El átomo de Kelvin-Thomson

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Electromagnetismo

Campo eléctrico
La ley de Coulomb
El motor de Franklin
Campo y potencial de
una carga puntual
Campo y potencial
de dos cargas
Dipolo eléctrico
Línea de cargas.
Ley de Gauss.
marca.gif (847 bytes)Modelo atómico de
  Kelvin-Thomson
La cubeta de Faraday.
Conductores
Generador de
Van de Graaff
Carga inducida en un
conductor
Esfera conductora en un
campo uniforme
Un péndulo que descarga
un condensador.
Condensador plano-
paralelo
Condensador cilíndrico
Condensador con un
dieléctrico.
Fuerza sobre un 
dieléctrico
Carga y descarga de un
condensador
Medida de la velocidad
de una bala
Campo eléctrico de una distribución esférica y uniforme de carga

Potencial a una distancia r del centro de la esfera cargada

Energía potencial de una distribución de cargas

Energía total del átomo de Kelvin-Thomson

Movimiento del electrón en el átomo de Kelvin-Thomson

java.gif (886 bytes)Actividades

 

Actualmente, los libros de texto no suelen mencionar el átomo de Kelvin-Thomson. Sin embargo, durante el periodo que va de 1902 a1906 tuvo bastante éxito, hasta que Rutherford demostró que este modelo no podía explicar la dispersión de las partículas alfa por los átomos de una lámina de oro.

Este modelo simple de átomo explicaba bastante bien la valencia química, la emisión de partículas b por los núcleos de elementos radioactivos, etc.

El aspecto didáctico más importante es la aplicación de la ley de Gauss a una distribución esférica y uniforme de carga, y describir el movimiento oscilatorio de los electrones en dicho átomo.

Consideramos el modelo más simple, un átomo o ion hidrogenoide con un solo electrón. Suponemos que el átomo tiene forma esférica de radio R, y que la carga positiva Q está uniformemente distribuida en dicha esfera.

 

Campo eléctrico de una distribución esférica y uniforme de carga

El teorema de Gauss afirma que el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual al cociente entre la carga en el interior de dicha superficie dividido entre e0.

Para una distribución uniforme de carga indefinida cargada, la aplicación del teorema de Gauss requiere los siguientes pasos:

1.-A partir de la simetría de la distribución de carga, determinar la dirección del campo eléctrico.

La distribución de carga tiene simetría esférica luego, la dirección del campo es radial

thomson.gif (2358 bytes) 2.-Elegir una superficie cerrada apropiada para calcular el flujo

Tomamos como superficie cerrada, una esfera de radio r.

El campo eléctrico E es paralelo al vector superficie dS, y el campo es constante en todos los puntos de la superficie esférica como se ve en la figura, por lo que,

El flujo total es por tanto; E4p r2

3. Determinar la carga que hay en el interior de la superficie cerrada

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  • Para r<R. (figura de la izquierda)

Si estamos calculando el campo en el interior de la esfera uniformemente cargada, la carga en el interior de la superficie esférica de radio r es una parte de la carga total (en color rosado), que se calcula multiplicando la densidad de carga por el volumen de la esfera de radio r.

  • Para r>R (figura de la derecha)

Si estamos calculando el campo en el exterior de la esfera uniformemente cargada, la carga en el interior de la superficie esférica de radio r es la carga total q=Q.

4.-Aplicar el teorema de Gauss y despejar el módulo del campo eléctrico

Se obtiene

El campo en el exterior de una esfera cargada con carga Q, tiene la misma expresión que el campo producido por una carga puntual Q situada en su centro.

 

Potencial a una distancia r del centro de la esfera cargada

Se denomina potencial en un punto P a una distancia r del centro de la esfera cargada V(r) a la diferencia de potencial existente entre el punto P y el infinito V(r)-V(¥ ). Por convenio se establece en el infinito el nivel cero de energía potencial.

thomson2.gif (2957 bytes)

  • Si r>R. Para hallar el potencial en un punto P que está fuera de la esfera cargada basta hallar el área sombreada (figura de la derecha)

  • Para r<R. Para calcular el potencial en un punto P, en el interior de la esfera cargada, es necesario calcular dos áreas, por ser la función que describe la dependencia del campo E en r, discontinua en el punto r=R. (figura de la izquierda)

 

Energía de ionización

La energía de ionización, es la energía mínima necesaria para sacar al electrón situado en el origen de la esfera cargada hasta el infinito.

