Cuadro de los Estados de la Materia

Naturaleza Ondulatoria de la Materia Resumen Descriptivo

Naturaleza Ondulatoria de la Materia

RESUMEN DESCRIPTIVO DE LA FÍSICA CUÁNTICA APLICADA A LA MATERIA: Durante los últimos 300 años, los científicos han invertido mucho tiempo en discutir e investigar la naturaleza de la luz. En el siglo XVII, Isaac Newton sostenía que los rayos luminosos consistían en flujos de partículas muy pequeñas. Esta teoría corpuscular prevaleció durante muchos años, aunque Christian Huygens, contemporáneo de Newton, tenía el convencimiento de que la luz era trasmitida mediante vibraciones (es decir, ondas) en el éter.

Isaac Newton

HUYGENS Christian (1629-1695

En los primeros años del siglo XIX, Thomas Young realizó sus famosos experimentos sobre las interferencias luminosas. Estos fenómenos podían explicarse muy bien con sólo suponer que la luz es un conjunto de ondas y no un flujo de partículas.

Por consiguiente, la teoría ondulatoria parecía explicar satisfactoriamente todas las observaciones experimentales hechas hasta la época, por lo que se pensaba que remplazaría para siempre a la teoría corpuscular. Después, a fines del siglo XIX, se descubrió que, en ciertas condiciones, se liberaban electrones cuando incidía un rayo luminoso sobre una superficie.

Al incidir un haz de luz sobre ciertos materiales se desprenden electrones, creando una corriente electrica, medida por el galvanómetro.

La teoría ondulatoria no podía explicar este fenómeno, que conocemos con el nombre de efecto fotoeléctrico. Este nuevo descubrimiento planteó a los físicos un serio dilema. El efecto fotoeléctrico era más fácilmente explicable acudiendo a la teoría corpuscular, aunque casi todos los otros fenómenos luminosos se explicaban mejor a partir de la teoría ondulatoria.

Éstos eran algunos de los problemas teóricos que tenían planteados los físicos cuando apareció en escena el joven aristócrata francés Luis de Broglie. En una tesis publicada en 1922, cuando sólo tenía 30 años, sugirió que la luz presentaba un comportamiento a veces ondulatorio y a veces corpuscular, aunque no ambos al mismo tiempo.

Científico Luis De Broglie

LOUIS DE BROGLIE (1892-1960): Físico nacido en Francia el año 1892. Sus trabajos de investigación le permitieron descubrir la naturaleza ondulatoria de los electrones. Fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1929.

De Broglie supuso que, así como la luz, normalmente de naturaleza ondulatoria, podía, en ciertos fenómenos, comportarse corpuscularmente, las partículas pequeñas, tales como los electrones, podían presentar características ondulatorias. Pero tuvo que esperar 5 años para que se descubriera la evidencia de este fenómeno.

Fue en 1927 cuando los estadounidenses Clinton G. Davisson y L. H. Germer, trabajando en los laboratorios de la Bell Telephone, consiguieron producir fenómenos de  difracción  con un flujo de electrones, usando un cristal como red de difracción.

La teoría dualista de De Broglie puede aplicarse a todas las partículas en movimiento, cualquiera que sea su naturaleza.

La longitud de onda de esta onda De Broglie (la onda asociada con la partícula) se averigua dividiendo la constante de Planck por la cantidad de movimiento de la partícula. Luis Víctor de Broglie nació en Dieppe (Francia), en 1892. Su hermano mayor, Maurice, el sexto duque De Broglie, fue también un físico de cierta importancia.

Luis se interesó, primero, por la historia y la literatura, pero después, sirviendo en el ejército francés durante la primera guerra mundial, se dedicó a la física. En reconocimiento a su contribución al avance de la física teórica, Luis de Broglie fue galardonado, en 1929, con el premio Nobel. Desde 1928 fue profesor de física teórica en la Universidad de París, donde había cursado sus estudios.

PARA SABER MAS…

La teoría cuántica puso una bomba bajo la visión de física clásica y, al final, la derrocó. Uno de los pasos críticos de esta rebelión se dio cuando Erwin Schrodinger formuló su teoría de la mecánica de ondas, en la que sugería que un electrón, en un átomo, se comporta como una onda. Se guiaba por la belleza, por su principio básico de que si una solución no era matemáticamente hermosa, casi seguro era incorrecta. El trabajo de Schrodinger recibió un estímulo vital cuando leyó la tesis doctoral en Filosofía de Louis de Broglie, y fue oficialmente reconocido cuando, en 1933, Schrodinger compartió el Premio Nobel de Física con Paul Dirac.

