Manifestaciones de la estructura interna de la materia

LECCIÓN

1

Aproximación a los fenómenos: relación con la naturaleza de la materia

1.1 Manifestaciones de la estructura interna de la materia

4.2.a Con una lupa se puede incendiar una hoja seca. ¿Por qué?

En el Ateneo

■ Reúnete con tres o cuatro compañeros y lleva a cabo las siguientes actividades. ■ Observa con atención las fotografías y responde las siguientes preguntas y las de los pies de imagen. • ¿Sabes por qué ocurren estos fenómenos? • ¿Puedes explicarlos con el modelo cinético de partículas o las leyes de movimiento que ya conoces? ■ Escribe las respuestas en tu cuaderno.

4.2.b ¿Por qué cuando se combinan la lluvia y el Sol, puedes apreciar un arco iris?

c)

e) d)

4.2.c En los lugares cercanos a los polos terrestres puedes apreciar este increíble espectáculo, llamado aurora boreal y aurora austral. ¿Por qué?

4.2.d Cuando pintas con muchos colores sobre un mismo lugar, obtienes un color gris o café muy oscuro, casi negro. ¿Por qué?

4.2.e ¿Por qué cuando un rehilete de colores se mueve con gran rapidez se ve blanco?

Hay otros hechos a los que estás acostumbrado, que tampoco se explican con la información que tienes hasta ahora, por ejemplo, por qué se prende una lámpara de pilas, o qué hace que funcionen algunos objetos, como los motores de los aparatos eléctricos de tu casa. Ahora te invitamos a que experimentes con un dispositivo que te permitirá observar algunas propiedades eléctricas de ciertos materiales.

4.2.f En algunos museos de ciencia y tecnología es posible experimentar lo que se muestra en la fotografía. ¿Puedes explicar por qué ocurre?

Sujetador de pilas

En el Ateneo

1. ¿Se prende el foco?

■ El objetivo de esta actividad es que construyas un dispositivo como el que se muestra en las figuras 4.3a y 4.3b. Organiza un equipo con dos compañeros para realizarlo. Observa con qué materiales se enciende el foco.

Necesitas

2 Pilas de 1.5 V 1 foco que funcione con 3 V (puede ser de una lámpara de mano) 1 soporte de foco 3 cables

Objetos pequeños de madera (una regla de madera), plástico (la tapa de tu bolígrafo), metal (un clip, un alambre, etc.), corcho (los de algunas botellas) y otros materiales que te interese probar.

Procedimiento

■ Conecta los cables como se muestra en la figura 4.3a y 4.3b verifica que el foco encienda. Es importante que hagas esta prueba para comprobar que todo está bien unido o conectado. ■ Ahora construye el dispositivo como se muestra en el diagrama 4.3c. ■ Coloca los objetos que quieras probar, uno por uno, a los extremos de los cables sueltos, y observa si el foco se prende, o no. ■ Discute con tu equipo lo que piensas que sucede. Escucha los diferentes planteamientos de tus compañeros y enriquece el tuyo. ■ Escribe tus conclusiones y cuando hayas terminado de leer este Bloque regresa a ellas, para comparar tus respuestas.

Sujetador de pilas

Sujetador de pilas

4.3b. Asegúrate de colocar adecuadamente los cables al foco.

4.3a. Verifica que los cables estén bien sujetos al portapilas. 4.3c. Comprueba que los cables sujeten bien los objetos.

¿Qué aprendí en esta lección?

Existen muchos fenómenos físicos que demuestran que se requiere un modelo más preciso de la materia para poder explicarlos.

Del modelo de partícula al modelo atómico

2.1 Orígenes de la teoría atómica

¿Te has preguntado qué es la materia?

Demócrito imaginó que toda sustancia estaba compuesta por partículas diminutas e indivisibles a las que llamó átomos. Como viste en las páginas 117-118, según Demócrito, cualquier objeto que se pudiera tocar estaría formado por muchos átomos, de tamaño tan pequeño que serían imposibles de apreciar por cualquiera de nuestros sentidos.

Los herederos de los griegos en el estudio de las sustancias fueron los alquimistas medievales, pero sus conocimientos no comenzaron a ser vistos desde una visión más científica sino hasta el siglo XVII, y así se crearon las bases de la química moderna.

Robert Boyle (1627-1691) fue uno de los iniciadores de esta ciencia. Él definió al elemento como una sustancia que no puede ser dividida en otras más simples y comenzó una clasificación que ha sido fundamental para el estudio de la materia.

