico magnético y su espín. No hay dos electrones en un átomo que puedan tener exactamente los mismos números cuánticos.

Los números cuánticos orbitales le dicen en qué nivel de energía se encuentra el electrón. En el modelo de Bohr, esto representa la altura de la órbita por encima del núcleo; las órbitas más altas tienen más energía. La primera órbita es n = 1, la segunda es n = 2 y así sucesivamente. El número cuántico magnético es solo un número que representa en qué dirección apunta el electrón. La otra propiedad mecánica cuántica importante, llamada espín, está relacionado con el hecho de que los electrones vienen en pares. En cada par, un electrón gira en una dirección (con un giro de la mitad) y el otro electrón gira en el otro sentido (con un giro de la mitad negativa). Dos electrones con el mismo espín no pueden existir como un par. Esto puede parecer algo aleatorio, pero tiene efectos en términos de cuán magnético es el material. Es más probable que los materiales que tienen electrones desapareados sean magnéticos.

Aunque el modelo mecánico cuántico del átomo es más abstracto y complejo, es una imagen mucho más precisa de cómo funcionan los átomos. Debido a esto, nos permite hacer mejores predicciones sobre cómo se comportarán las partículas cuando intentemos interactuar con ellas. Usamos la mecánica cuántica para crear televisores de pantalla plana, sensores de cámara y computadoras, por lo que conocer la mecánica cuántica es muy útil.

Resumen de la lección

Todo lo que te rodea está hecho de átomos , que son los componentes básicos del universo compuestos por protones y neutrones dentro de un núcleo central, rodeado de electrones en órbita. Esos elementos contienen partículas más pequeñas: protones y neutrones en el núcleo y electrones que orbitan alrededor del exterior, como un modelo del sistema solar, conocido como modelo planetario . Este modelo clásico del átomo está simplificado. Después del modelo de Bohr , en el que los electrones solo pueden orbitar con cantidades específicas de energía, la mecánica cuántica (la física de lo muy pequeño) entró en la refriega para decirnos que conocer la posición exacta y el movimiento de las partículas diminutas es imposible. Lo mejor que podemos saber son las probabilidades.

El modelo mecánico cuántico del átomo nos dice que los electrones orbitan al átomo de manera aleatoria e imagina que el átomo está rodeado por una nube de electrones que contiene todos los lugares posibles donde podría estar el electrón. La nube de electrones , un área del espacio en la que es probable que se encuentre un electrón, representa la probabilidad de encontrar un electrón en diferentes lugares del espacio, como un mapa tridimensional. La mecánica cuántica también da a los electrones números cuánticos orbitales, números cuánticos magnéticos y espines. Los números cuánticos orbitales le dicen a qué altura de la órbita (en qué nivel de energía) se encuentra el electrón, mientras que el número cuántico magnéticoes solo un número que representa en qué dirección apunta el electrón. Y también sabemos que los electrones vienen en pares, cada uno con espines opuestos , lo cual está relacionado con este hecho de que los electrones vienen en pares. Saber esto nos permite predecir las propiedades de un material y construir todo tipo de tecnología impresionante.

Términos clave

Átomos : los componentes básicos del universo; compuesto por protones y neutrones dentro de un núcleo central, rodeado por electrones en órbita

Modelo planetario : un modelo del átomo que parece un sistema planetario con el núcleo actuando como el sol y los electrones actuando como los planetas.

Modelo de Bohr : una versión más detallada del modelo planetario en el que los electrones solo pueden orbitar con cantidades específicas de energía; llamado así por el físico Neils Bohr

Mecánica cuántica : las reglas de la física que gobiernan las partículas más pequeñas

Nube de electrones : un área del espacio en la que es probable que se encuentre un electrón.

Números cuánticos orbitales : números que se pueden usar para determinar el nivel de energía en el que se encuentra el electrón.

Número cuántico magnético : un número que representa la dirección en la que apunta el electrón.

Spin : una propiedad importante de la mecánica cuántica; es decir, que los electrones vienen en pares

Los resultados del aprendizaje

Aprenda sobre el modelo mecánico cuántico a través de esta lección para que pueda:

• Enumere los tres modelos principales que se han utilizado para representar átomos
• Explicar las reglas que pueden ayudar a determinar dónde están los electrones de un átomo.