El saludo de la onda de electrones
En 1900, Max Planck había sugerido por primera vez que la energía venía en conglomerados. Esto llevó a pensar que la luz — que es una forma de energía— también estaba compuesta de partículas. Al principio no parecía probable, pero Einstein había desarrollado el concepto hasta el punto de tener una credibilidad considerable, y las partículas de la luz se conocieron como fotones.

A pesar de que la luz era claramente una partícula, :ambién tenía propiedades de onda. El trabajo de Planck había demostrado que distintas luces se transformaban en diferentes colores porque los fotones tenían distintas cantidades de energía. Sin embargo, si se divide la energía por la frecuencia a la que ese color oscila, siempre resulta el mismo valor, la llamada constante de Planck.

Eso para la luz. ¿Pero qué hay de las partículas de materia? la pregunta empezó a tener respuesta cuando Louis de 3roglie, un aristocrático físico francés del siglo XX, sugirió c¡ue las partículas de los materiales parecían ser :onglomerados localizados porque no éramos capaces de verlas más de cerca. Una mejor observación, creía, revelaría que ellas también tienen propiedades de onda.

Buscando soporte para sus ideas sobre la teoría de la relatividad de Einstein, de Broglie demostró que, con las ecuaciones Je Einstein, podía representar el movimiento de la materia :omo ondas. Presentó sus descubrimientos en 1924, en su :esis doctoral Recherches sur la Théorie des Quanta (Investigación sobre la Teoría Cuántica).

Se demostró experimentalmente gracias al trabajo con electrones llevado a cabo por los físicos americanos Clinton Joseph Davisson y Lester Hallbert Germer en 1927, quienes demostraron que los electrones, aun siendo partículas, se comportan como ondas. Planck había cambiado nuestra visión de la luz, Broglie cambió la de la materia.

La aportación de Schrodinger en esta revelación, fue tomar .as observaciones de Broglie y desarrollar una ecuación que describía el comportamiento de los electrones. Usó la ecuación para definir los modos de movimiento de los electrones en los átomos, y descubrió que las ecuaciones sólo funcionaban cuando su componente de energía era múltiplo de la constante de Planck.

En 1933, Schrodinger recogió el Premio Nobel de Física, aero, al hacerlo, pagó tributo a Fritz Hasenhórl, el profesor de Esica que había estimulado su imaginación cuando era estudiante en la Universidad de Viena. Hasenhórl había sido asesinado en la Primera Guerra Mundial, pero durante su aiscurso de recepción, Schrodinger remarcó que de no haber ;:do por la guerra, habría sido Hasenhórl, y no él, quien recibiera el honor.

Fuente Consultada:
Las Grandes Ideas que Formaron Nuestro Mundo Pete Moore
TECNIRAMA Enciclopedia de la Ciencia y la Tecnología

La materia y los cuatro elementos tierra agua fuego aire Fundamental

La materia y los Cuatro Elementos
Tierra, Agua ,Fuego, Aire

QUE ES LA MATERIA?

La naturaleza nos muestra una multitud de objetos distintos formados por diferentes materiales y, a la vez, vemos la desintegración de muchos de estos cuerpos: las montañas sufren la erosión del viento y del agua, que convierten en polvo lo que fueron inmensas piedras, la materia orgánica que forma a los seres vivos se degrada en componentes microscópicos por la acción de bacterias y otros organismos. ¿Hasta qué punto puede llegar en la desintegración de un objeto material?

Si tomamos una hoja de papel y la rompemos una y otra vez obteniendo en cada corte trozos más y más pequeños, ¿hasta dónde podrá continuar el proceso? Esta pregunta la formularon los griegos (y probablemente también otras civilizaciones) hace muchos siglos. Algunos, como Aristóteles, creían que el proceso de división de algo material era infinito, o dicho de otro modo: afirmaban que la materia es continua. El espacio entre los astros estaría ocupado por la materia más sutil y perfecta: el éter.

Aristóteles afirmaba que el espacio está completamente lleno de sustancia y, por consiguiente, que el vacío no existe.

La materia y los cuatro elementos tierra agua fuego airePor otro lado, Demócrito, que nació algunos años antes que Aristóteles, postulaba que al dividir un cuerpo material se podría llegar (con instrumentos con los que él no contaba) a obtener una porción mínima de materia que ya no sería divisible. A esta partícula la llamó átomo (palabra que en griego significa precisamente “no divisible”) y a su postura se la llama atomismo. Ciertamente, estas conjeturas no estaban respaldadas por ningún tipo de experimentación y se debatían sólo en el ámbito del pensamiento abstracto al que los griegos eran tan proclives.