John Dalton (1766-1844), un químico inglés, propuso una nueva teoría atómica en la que dividía toda la materia en dos grupos: los elementos, que estaban formados por unidades fundamentales a las que Dalton llamó “átomos”, en honor de Demócrito; y los compuestos, que se constituían por moléculas. Las moléculas están formadas por átomos unidos en cantidades definidas y constantes.

Para el siglo XIX, los científicos imaginaban a los átomos como pequeñas esferas sólidas. En este siglo se incrementó la capacidad de experimentación y esto permitió deducir el número de átomos que formaban algunas moléculas. Se descubrió que el átomo de hidrógeno era el de menor masa y se tomó su masa como referencia para todos los demás. Con base en estas ideas se logró determinar el número de átomos que contenían algunas moléculas.

LECCIÓN

2

¡Conéctate!

En el próximo ciclo escolar de ciencias estudiarás química. Investiga qué estudia esta ciencia mediante una búsqueda en Internet con las palabras clave “química definición”, o bien, en el libro El universo de la química, de Horacio García, SEP-Santillana, México, 2002, de tu Biblioteca de aula.

4.4. Los alquimistas buscaron afanosamente el elixir de la vida y la piedra filosofal, ya que les atribuían virtudes maravillosas, no sólo la de convertir el plomo, u otros metales, en oro, sino también la de curar algunas enfermedades o lograr la inmortalidad.

Para tener una idea del tamaño de los átomos, diseñaron un ingenioso experimento: vertían una pequeña gota de aceite sobre una superficie de agua, que se extendía hasta tener el grosor de una molécula. Así estimaban la longitud de una molécula de aceite y, conociendo el número de átomos que contenía, podía calcularse su tamaño. El diámetro que obtuvieron del átomo era muy pequeño ¡D 0.00000001 cm = 10 8 cm! Mediciones posteriores han confirmado este dato. Para darte una idea de su pequeñez, piensa que la relación de tamaños que hay entre un átomo y una pelota de tenis, es la misma que entre la pelota y el globo terrestre. Bomba de vacío A finales del siglo XIX y principios del XX se hicieron experimentos que cambiaron la idea de que los átomos eran indivisibles. En 1878 Sir William Crookes construyó un tubo sellado en el que colocó dos placas metálicas, con una pequeCátodo Ánodo ña perforación en el centro. Usó una bomba de Rayos positivos Electrones vacío para reducir el número de átomos de gas en el tubo. Luego conectó las placas a un voltaje de 50 000 V (16 666 veces más poderosa que la pila de 3 V que usaste para tu experimento en la lección anterior) y obtuvo una luz en uno de los lados. Supuso que el  50 000 V  destello se producía porque los átomos del gas ¡se rompían! y algunas partes se dirigían hacia el lado positivo, mientras que otras se iban al lado 4.5. El tubo de Crookes, con muchas varianegativo. Eso significaba que ¡los átomos se podían romper y estaban ciones, fue uno de los dispositivos más utilizados para la investigación del átomo en los siguientes años. formados por partículas! A partir de este hallazgo, el físico inglés J.J. Thomson (1856-1940) y otros investigadores realizaron una serie de experimentos encaminados a descubrir las propiedades de estas misteriosas partículas. Thomson perfeccionó el tubo de Crookes y observó que las partículas atraídas por fuerzas eléctricas positivas eran mucho más pequeñas que el átomo y tenían carga negativa. Thomson las llamó electrones. Concluyó también que como el átomo entero es neutro, éste debía tener una carga positiva. Con estas ideas propuso un modelo para describir cómo estaban formados los átomos, que consistía en una carga positiva extensa, como la masa de un panqué, donde los electrones, más pequeños, se fijaban como las pasas en el panqué. Por sus descubrimientos, Thomson ganó el Premio Nobel en 1906, pero pocos años después su alumno, Rutherford, sugirió un modelo que se ajustaba mejor a los experimentos y desplazó la idea de su maestro. 4.6. En muchos casos, los dispositivos que Para Rutherford el átomo estaba vacío, ya que se desarrollan para un experimento tienen la carga positiva se encontraba concentrada en el otras aplicaciones, como estas luces de neón que son una aplicación del tubo de Crookes y que algunos negocios todavía utilizan para núcleo, cuyas dimensiones, según sus propios experimentos, debían tener una diezmilésima parte del tamaño de un átomo, y los electrones anunciarse. se movían en órbitas alrededor del núcleo. Este modelo era semejante a nuestro Sistema Solar.

