Orbitales para sergio

1

Imagen obtenida de Wikipedia.

Orbitales para Sergio.

MODELO MECANO-CUÁNTICO DEL ATOMO

Autora Carmen Magallón Portolés.

(Una carta escrita por una madre y profesora a su hijo en la que se explica el concepto de orbital en el modelo cuántico de átomo.)

2

3

Querido Sergio: Ya sabes que del átomo ha habido varios modelos a lo largo de la historia. Puesto que no podemos "ver" los átomos (ahora con los nuevos microscopios de efecto túnel, casi sí) hemos tenido que lanzar modelos hipotéticos que se iban manteniendo mientras eran capaces de explicar los comportamientos de la materia, o no se encontraban contradicciones fuertes.

Los primeros modelos, se dice que son clásicos porque trataban de explicar el funcionamiento del átomo con esquemas clásicos, desde la Mecánica Clásica, que es la que desarrolló Newton en el siglo XVII. La Mecánica estudia el movimiento. Y la Mecánica clásica es la que todavía hoy seguimos considerando cuando estudiamos el movimiento de cuerpos macroscópicos. Dentro de la Mecánica clásica el espacio y el tiempo son conceptos absolutos, es decir, cualquier observador, desde cualquier sistema de referencia, podría ponerse de acuerdo con otro acerca de cuanto mide una distancia o qué tiempo ha transcurrido entre dos sucesos. Ambos medirán lo mismo. Además desde la Mecánica clásica se considera que podemos conocer todas las magnitudes de un móvil a la vez, sin que eso suponga ningún problema. Así podemos medir (conocer) la posición y la velocidad de un móvil, en cualquier (en todo) instante. Cuando conoces la velocidad y la posición de un móvil en todo instante, sabes su trayectoria, sabes por dónde pasa. El concepto de trayectoria sólo puede aplicarse desde la Mecánica clásica.

Pero a principios de siglo se empiezan a detectar ciertas anomalías en el comportamiento de las partículas microscópicas como si no respondieran al comportamiento esperado desde una visión clásica. Saltándome muchos pasos te diré que se elabora una nueva teoría la Mecánica Cuántica [Además de estas dos está la Mecánica Relativista, de Einstein, aplicable a cuerpos que van a gran velocidad ], para explicar el movimiento de las partículas elementales - que forman los átomos-. En esta teoría rige lo que se llama el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, que dice que es imposible conocer a la vez dos magnitudes de las llamadas conjugadas. Por ejemplo, son conjugadas la posición y la velocidad.

Para que tengas una visión intuitiva de lo que esto puede significar piensa en lo siguiente. Si quieres saber dónde está un electrón necesitas iluminarlo, darle una energía que te permita detectarlo. Pero al hacerlo aunque sea con un aporte pequeñísimo de energía, el resultado es como si le hubieras dado una "coz" al electrón, pues cualquier energía por pequeña que sea afectará a su velocidad. Por

4

tanto, si mides su posición -dónde está- afectas, modificas su velocidad. Y si quieres medir su velocidad tiene que ser haciéndole pasar por un detector, es decir, modificando su posición inicial espontánea. De este modo tenemos que concluir que no es posible medir a la vez la posición y la velocidad del electrón, o de cualquier partícula subatómica.

Consecuencias para el modelo del átomo En los modelos clásicos se habla de trayectoria (conjunto de puntos por los que "pasa" el electrón). Trayectoria ovoide, trayectoria circular... Son modelos pensados como analogías de un sistema planetario. Los electrones, igual que los planetas, girando en torno al núcleo, que hace el papel del Sol. Al girar siguen trayectorias definidas que llamamos órbitas. Por tanto, una órbita es una trayectoria por dónde se mueve el electrón. Hablar de órbitas implica que se puede saber en cualquier instante dónde está el electrón y qué velocidad lleva.

Ahora bien, en el modelo mecano-cuántico (basado en la Mecánica Cuántica), que es el que mejor explica el comportamiento de las sustancias, no tiene sentido hablar de trayectoria, ni por tanto de órbitas, pues la teoría parte de la imposibilidad de conocer a la vez la posición y la velocidad. Se habla entonces de orbital.

Un orbital es una zona en la que existe una alta probabilidad de que esté el electrón. Desde este modelo, que es indeterminista, no se puede asegurar dónde se halla el electrón. Se habla de alta o baja probabilidad de su presencia. (Ej. el Instituto es un orbital para los alumnos, por la mañana, porque, aunque pueden hacer pirola, existe una alta probabilidad de que se encuentren allí). En el caso del átomo, y como hay muchos electrones, hay diversas zonas u orbitales para cada átomo. Unos más cerca del núcleo - los que poseen menos energía-, otros más lejos -los que tienen más energía y pueden "huir" de la atracción positiva del núcleo- A veces se dice que los electrones se sitúan por capas y dentro de cada capa hay varios orbitales. Esto ya no trates de imaginarlo espacialmente. Sólo es un modo de hablar y está relacionado con otra imposibilidad postulada por la Mecánica cuántica. Es la siguiente: no todos los valores energéticos son posibles para el electrón. Sólo algunos. Se dice que la energía del electrón está cuantizada (va a saltos) (contar de 1 en 1 es contar "a saltos" pues entre dos números enteros hay infinitos valores posibles).

5

Para comprender lo anterior piensa en el átomo como en una estructura de pisos o niveles (la mayor parte del espacio del átomo está VACIO). Como el núcleo tiene cargas positivas, los electrones (negativos) podrán moverse en zonas más alejadas en la medida en que posean más energía. Por eso las capas o niveles más bajas, son los menos energéticos y los altos los más. Pero si pensamos en la altura de un piso como análogo a la energía de un electrón, no todas las alturas son posibles.

Sólo determinados pisos o valores de la energía son posibles estados del electrón (esto es equivalente a decir que la energía del electrón está cuantizada) [Que esta explicación, de la energía cuantificada, es correcta lo prueba el hecho de que cuando un material previamente excitado (iluminado, calentado...) se enfría, emite energía - la que pierde- pero no cualquier energía, no luz blanca -que posee todos los valores de las longitudes de onda -concepto ligado a la energía- , sino luces de colores, unas rayas y no otras, espectro de un átomo, conjunto de luces que emite, carnet de identidad de los átomos].

Y de estas nociones, de esta teoría, se deriva toda esa maraña arquitectónica de capas, subcapas y orbitales, que en realidad te está diciendo posibles estados (o zonas de mayor probabilidad) para los electrones. Se llama CONFIGURACION ELECTRONICA de un átomo. La configuración electrónica de un átomo 2 determinado, el He, por ejemplo, es 1s . Esto quiere decir que tiene sus dos electrones en el orbital s (me dice que la forma de la zona de máxima probabilidad de encontrar al electrón es esférica), de la capa 1 (la de energía más baja).

En resumen y medio en broma, los electrones en un átomo se mueven por dónde les da la gana, pero si hiciéramos 100 fotografías instantáneas a la búsqueda de un determinado electrón, 90 veces lo pillaríamos en "su" orbital, es decir, en su zona de máxima probabilidad de presencia. ¿De acuerdo?

¿O.K? FIN