EXAMEN 2
Alumna: Luna Canales Irene Carolina
Carrera: Química
Materia: Electricidad y Magnetismo. (Fisica II)
Maestro: Oziewicz
2A. Experimento de Gerlach y Stern.
En 1922 en Fráncfort del Meno Otto Stern y Walther Gerlach
realizaron un experimento que pasaría a ser recordado para siempre como uno de
los pasos fundamentales que ayudaron a seguir desgranando el problema que le
había estallado a la comunidad científica en la cara con las investigaciones de
Planck y otros: la mecánica cuántica.
En el experimento que lleva el nombre de estos dos físicos,
que por aquel entonces eran ayudantes de investigación en la universidad, ayudó
a descubrir el espín. Stern se
había interesado con anterioridad en los trabajos llevados a cabo por Louis
Dunoyer, un físico francés que realizó diversos experimentos en la década
precedente. Fue el primero en producir haces moleculares estrechos a través de
un recipiente cilíndrico en el que se había hecho el vacío. El trabajo se
titulaba Réalisation d’un rayonnement matériel d’origine purement thermique. Stern pensó que sería buena idea aplicar las ideas de
Dunoyer para medir propiedades más elementales de la materia, a las partículas
que componían los átomos. Para ello, llevó junto a Gerlach el experimento que
lleva sus nombres.
Consiste en lo siguiente. Se calienta una sustancia
paramagnética (es decir, aquella en la que en presencia de un campo magnético,
el momento magnético de sus partículas se alinean con el campo magnético
externo, aunque cuando se desconecta el campo, quedan orientados al azar) para
que emita un haz de átomos hidrogenoides (es decir, con un electrón en la
última capa) eléctricamente neutros todos con la misma velocidad, que iban en
trayectoria rectilínea hasta que se topan con un gradiente de campo magnético
(es decir, una zona donde existe una variación del campo magnético en zonas
donde aumenta y disminuye) del que luego emerge y choca con un detector.
Imaginemos el electrón como una bolita con radio mayor que
0, con un eje de rotación y que tiene la carga distribuida por la esfera, y que
gira. Sería un ejemplo de dipolo. Entonces, ante la acción de un campo
magnético externo, que ejerce una fuerza sobre él, el electrón empezaría a
describir un movimiento de precesión (como un trompo cuando gira).
Si el campo magnético es homogéneo (no cambia de valor), las
fuerzas sobre el dipolo se cancelan y el electrón no ve alterado su movimiento.
En cambio, en un campo magnético que no es homogéneo (porque existe un
gradiente de campo en este caso) las fuerzas no se cancelarán exactamente,
haciendo que exista un momento de fuerzas neto sobre el electrón que haga que
se desvíe de la trayectoria rectilínea.
Lo que esperamos ver es que estas pequeñas diferencias nos
produzcan un borrón en la placa detectora, significando que esta diferencia sea
al azar y por tanto cada partícula será desviada una cierta cantidad,
diferente, produciendo un patrón relleno homogéneamente en el detector. Lo que
ocurrió cuando hicieron el experimento se puede ver en la imagen siguiente:
A la izquierda, el haz cuando no hay campo magnético
externo. El haz, que tiene forma de segmento, incide con la misma forma con la
que sale. En la derecha, la imagen cuando hay campo magnético. Es una postal
que Gerlach mandó a Niels Bohr para contarle que sus experimentos parecían
demostrar la predicción de Bohr acerca del momento magnético de los átomos.
Como dijimos antes, si la partícula es clásica, esperaríamos
ver todo el hueco relleno. Sin embargo, no es así. Se desplazan una cantidad
muy concreta, lo cual significa que el
espín está cuantizado. Es decir, toma un número concreto de valores
posibles y no un rango continuo.
El valor medido es +h/2 o -h/2. Como vemos en la
imagen, se corresponde con la proyección del espín sobre el eje
vertical (en este caso, Z). El haz se divide claramente en dos partes
diferentes.
No les resultó fácil llevarlo a cabo. El haz de átomos de
plata era colimado por dos rendijas de 0.03 milímetros, y atravesando el campo
magnético de 0.1T de máximo valor y 10T/cm de gradiente se conseguía visualizar
tan sólo una separación de 0.01 milímetros. Por si fuera poco, el experimento
se estropeaba a las pocas horas. Pero pese a todo, lograron demostrar sin dejar
lugar a dudas que el espín del electrón era una cantidad cuantizada.
Desde luego, la imagen clásica del electrón es incorrecta.