Con ciencia

Las interacciones nucleares

Existen cuatro fuerzas o interacciones fundamentales en la Naturaleza: ¡Conéctate! la gravitacional, la electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear Para saber más acerca de las fuerfuerte. zas presentes en el Universo visita:

La fuerza electromagnética se divide en fuerza eléctrica y fuerza www.phy6.org/stargaze/Msun7eng.htm magnética. www.solociencia.com/fisica/particulas

En el Bloque 2 viste la fuerza gravitacional, la eléctrica y algunas caracteelementales-fuerzas-fundamentales.htm rísticas de la magnética. Ahora podrás conocer más acerca de las interacciones En la siguiente página podrás invesque ocurren en el núcleo de los átomos, sus descubridores y sus consecuencias tigar más acerca del proyecto ITER. tecnológicas y sociales. es.wikipedia.org/wiki/Fusi%C3%B3n_

A finales del siglo XIX Becquerel, los esposos Curie y Rutherford descubrieron nuclear la radiactividad.

La radiación natural se produce cuando un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un neutrino. Los neutrinos son partículas neutras con una masa mucho menor que la del electrón. La interacción responsable de ciertos tipos de radiactividad natural es la fuerza débil.

Según los modelos más actuales, en el núcleo atómico se encuentran los protones y los neutrones. Antes estudiaste que las cargas iguales se repelen, y como los protones tienen cargas positivas y los neutrones carecen de carga, quizá te preguntes: ¿por qué permanecen juntos formando los núcleos de los átomos? La respuesta es que hay una fuerza más fuerte que la electromagnética, la cual mantiene unidos a los protones y a los neutrones en el núcleo de un átomo: la fuerza fuerte.

El descubrimiento de estas interacciones abrió el paso a muchos campos de investigación y de desarrollo tecnológico. Hay dos procesos para aprovechar esta energía nuclear: la fisión y la fusión.

La fisión ocurre cuando un núcleo se parte en dos o más núcleos pequeños, junto con otras partículas y esto produce una gran cantidad de energía, la cual se considera no renovable y contaminante, por los residuos radiactivos que genera.

La fusión nuclear es el proceso mediante el cual dos núcleos atómicos se unen para crear uno de mayor peso atómico. El nuevo núcleo tiene una masa menor a la suma de los que se fusionan y en este proceso se libera una gran cantidad de energía. Actualmente existe un proyecto para construir un reactor de fusión y generar energía nuclear. Este proyecto llamado ITER se construirá en Francia con la colaboración de varios países. La ventaja de la energía de fusión es que es inagotable y no contaminante.

La fisión nuclear se ha utilizado en plantas para producir energía, en aplicaciones para la agricultura, en medicina (medicina nuclear, radioterapia) y en la industria. Sin embargo, también se ha usado para construir armas nucleares devastadoras (lee “En el Ateneo” de la página 169) y ha provocado daños por contaminación como sucedió en la planta de Chernobil. En 1986, en la planta nuclear de Chernobil, Ucrania, ocurrió el accidente más grande de los últimos tiempos, al producirse una explosión nuclear que liberó radiaciones que afectaron, y continúan afectando, a miles de personas. Investiga en Internet cómo y por qué sucedió este desastre, con las palabras clave “explosión en Chernobil”. Esta información te servirá también para la actividad que se propone 4.7. Laguna Verde es la única central nucleoeléctrica en México y se “En el Ateneo” de la página 219. encuentra en el estado de Veracruz.

4.8. Modelo de Thomson conocido como panqué con pasas. Para Thomson, la región azul es la carga positiva.

4.9. Si el protón fuera del tamaño de este círculo, los electrones estarían girando a una distancia de un estadio olímpico con centro en este punto.

4.10. A este modelo también se le llama de Rutherford - Bohr, ya que Bohr colaboró con ideas para justificar el modelo. Se otorgó a ambos el Premio Nobel por sus descubrimientos en la descripción del mundo subatómico.

¡Conéctate!

El siguiente sitio explica con claridad los aspectos del mundo subatómico y sus interacciones. La aventura de las partículas en:

www.es.wikipedia.org/wiki/%c3%81tomo La aventura de los quarks en:

http://teleformacion.edu.aytolacoruna. es/FISICA/document/teoria/quark/ spa_home.html

4.11. En el modelo actual no se habla de trayectorias de las partículas subatómicas, sino sólo de encontrarlas en una región probable del espacio.

