Desarrollos que conducen al modelo atómico de Bohr

Neils Bohr, un científico, amplió el modelo del átomo de Rutherford a través de sus experimentos. La naturaleza dual de la radiación electromagnética fue un elemento importante en el desarrollo del modelo de Bohr. Esto indica que las radiaciones pueden tener propiedades ondulatorias y corpusculares. Echemos un vistazo más de cerca a la evolución que condujo al modelo de átomo de Bohr.

Naturaleza ondulatoria de la radiación electromagnética

Cuando las partículas cargadas eléctricamente viajan aceleradas, se forman y comunican campos magnéticos y eléctricos alternos, según la propuesta de James Maxwell de 1870. Estos campos se transfieren en forma de ondas y se denominan ondas electromagnéticas o radiación electromagnética. Durante muchos años, los científicos han reflexionado sobre la naturaleza de la luz como una especie de radiación. Inicialmente, los científicos asumieron que la luz estaba formada por partículas llamadas corpúsculos. La naturaleza ondulatoria de la luz solo se descubrió a principios del siglo XIX. Maxwell fue el primero en demostrar, utilizando la noción de radiación electromagnética, que la electricidad, el magnetismo y la luz son manifestaciones diversas del mismo fenómeno.

Propiedades del movimiento de ondas electromagnéticas

1. Las partículas cargadas oscilantes generan campos eléctricos y magnéticos oscilantes perpendiculares. Estos campos también son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.
2. Las ondas electromagnéticas, a diferencia del sonido o las ondas de agua, no requieren un medio para propagarse. Tienen la capacidad de viajar a través del vacío.
3. Hay muchos tipos distintos de radiaciones electromagnéticas disponibles en la actualidad, cada una con una longitud de onda o frecuencia diferente. Todos son parte de un espectro electromagnético. Los nombres y aplicaciones de las diversas partes de este espectro varían. Por ejemplo, la región infrarroja alrededor de 1013 Hz se utiliza para calentar, y el componente UV de los rayos del sol está en 1016 Hz. La luz visible es la pequeña componente alrededor de 1015 Hz, que nuestros ojos solo pueden ver. La detección de luz no visible requiere el uso de equipos especializados.

Propiedades de la radiación electromagnética

• Frecuencia (v) – El número de ondas que pasan por un lugar específico en un segundo. Hertz (Hz, s ^-1 ) es la unidad SI que lleva el nombre de Heinrich Hertz.
• Longitud de onda ( λ ) – La longitud de onda se mide en las mismas unidades que la longitud, que es el metro (m). Sin embargo, debido a que la radiación electromagnética se compone de múltiples ondas de pequeñas longitudes de onda, utilizamos unidades más pequeñas.
• Número de onda : El número de longitudes de onda por unidad de longitud se denomina número de onda. Sus unidades son m ^-1 que son la inversa de la longitud de onda.
• La velocidad de la luz (c): Es la velocidad a la que todos los tipos de radiación electromagnética, independientemente de la longitud de onda, viajan en el vacío (3,0 x 10 ⁸ ms ^-1 ). La ecuación: relaciona la longitud de onda, la frecuencia y la velocidad de la luz.

c = ν λ

Naturaleza de las partículas de la radiación electromagnética y la radiación de cuerpo negro

1. Aunque la naturaleza ondulatoria de la radiación electromagnética explica fenómenos como la «difracción» y la «interferencia», aún se desconocen ciertas propiedades cruciales. Las siguientes observaciones no tienen explicación:
2. La naturaleza de la emisión de radiación de los cuerpos calentados se conoce como radiación de cuerpo negro.
3. El efecto fotoeléctrico, o la emisión de electrones de una superficie metálica cuando se expone a la radiación.
4. La capacidad calorífica de los sólidos varía.
5. Espectros de líneas atómicas con referencia al hidrógeno.

Cuando se calientan, los sólidos emiten radiaciones con una amplia gama de longitudes de onda en este fenómeno. El calentamiento de una barra de hierro en un horno o sobre una llama es el mejor ejemplo de esto. Comienza como un color rojo monótono y se vuelve más brillante a medida que aumenta la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, se vuelve blanco y luego azul. Esto simplemente significa que a medida que aumenta la temperatura, la frecuencia de la radiación emitida aumenta de una frecuencia más baja a una más alta. El color rojo está en la región de frecuencia más baja del espectro, mientras que el color azul está en la zona de frecuencia más alta. 

