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Ficha temática

Química 1º Medio: Naturaleza Dual de la Materia y Principio de Incertidumbre de Heinsenberg

NATURALEZA DUAL DE LA MATERIA Y PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEINSENBERG

NATURALEZA DUAL DEL ELECTRÓN  

La primera teoría del átomo que incluye la cuantización de la energía, fue la teoría propuesta por Niels Bohr, donde el electrón de un átomo esta restringido a desplazarse solamente por orbitas fijas y definidas con valores de energía cuantizados: como 1, 2, 3, 4, etc. Con el surgimiento de la teoría de Bohr, los científicos se cuestionaron ¿porqué se restringe el electrón en una orbita fija? Durante una década, ni el creador de la teoría (Bohr), tuvo una explicación lógica.

Posteriormente en 1924, Louis de Broglie resolvió este enigma!!!, razonando lo siguiente:

…Si las ondas luminosas se pueden comportar como un            

 imagen cientifico

rayo de partículas (fotones), entonces quizás las partículas
subatómicas, como los electrones, pueden poseer
propiedades ondulatorias.

de Broglie postuló que los electrones (Así como otras partículas materiales) tenían un comportamiento dual, es decir actúan como ondas y como partícula al mismo tiempo, pues cualquier partícula que tiene masa y que se mueve a cierta velocidad, podía comportarse además como una onda. Tres años después, en 1927, tres científicos (Davisson, Germer y Thomson (hijo de Joseph Thomson)) demostraron que las partículas denominadas electrones, poseen propiedades ondulatorias, mediante la observación del fenómeno de difracción de un haz de electrones de una muestra, propiedad característica de las ondas.

El microscopio electrónico, que utiliza haz de electrones, es una aplicación de fundamental importancia de la propiedad ondulatoria de los electrones (comportamiento onda-partícula), permitiendo obtener imágenes de estructuras muy pequeñas, como se observa en la figura 3, como células cancerígenas o tumorales, hebra de hilo a través del ojo de una aguja o mosca Tsé-Tsé (produce la enfermedad del sueño, la cual produce en la mayoría de los casos la muerte):

imagen bichos

Sin embargo, la teoría atómica de Bohr no pudo explicar los espectros de emisión de los átomos, ni la aparición de líneas adicionales en el espectro de emisión de hidrogeno, que se observan cuando se aplica un campo magnético. Surgió además otro desacuerdo: ¿Cómo se podría determinar la posición de una onda?

Una de las consecuencias más importantes de la naturaleza dual de la materia es el principio de

 imagen werner
incertidumbre, el cual fue formulado por el físico alemán Werner Heisenberg. El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que es imposible conocer, simultáneamente, la posición y el momento (masa-velocidad) de una partícula. Esto se resuelve a medida que la materia tiene mayor tamaño por la razón masa–velocidad que puede alcanzar.

Por ejemplo, si una pelota de tenis es lanzada por un compañero dentro de una habitación, podrás determinar exactamente su posición y velocidad en un tiempo determinado. Sin embargo, si esta misma experiencia es realizada con la cabeza de un alfiler, la determinación de su posición y velocidad simultáneamente será una tarea bastante más compleja.

Aplicando el principio de incertidumbre al átomo de hidrogeno, se puede evidenciar que el electrón no viaja en una trayectoria bien definida, como pensó Bohr. Si así fuera, se podrían determinar con precisión la posición del electrón (a partir del radio de la orbita) como su momentum (a partir de su velocidad) al mismo tiempo!!!, pero este fenómeno iría en contra del principio de Heisenberg.

Resumiendo, todo lo anteriormente planteado, Niels Bohr hizo una contribución significativa para la comprensión de los átomos y su propuesta, de que la energía atómica esta cuantizada, sigue hasta nuestros días!!!  

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1. DESCRIPCIÓN CURRICULAR

• Eje Temático: “Materia y sus transformaciones”.
• Unidad: Modelo mecano-cuántico.
• Sub-Unidad: Naturaleza dual del electrón y principio de incertidumbre de Heisenberg.

2. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Comprendeque lanaturaleza dual de la materia permite explicar el comportamiento de las partículas sub-atómicas.
• Asocia el comportamiento dual de la materia con fenómenos de la vida cotidiana.
• Relaciona el principio de incertidumbre de Heisenberg con el modelo mecano cuántico del átomo.

 3. RECOMENDACIONES METODOLÓGICAS

Es importante evaluar conceptos previos de los estudiantes. Invítelos a responder las preguntas propuestas por el docente, tales como ¿porqué se restringe el electrón en una orbita fija?, ¿en que consiste el comportamiento dual de la materia?, ¿En que consiste el principio de incertidumbre de Heisenberg?,para luego hacer una puesta en común de sus ideas. Esto le permitirá detectar conocimientos previos de sus estudiantes y aclararlos de ser necesario. Posterior a ello, puede introducir los contenidos de la ficha temática mediante la visualización del material audiovisual disponible en el sitio web de educarchile.

Relacione con los estudiantes las contribuciones previas de los científicos y la evolución de las diferentes teorías atómicas que permitieron a Louis de Brogliepostular que los electrones (Así como otras partículas materiales) tenían un comportamiento dual, es decir actúan como ondas y como partícula al mismo tiempo, pues cualquier partícula que tiene masa y que se mueve a cierta velocidad, podía comportarse además como una onda. Este comportamiento dual tiene como consecuencia el principio de incertidumbre, el cual fue formulado por el físico alemán Werner Heisenberg.

Para un mejor entendimiento y comprensión del Principio de Incertidumbre de Heisenberg, es necesario que el profesor recuerde algunos conceptos de clases anteriores tales como la naturaleza dual de la radiación, la teoría cuántica de Planck y las contribuciones de las primeras teorías atómicas. Estos conceptos pueden ser discutidos en clase, junto con los estudiantes, de modo de percibir la comprensión de los conceptos. Ello, permitirá aclarar, conocer y asociar el Principio de Incertidumbre de Heisenbergcon el comportamiento dual del electrón, como parte constituyente del átomo.

A medida que avancen a través de la ficha temática, ayúdelos a asociar los conceptos más abstractos y complejos, relacionados al comportamiento dual de los electrones,con fenómenos u objetos presentes en nuestro entorno. Por ejemplo, El microscopio electrónico que utiliza haz de electrones, es una aplicación de fundamental importancia de la propiedad ondulatoria de los electrones (comportamiento onda-partícula), permitiendo obtener imágenes de estructuras muy pequeñas. Ello, ha permitido un avance significativo en la investigación científica y medica en las ultimas dos décadas.

Se recomienda hacer un experimento sencillo, en donde el estudiante debe estimar, simultáneamente, la velocidad y posición de una pelota de tenis lanzada dentro de la sala de clases y compararla con la cabeza de alfiler lanzada dentro de la misma sala. El profesor debe guiar a los estudiantes y tener la precaución de lanzar los dos objetos desde el mismo punto y dentro del mismo lugar, para poder comparar las dos situaciones y hacer la analogía con el principio de incertidumbre, el cual establece que es imposible conocer simultáneamente la posición y el momento (masa-velocidad) de una partícula. Esto se resuelve a medida que la materia tiene mayor tamaño por la razón masa–velocidad que puede alcanzar.

Finalmente, evalúe los objetivos de aprendizaje logrados por medio de la actividad al estudiante sugerido en el portal educarchile.

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Información

Técnica

IdiomaEspañol (ES)
Autoreducarchile
Fuenteeducarchile
Clasificación Curricular
NivelSectorUnidad o eje
1° medioQuímicaLa materia y sus transformaciones

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