Demócrito afirmaba que “lo único que existe son los átomos y el vacío”.

En todos los tiempos, para los que creían en la existencia del átomo fue una cuestión fundamental estimar cual sería, aproximadamente, su tamaño. Los antiguos ya habían notado que con una pequeñísima cantidad de tintura podía teñirse una inmensa cantidad de agua.

Esto les daba la pauta del increíble número de átomos presentes en una pequeña porción de materia Pero hubo que esperar hasta el siglo XVIII para obtener números que aproximaran un orden de magnitud para el tamaño del átomo. Hubo varias experiencias similares, entre ellas, la de Benjamín Franklin (1706-1790), quien en 1773 notó que una cucharada de aceite (unos 4 cm3 de volumen) derramada sobre la superficie tranquila de un lago se extendía abarcando un área de 2.000 m². A partir de esto dedujo que el tamaño de la molécula de agua no podía superar el valor:

4cm3/2.000m² 2.1O-7 cm

El valor promedio que actualmente se acepta para el tamaño del átomo es 10-8 cm.

A lo largo de la historia, el atomismo pasó por largas etapas de olvido y resurgió con fuerza en otros momentos. Inicialmente, mientras las ideas de Aristóteles marcaban el camino del conocimiento, el concepto de átomo fue dejado de lado. Pero a medida que la Física y la Química se fueron afirmando como ciencias, la existencia del átomo salió del ámbito de la especulación filosófica y surgió como necesaria a partir de la investigación de la materia, pero con características diferentes de las que Demócrito le había asignado. El átomo, tal como se lo conoce en la actualidad, ya no es una microscópica esferita sólida, indivisible, eterna e inmutable, sino que tiene una estructura interna cuya complejidad aún no termina de desentrañarse.

De todas maneras, todavía a principios del siglo XX la teoría atómica estaba en discusión y eminentes científicos (entre ellos, el Premio Nobel de Química Wilhelm Ostwald consideraban al átomo como una ficción muy poderosa, pues explicaba muchos de los comportamientos macroscópicos de la materia, a la cual no podían dar crédito.

Ver: El Átomo

Los primeros elementos: Tierra, Aire, Agua y Fuego

Una cuestión que sigue lógicamente a la postulación de la existencia de los átomos es la siguiente: ¿Existe un solo tipo de átomos que forman, según su disposición, todas las sustancias conocidas, o existen muchas variedades diferentes? Y si hay muchas variedades, ¿cuántas son? ¿Y en qué se diferencian los distintos átomos?

Así como la enorme cantidad de palabras de un idioma se arma a partir de unas pocas decenas de letras, todos los objetos que podemos conocer ¿estarán formados a partir de unos pocos constituyentes elementales?

Si prendemos fuego a un trozo de leña verde veremos que, a medida que la combustión avanza, el liquido (savia) en su interior burbujea, emanan vapores y, finalmente, cuando el fuego se extingue, sólo queda un polvo oscuro. Probablemente fue basándose en observaciones de este tipo que muchas de las civilizaciones antiguas, entre las cuales surgió la pregunta por los constituyentes elementales de la materia, llegaron a una respuesta similar: todos los cuerpos están compuestos por sólo cuatro constituyentes elementales: agua, aire, tierra y fuego. De acuerdo con esta concepción, las distintas sustancias que existen se diferencian según la proporción en que está presente cada elemento.

Algunos asociaban distintas formas y tamaños con los átomos de cada elemento: por ejemplo, los átomos de agua serían esferitas perfectas que les permitirían deslizarse unas sobre otras, mientras que los de tierra tendrían formas irregulares que los ayudarían trabarse entre sí dando más rigidez a la sustancia de la que participaran.

Aristóteles, en particular, adhería a esta teoría, pero agregaba un quinto elemento o quinta esencia: el éter, que formaba la esfera celeste.

Es interesante notar que existe un paralelismo entre los cuatro elementos y las formas en que la materia puede presentarse:

FUEGO——>ENERGÍA
AGUA——>LIQUIDO
TIERRA——>SÓLIDO
AIRE——>GASEOSO

El concepto de estos cuatro elementos primordiales fue mantenido durante siglos. Los egipcios y los árabes experimentaban y manipulaban sustancias en busca de combinaciones útiles para ramas tan diversas como la Medicina, los cosméticos, la metalurgia o el embalsamamiento.