Si bien ya eran descripciones científicas del átomo, aún no se conocía el valor de la carga eléctrica ni de la masa de los electrones.

En 1910 Robert Andrews Millikan (1868-1953), un físico estadounidense, encontró que la carga eléctrica del electrón era 1.602 × 10 19 coulombs, y su masa en reposo de 9.109 × 10 31 kg. Recuerda que en la página 87 viste qué son los coulombs. Millikan recibió el Premio Nobel de Física en 1923 por este trabajo.

La carga del electrón, además de ser la unidad básica de la electricidad, se considera la carga elemental, pues todos los cuerpos cargados tienen un múltiplo entero de ella. El protón posee la misma carga que el electrón pero, por convención, se determinó que la del protón sea positiva y la del electrón negativa.

Bohr se basó en el átomo de Rutherford, pero agregó nuevas ideas, en las que proponía que los electrones sólo podrían estar en ciertas órbitas y, además, que al saltar de una órbita a otra, absorbían o emitían luz.

El modelo del átomo de Rutherford y Bohr no podía explicar una serie de fenómenos, por lo que en la actualidad ya no se describe al átomo como un sistema planetario. Ahora se sabe que no es posible determinar con exactitud dónde se encuentra un electrón. Sólo se puede estimar en qué regiones alrededor del núcleo podría estar. Aún continúa la carrera por encontrar las partículas más pequeñas que conforman todo lo que nos rodea. Se sabe que los protones y los neutrones están formados por partículas más pequeñas, conocidas como quarks, y son parte de la gran lista de las partículas elementales. ¡El átomo ya no es lo más pequeño que existe! Si te interesa aprender más acerca de este mundo subatómico, y comprender temas como la antimateria, o cómo se explican las interacciones que conocemos, te recomendamos que investigues en libros, enciclopedias, revistas y sitios relacionados en la red, ya que a menudo se publica información muy interesante. Recuerda que puedes integrar toda esta información en la bitácora que sugerimos en el Ateneo “Bitácora científica”, de la página 79.

En el Ateneo

La bomba nuclear y sus consecuencias

La Segunda Guerra Mundial dejó un saldo de 35 a 60 millones de muertos, entre ellos un gran número de civiles. La guerra terminó en 1945, año en que dos bombas nucleares fueron lanzadas sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki. ■ Lleva a cabo un trabajo en el que describas la situación previa a la construcción de la bomba nuclear y las consecuencias de su uso. Puedes emplear la información acerca de qué es investigar de la página 150, y apoyarte en los criterios para evaluar un trabajo de la página 43. Además puedes pedir ayuda a tu maestro o maestra de Historia. ■ En tu trabajo debes desarrollar los siguientes aspectos del tema: 1. La situación económica y social previa a la Segunda Guerra Mundial (años 1929-1939). 2. La secuencia de descubrimientos científicos que aportaron la información necesaria para diseñar la bomba nuclear. 3. Los avances tecnológicos que permitieron su construcción. 4. Las consecuencias del uso de la bomba nuclear (los años posteriores a 1945). 5. La situación de México durante estos años y su posición frente a los acontecimientos. 6. Expresa tu opinión acerca de la guerra, de la bomba, de la postura de los diferentes países, de la participación de científicos en la construcción de armas, etcétera. 7. ¿Qué podemos aprender de este suceso? ■ Discute tus conclusiones en el salón de clases.

¡Conéctate!

En el siguiente sitio podrás investigar información sobre la situación histórica, política y social de los años previos a la Segunda Guerra Mundial.

www.es.wikipedia.org/wiki/A%C3%B1os_ 1930

También puedes realizar una búsqueda con las palabras: Segunda Guerra Mundial para ampliar tu información, o leer el texto La bomba y sus hombres, de Horacio García Fernández, col. Viaje al centro de la Tierra, ADN Editores, México, 2004.

¿Qué aprendí en esta lección?

La historia del modelo del átomo se remonta a los griegos, con Demócrito, y se ha desarrollado con el avance en la tecnología de experimentación, pasando del concepto de pelota indivisible, hasta el actual, que considera que cada átomo está formado por protones y neutrones en el núcleo, y electrones en regiones alrededor de éste.