Hoy sabemos que el electrón es una partícula sin estructura interna, es decir,
no está compuesto de nada más y además, es puntual. Por lo tanto, no tiene
mucho sentido imaginárselo como una pelotita que gira, porque para que algo
pueda girar, tiene que tener dimensiones, no se puede rotar un punto sobre él
mismo. Como tal, tiene más sentido pensar en él como un valor fundamental de la
naturaleza que nos dice que el electrón se comporta como un diminuto imán que
puede orientar su campo magnético proyectándolo de dos formas: hacia arriba
(+1/2) o hacia abajo (-1/2).
El espín no se pudo descubrirse en la teoría cuántica
inicialmente. Hubo que esperar a que Dirac en 1928 planteó la ecuación que
lleva su nombre y que representa el nacimiento de la mecánica cuántica
relativista, pues toma en consideración a la relatividad, y de esa forma,
aparece el espín del electrón de manera natural, sin que hagan falta
consideraciones adicionales.
2B. El hidrógeno como molécula.
¿Cuánta energía es necesaria para separar la molécula de H2?
Un ejemplo de separar el hidrógeno molecular a hidrógeno atómico es la de la soldadura de hidrógeno atómico, este funciona de la siguiente manera:
El proceso fue inventado por
Irving Langmuir durante sus estudios sobre hidrógeno atómico. El arco eléctrico
rompe eficientemente el enlace de las moléculas de hidrógeno, cuyos átomos
luego se recombinan con tremendos desprendimientos de calor, alcanzando
temperaturas de entre 3400 y 4000 °C. Con un soplete oxiacetilénico, la llama
de acetileno con oxígeno puro alcanza en condiciones ideales una temperatura
adiabática de 3300 °C, produciendo la tercera llama más caliente, después del
cianógeno a 4525 °C y el dicianoacetileno a 4987 °C. El dispositivo utilizado
en esta soldadura es conocido como soplete de hidrógeno atómico, soplete de
hidrógeno naciente o soplete de Langmuir.
El calor producido por este
soplete es suficiente para fundir y soldar tungsteno, el metal más refractario,
cuyo punto de fusión es de 3422 °C.1 La presencia de hidrógeno actúa como un
escudo de gas protege a los metales de la contaminación por carbono, nitrógeno
u oxígeno, los cuales podrían dañar severamente las propiedades de muchos
metales a altas temperaturas. No es necesario usar fundente en este proceso.
El arco se mantiene estable
independientemente de la pieza de trabajo o las partes que se estén soldando.
El hidrógeno gaseoso normalmente es diatómico (H2), pero con las temperaturas
mayores a 600 °C que hay alrededor del arco, el hidrógeno se disocia hasta su
forma atómica, absorbiendo simultáneamente una gran cantidad de calor del arco.
Cuando el hidrógeno golpea una superficie relativamente fría (como la zona de
soldadura), se recombina en su forma diatómica y rápidamente libera el calor
correspondiente a la energía de enlace. La potencia en la soldadura de
hidrógeno atómico puede variarse fácilmente cambiando la distancia entre el
flujo del arco y la superficie del área de trabajo. Este proceso está siendo
reemplazado por la soldadura de arco metálico protegida, principalmente por la
disponibilidad de gases inertes económicos.
En la soldadura de hidrógeno
atómico, el material de relleno puede usarse o no. En este proceso, el arco es
mantenido enteramente independiente del trabajo o de las partes que están
siendo soldadas. El trabajo es una parte del circuito eléctrico sólo hasta el
punto en que una porción del arco toma contacto con la zona de trabajo, momento
en el cual existe un voltaje entre el trabajo y cada electrodo.
2B. Orto y para hidrógeno.
Los spines que tiene el núcleo de los dos átomos que posee la molécula de hidrógeno (H2), pueden tener forma paralela o pueden ser antiparaleleos, teniendo un spin que resulta de la unidad, o es cero. Por lo cual, se dice que hay dos isómeros del spin del hidrógeno molecular, conocidos como orto- y para- hidrógeno de manera respectiva. Su cambio es lento, menos cuando se encuentra en presencia de un catalizador, donde el hidrógeno pasa a ser absorbido de manera atómica, o en altas temperaturas, en las que puede haber una disociación de los átomos. Orto- y para- hidrógeno poseen propiedades químicas muy similares, pero algunas de sus propiedades físicas difieren un poco, por ejemplo, el vapor, la capacidad calorífica o la conductividad térmica entre otras.
2C. Ensayo sobre resonancia magnética nuclear y como esta relacionada con la química
RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR
RELACIÓN CON LA QUÍMICA
En este ensayo se analizará la resonancia magnética nuclear, donde comprenderemos las propiedades que hacen posible el desarrollo y mejora de este fenómeno.
Las técnicas
de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) son un instrumento indispensable
para la química así como para otras
ramas de la Ciencia. Con la
espectroscopia de RMN se pueden identificar moléculas, determinar su estructura
o estudiar procesos dinámicos.Por
ejemplo, ha sido clave en la determinación de la estructura de proteínas en
disolución y, por otro lado, las técnicas de imagen de RMN son
una herramienta indispensable en el diagnostico en medicina.
