INTRODUCCIÓN A LOS ESTADOS CUÁNTICOS DEL ÁTOMO Primera parte

1. De acuerdo con lo que usted ha aprendido durante su vida escolar y cotidiana, trate de responder a los siguientes interrogantes:

¿Qué tienen en común el diamante y el grafito? Indique algunas diferencias aparentes entre ambos.

Explique las diferencias estructurales más importantes entre ambos (Puede consultar en la bibliografía circulante o en sitios de internet)

2. ¿Existen estados intermedios entre el grafito y el diamante?

¿Qué piensa usted acerca de las razones por las que a veces los átomos de carbono se ordenan para formar grafito y otras veces se orientan para formar diamante? (Hay razones externas e internas a los átomos de carbono).

3. ¿Se podrá conocer mediante alguna teoría el estado de energía de los átomos? 4. ¿Qué es la Teoría cuántica? ¿Qué son los cuantos?

5. ¿Qué son los estados cuánticos de los átomos?

Los átomos pueden encontrarse en diferentes estados según los valores de energía de sus electrones. Recordemos que los electrones se desplazan alrededor del núcleo, a distancias que dependen de la energía que posean y que se las conoce como niveles de energía. Si los electrones se encuentran en los valores mínimos de energía que les corresponde, el átomo en su totalidad se encuentra en su estado de mayor estabilidad (ver fig. 1). En cambio si alguno de los electrones se encuentra en un nivel superior de energía, el átomo se hallará en un estado inestable, con posibilidades de volver a su estabilidad según las condiciones externas (ver fig. 2).

Figura 1 Figura 2

6. ¿Cuál es la razón por la que un electrón puede “aparecer” en un nivel superior de energía?

7. ¿Qué sucede cuando un electrón que estaba en un nivel superior de energía “aparece” nuevamente en su valor energético de mayor estabilidad?

8. ¿Qué es un fotón?

Segunda parte

Veamos un ejemplo de átomo en su estado de mayor estabilidad energética y en otros estados de inestabilidad energética:

141 (Para representar los átomos usaremos un modelo de átomo muy elemental a fin de facilitar la interpretación de las diferentes situaciones)

Átomo de hidrógeno en su valor más estable de energía (fig. 3)

Átomo de hidrógeno en dos estados diferentes de inestabilidad (fig. 4)

Diversas posibilidades de liberación de energía para retornar a la estructura (o estado ) más estable + energía (fotón)

E

= E* - E

E

= E** - E

E

> E

La mayor o menor absorción de energía (en forma de fotones), provocará a la vez diferentes cambios de nivel de los electrones. En el ejemplo descripto desde un nivel 1 hasta el 3. Cuando se retorna a los valores de estabilidad, se hace a través de la liberación de fotones.

No tenemos que perder de vista que estas absorciones y liberaciones de energía en forma de fotones se produce en millones de átomos. En ambos casos se puede emplear una pantalla fotosensible en la que impactan los fotones, y se “dibujan” líneas cuya intensidad y ancho dependerán de la energía liberada o absorbida. Reciben el nombre de espectros de líneas y el aparato empleado se llama espectrofotómetro. Esos espectros son totalmente únicos para cada sustancia, sea simple o compuesta (Podríamos asimilarlos con las huellas digitales de las personas). Y por cierto que se los puede emplear para su identificación.

142 Preguntas

Bohr se basó en el espectro del átomo de hidrógeno. ¿Qué observaron otros científicos? ¿A qué se llama espectro atómico?

¿Qué es un orbital atómico?

¿Cuántos subniveles tiene cada nivel?

143 5.9.6- DÍA 6

Objetivos

- Ampliar en forma cualitativa el bagaje de conocimientos de Física Moderna, vinculados con otras áreas, no solo desde la perspectiva conceptual sino también desde una visión social propia de la actividad científica, específicamente desarrollada por personas que despliegan sus vidas en una etapa histórica.

- Representar e interpretar configuraciones electrónicas empleando diagramas de cajas. Contenidos

Noción de entrelazamiento.

Representación de orbitales atómicos. Breve referencia teórica

Si bien los alcances de los contenidos abordados en esta propuesta se encuentran limitados por diversas razones contextuales, se procuró sostener la premisa de incorporar, en la medida de lo posible, contribuciones actuales que den cuenta del carácter pregnante de la Física Moderna en numerosos campos de conocimiento. El concepto de ‗entrelazamiento‘ se considera específico de la física cuántica actual (Schaposnik, 2014).

El entrelazamiento es una propiedad por la que dos partículas A y B quedan vinculadas cuánticamente en un mismo estado y se pueden separar una distancia tan grande como se quiera, de modo que no puedan ‗comunicarse‘ a través de ningún mecanismo físico conocido, sin perder el vínculo. A pesar de la distancia son capaces de responder frente a un acto de medida sobre cualquiera de ellas mostrando una perfecta coordinación. En cuanto se efectúa la medida, se rompe el entrelazamiento.

La posibilidad de que se encuentre en los fundamentos de la orientación de aves migratorias o de algunos anfibios brinda oportunidades a quienes actúan como mediadores entre el conocimiento (en este caso de alta complejidad para estudiantes secundarios) y el aprendizaje. Además se habilita un resquicio para presenciar un debate entre distintas corrientes científicas acerca de temas que se encuentran en proceso de investigación (Engels et al, 2014, Kirschvink, 2014), circunstancia que puede ser aprovechada para examinar algunas facetas del dogmatismo. No se insiste en una conceptualización acabada ni mucho menos, la idea es otorgar una referencia científica a un hecho atribuible a causas paranormales. Por otro lado, la posibilidad de establecer un vínculo con cuestiones más relacionadas con lo macroscópico hace que los alumnos adviertan que tratan con situaciones que también se pueden percibir en forma directa.

Actividades

En base a una lectura de divulgación, adaptada (anexo 13) se introduce la noción de entrelazamiento.

Se trabajó en la representación de orbitales mediante el uso de cajas cuánticas y la simbolización de los orbitales. (anexo 14)

144 Comentarios posteriores a la clase

Con respecto a la lectura seleccionada, y considerando la escasa afinidad de los alumnos con este tipo de tarea, fue muy satisfactorio escuchar los comentarios acerca del tipo de fenómeno que se describe en la misma. Se hizo muy evidente el agrado que les produce la posibilidad de establecer vínculos muy concretos (la migración de las aves), con conceptos tan abstractos como los de la Física Cuántica (el entrelazamiento). Esto nos dio pie para pensar en la necesidad de incorporar mayor número de tareas interdisciplinarias.

Con respecto al trabajo de representaciones con cajas cuánticas, en apariencia manifiestan cierta destreza en la manipulación de los vectores y en la nominación de los niveles, casi como un juego. Pero a la hora de intentar articular este tipo de diagrama con los niveles de energía graficados en otros formatos, aparecen algunas señales que dan lugar a pensar que sus referentes son fuertemente concretos y que habría que buscar la manera de buscar mayores enlaces con representaciones más formales.

145 Anexo 13