Un cuerpo negro es un cuerpo ideal que emite y absorbe todas las longitudes de onda de radiación. Este tipo de radiación se conoce como radiación de cuerpo negro. La distribución de frecuencias de la radiación emitida por un cuerpo negro está determinada únicamente por su temperatura. La intensidad de la radiación a una temperatura determinada aumenta a medida que la longitud de onda disminuye, alcanza un máximo y luego comienza a disminuir a medida que la longitud de onda disminuye aún más.

Teoría cuántica de Planck y explicación de la radiación de cuerpo negro

Los fenómenos de radiación de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico no están bien explicados por la física clásica o la teoría ondulatoria de la luz. Max Planck proporcionó la primera explicación sólida para el fenómeno de la radiación del cuerpo negro en 1900. Propuso que los átomos o las moléculas emiten o absorben energía solo en cantidades discretas conocidas como cantidades cuánticas, en lugar de hacerlo de manera continua. La cantidad más pequeña de energía emitida o recibida en forma de radiación electromagnética se denomina cuanto.

Efecto fotoeléctrico

Einstein utilizó la teoría cuántica de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico en 1905. Según la teoría cuántica de Planck, disparar un haz de luz sobre una superficie metálica equivale a disparar un haz de partículas o fotones sobre el metal. En esta situación, cuando un fotón suficientemente energético choca con un electrón en el metal, el fotón transmite rápidamente su energía al electrón, y el electrón es expulsado sin demora. Un haz de luz más intenso tiene una mayor cantidad de fotones y, por lo tanto, expulsa una mayor cantidad de electrones. Finalmente, la energía cinética del electrón expulsado aumenta a medida que aumenta la energía transportada por un fotón. La energía cinética del electrón expulsado es pues proporcional a la frecuencia de la radiación electromagnética. 

Comportamiento dual de la radiación electromagnética

El efecto fotoeléctrico y la radiación de cuerpo negro se explican por la naturaleza de partículas de la luz. La interferencia y la difracción, por otra parte, se explican por la naturaleza ondulatoria de la luz. Esta disparidad planteó a los científicos un dilema. Finalmente, acordaron que la luz tiene características tanto ondulatorias como corpusculares, lo que implica que tiene un comportamiento dual. Cuando la luz se propaga, tiene propiedades de onda, mientras que cuando interactúa con la materia, tiene propiedades de partícula.

Ejemplos de preguntas 

Pregunta 1: Si la energía cinética de un electrón aumenta cuatro veces, la longitud de onda de la onda de De-Broglie asociada con él sería ¿cuántas veces de sí misma?

Responder:

La longitud de onda tiene una relación inversa con la raíz cuadrada de la energía cinética. Como resultado, si KE aumenta cuatro veces, la longitud de onda se reduce a la mitad.

Pregunta 2: Nombre el científico que primero formuló la estructura atómica.    

Responder:

En 1808, un maestro británico llamado John Dalton propuso la estructura atómica. Originalmente propuso una base científica sólida conocida como la hipótesis atómica de Dalton.

Pregunta 3: ¿Por qué el modelo de Rutherford no podía explicar la estabilidad de un átomo?  

Responder:

Cuando las partículas cargadas se aceleran, deberían crear radiación electromagnética, según la teoría electromagnética de Maxwell. Como resultado, un electrón en una órbita emitirá radiación indefinidamente; la órbita continuará entonces reduciéndose, lo cual no es la situación en un átomo.

Pregunta 4: ¿Cómo afecta la intensidad de la luz a los fotoelectrones?    

Responder:

La cantidad de electrones expulsados ​​y la energía cinética asociada con ellos es proporcional a la intensidad de la luz dirigida al metal.

Pregunta 5: ¿Qué explicó Einstein sobre el efecto fotoeléctrico?

Responder:

En 1905, Einstein utilizó la teoría cuántica de la radiación electromagnética de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico. La energía en cada cuanto de luz es igual a una constante multiplicada por la velocidad de la luz.