La RMN se sustenta en 3 elementos:
a) El carácter magnético en los núcleos de las moléculas en estudio.
Muchos núcleos atómicos, debido a su spin molecular, presentan características magnéticas. En cierta manera se puede considerar que los núcleos se comportan como pequeños imanes.
b) La aplicación de un campo magnético intenso.
cuando las moléculas en estudio están inmersas en un capo magnético, los niveles nucleares se desdoblan en varios niveles de energía. Cuando uno de los niveles de energía que aparecen corresponden a diferentes orientaciones de los spines de los núcleos (pequeños imanes) respecto al campo magnético.
c) La iluminación radiomagnética con radiación electromagnética.
Como en otras técnicas espectroscópicas la iluminación de la muestra con la frecuencia adecuada de radiación hará que los núcleos pasen de un nivel a otro. La frecuencia de la radiación necesaria para producir este salto de nivel, dependerá del tipo de núcleo, del entorno químico de este, del tipo de núcleos presentes en sus cercanías y del campo externo aplicado.
Un espectrómetro de RMN consta de las siguientes partes fundamentales:
- Un imán que genere un campo magnético estable, el cual puede ser de una intensidad variable, definiendo la frecuencia de resonancia de cada núcleo. Generalmente se identifica cada espectrómetro por la frecuencia de resonancia del protón, así en un imán de 7.046 Tesla, los núcleos de 1H resuenan a 300 MHz, y por tanto sería un espectrómetro de 300 MHz. Por el momento el imán de mayor campo magnético del mundo lo ha instalado Bruker en la Unviersiad de ciencia y tecnología Rey Abdullah en Arabia Saudita, de 950 MHz.
- Una sonda, que se sitúa dentro del imán, en la que se introduce la muestra y que consta de las bobinas responsables de emitir y recibir las radiofrecuencias (RF). El número de bobinas y su disposición determinan el tipo y las aplicaciones de cada sonda.
- Una consola en la que se generan los pulsos de RF y se controla el resto de la parte electrónica del espectrómetro
- Un ordenador que sirve de interfaz con el espectrómetro y con el que se analiza toda la información obtenida.
Con la resonancia magnética nuclear, los procesos de análisis son más factuales y representativos, es un fenómeno físico
basado en las propiedades mecánico-cuánticas de los núcleos atómicos. RMN
también se refiere a la familia de métodos científicos que explotan este
fenómeno para estudiar moléculas (espectroscopia de RMN),macromoléculas (RMN
biomolecular), así como tejidos y organismos completos (imagen por resonancia
magnética).
Todos los núcleos que poseen un número impar de protones o
neutrones tienen un momento magnético y un momento angular intrínseco, en otras
palabras, tienen un espín > 0. Los núcleos más comúnmente empleados en RMN
son el protón (1H, el isótopo más sensible en RMN después del inestable tritio,
3H).
Las frecuencias a las cuales resuena un núcleo atómico (dentro de una molécula) son directamente proporcionales a la fuerza del campo
magnético ejercido, de acuerdo con la ecuación de la frecuencia de precesión de
Larmor. La literatura científica hasta el 2008 incluye espectros en un gran
intervalo de campos magnéticos, desde 100 nT hasta 20 T). Los campos magnéticos
mayores son a menudo preferidos puesto que correlacionan con un incremento en
la sensibilidad de la señal. Existen muchos otros métodos para incrementar la
señal observada. El incremento del campo magnético también se traduce en una
mayor resolución espectral, cuyos detalles son descritos por el desplazamiento
químico y el efecto Zeeman.
La RMN estudia los núcleos atómicos al alinearlos a un campo
magnético constante para posteriormente perturbar este alineamiento con el uso
de un campo magnético alterno, de orientación ortogonal. La resultante de esta
perturbación es el fenómeno que explotan las distintas técnicas de RMN. El
fenómeno de la RMN también se utiliza en la RMN de campo bajo, la RMN de campo
terrestre y algunos tipos de magnetómetros.
OPINIÓN: El spin es una esfera que gira sobre un eje y maneja números enteros o semi enteros.; generalmente el valor del spin es 1 cuando la molécula esta excitada, es decir, cuando el spin dibuja una trayectoria circular o un movimiento de preseción y 0 cuando no hay algún tipo de energía que lo excite y su momento magnético no es paralelo al núcleo. Llegando a la conclusión que el espin es el origen de los fenómenos magnéticos como la RMN donde los núcleos atómicos emiten cierta energía que se utiliza para identificar las moléculas, determinar su estructura o estudiar procesos dinámicos siendo el origen de la rotación del spin la energía de preseción
Bibliografía/ Cibergrafia