En Europa, durante la Edad Media, los alquimistas fueron los herederos de esta tradición. La idea básica que manejaban era la de la transmutación. Esto implicaba la alteración de las proporciones de los cuatro elementos fundamentales presentes en una sustancia para obtener otra diferente.

Si bien la Alquimia, con su dosis de magia y sus métodos primitivos, estaba muy lejos de poder lograr su objetivo, permitió la producción y el reconocimiento de muchas nuevas sustancias (arsénico, cinc, bismuto, fósforo; los ácidos sulfúrico, nítrico y clorhídrico; las sales carbonato de sodio, sulfato de amonio y sulfato de sodio; etc.) y sentó las bases de lo que sería más tarde la experimentación química. Por otro lado, la idea de transmutar una sustancia en otra no era disparatada, y siglos más tarde los científicos modernos pudieron llevarla a cabo en sus laboratorios.

PROPIEDADES: Distintos tipos de materia poseen diferentes propiedades que las vuelven útiles para determinadas aplicaciones. El titanio, por ejemplo, es resistente y liviano al mismo tiempo; el cobre es buen conductor de la electricidad y se puede moldear en hilos para fabricar cables. El plástico no es corroído por los ácidos y se puede utilizar como recipiente. Los ejemplos son innumerables

Propiedades extensivas
Se trata de características relacionadas con i la cantidad de la materia, que permiten clasíficar cuerpos y sistemas materiales.

VOLUMEN:Se refiere aL espacio que ocupa la materia. En el caso de los líquidos, el volumen suele medirse en ütros. Para los sólidos, lo más habitual es utilizar metros cúbicos.

MASA: Se la define corno la cantidad de materia presente en un objeto, aunque para los físicos el concepto es algo más complejo. Para la física clásica es una medida constante y se mide en kilogramos.

PESO: Para definir el peso entra en juego también la fuerza fie gravedad, ya que se trata de la fuerza que ejerce la gravedad sobre un objeto, A mayor masa, mayor será el peso. Del mismo modo, mayor será el peso cuanto mayor sea la fuerza de gravedad.

Propiedades intensivas
No dependen sólo de la cantidad de la materia, sino del tipo de material. En muchos casos, son funciones de dos propiedades extensivas.

DENSIDAD
Surge de relacionar la masa de un cuerpo sobre su volumen. Por definición, se conside que la densidad del agua es de 1.000 kg/m3
Utilidad                                         Densidad (1.000 kg/m3)
Agua……………………………………………………….1.000
Aceite………………………………………………………920
Planeta Tierra…………………………………………. 5.515
Aire …………………… …………………………………. 1.3
Acero……………………………………………………… 7.850

SOLUBILIDAD
Es la capacidad que tienen algunas sustancias de disolverse en otras.

DUREZA
Se define como la resistencia que opone una sustancia a ser rayada por otra. La sustancia con mayor índice de dureza raya a la de menor índice de dureza.

La escala de Mohs
Se utiliza en mineralogía y establece la dureza de un mineral de acuerdo con una tabla:
Talco: El paso de una uña basta para rayarlo
Yeso: Una uña puede rayarlo, pero con mayor dificultad
Calcita: Se la puede rayar con una moneda
Fruorita: Un cuchillo puede provocar el rayón
Apatito: Se raya con un cuchillo y algo de fuerza
Ortoclasa: Se raya con lija de acero
Cuarzo: Raya el Vidiro
Topacio: Raya el  cuarzo
Coridón: Raya el topacio
Diamante: Raya el material mas duro

PUNTO DE FUSIÓN
Vulgarmente se lo define como la temperatura en la que un sólido se vuelve líquido.

PUNTO DE EBULLICIÓN
Generalmente se lo define como la temperatura a partir de la cual una sustancia líquida se vuelve gaseosa.

CONDUCTIVIDAD
Es la capacidad de una sustancia de permitir el paso de una corriente eléctrica, del calor o del sonido, a través de sí misma, Los metales suelen ser buenos conductores eléctricos, como el cobre, muy utilizado para fabricar cables.

OTRAS PROPIEDADES
Además de las citadas, existen otras numerosas propiedades intensivas para clasificar la materia. Algunas de ellas son índice de refracción, tenacidad, viscosidad, maleabilidad, etc.

Ver: El Átomo Para Principiantes