Para un átomo con un electrón q=Q=e=1.6 10-19 C. R» 10-10 m. W1=3.456 10-18 J=21.6 eV.

Que es algo mayor que la energía de ionización del electrón en un átomo de hidrógeno en el estado fundamental, 13.6 eV.

 

Energía potencial de una distribución de cargas

Vamos a calcular ahora la energía necesaria para formar la distribución uniforme de carga positiva. O bien, la energía que se liberaría cuando la distribución uniforme de carga positiva explotase de modo que cada parte de ella estuviese a una distancia infinita de la otra.

Determinaremos la expresión de la energía de un sistema de tres cargas, y la generalizamos para una distribución continua de carga.

Consideremos un sistema de tres cargas puntuales fijas q1, q2 y q3, tal como se indica en la figura.

thomson3.gif (3053 bytes)

                
 

La energía de este sistema U vale

Llamando V1 al potencial producido por las cargas q2 y q3 en la posición que ocupa q1. La energía de la carga q1 en el campo producido por las otras dos es

Análogamente, llamando V2 al potencial producido por las cargas q1 y q3 en la posición que ocupa q2. La energía de la carga q2 en el campo producido por las otras dos es

Del mismo modo, llamando V3 al potencial producido por las cargas q1 y q2 en la posición que ocupa q3. La energía de la carga q3 en el campo producido por las otras dos es

Sumando estas tres contribuciones obtenemos el doble de la energía del sistema de partículas

Energía de la esfera cargada

Volviendo de nuevo a la esfera uniformemente cargada el potencial Vi se sustituye por el potencial en la posición r, V(r) que hemos calculado previamente.

La carga qi se sustituye por la carga que hay en la capa esférica comprendida entre r y r+dr. El volumen de dicha capa esférica es 4p r2dr, y la carga que hay en este volumen vale (densidad de carga por volumen)

La energía vale entonces

 

Energía total del átomo de Kelvin-Thomson

La energía total de nuestro modelo de átomo de hidrógeno Q=q=e, es la diferencia entre dos energías: la energía necesaria para formar la distribución uniforme de carga positiva W2, y la energía necesaria para sacar el electrón de la atracción de dicha carga W1 (energía de ionización)

 

Movimiento del electrón en el átomo de Kelvin-Thomson

Supongamos que el electrón se puede mover libremente en el interior de la distribución esférica de carga positiva. En un instante dado, se encuentra a una distancia x del centro de dicha distribución.

Aplicando la ley de Gauss (r<R) hemos obtenido la expresión del campo eléctrico creado por la distribución de carga positiva a la distancia r=x del centro. Dicho campo tiene dirección radial y sentido hacia afuera.

thomson4.gif (2687 bytes) La fuerza sobre electrón es el producto de la carga por el campo. Tiene dirección radial y sentido (atractivo) hacia el centro de la distribución de carga positiva.

Como vemos la fuerza es proporcional al desplazamiento x y de sentido contrario a este. Una clara indicación de que el electrón describirá un M.A.S.

cuya frecuencia angular vale

Para un átomo con un electrón q=Q=e=1.6 10-19 C. R» 10-10 m, y m=9.1 10-31 kg. Se obtiene u =2p w =2.53 1015 Hz. Cuando un electrón pasa del primer estado excitado al estado fundamental emite radiación de frecuencia 2.47 1015 Hz. Como vemos la frecuencia de su movimiento es del orden de las frecuencias del espectro de hidrógeno.

Un problema completamente análogo es el movimiento de un cuerpo a lo largo de un túnel excavado en la Tierra, supuesta una distribución esférica y uniforme de masa. Se sugiere al lector que calcule el periodo del movimiento de dicho cuerpo. La respuesta es 84.5 minutos.

Datos: masa de la Tierra M=5.98·1024 kg, radio de la Tierra R=6.37·106 m, constante G=6.67·10-11 en S.I.

 

Actividades.

En este applet se muestra como un electrón (círculo de color azul) describe un M.A.S. en el interior de una distribución esférica y uniforme de carga positiva.

Introducimos la posición inicial del electrón en el intervalo (-1 a 1 angstrom) y observamos su movimiento pulsando en el botón titulado Empieza.

A la derecha del applet, se representa su posición en función del tiempo. A partir de las medidas efectuadas en la gráfica podemos determinar aproximadamente su periodo. El tiempo obtenido hay que multiplicarlo por el factor de escala 10-15 s.

Como el electrón se suelta en la posición inicial x0 con velocidad nula, la ecuación de su movimiento como puede comprobarse fácilmente es  x=x0cos(w t)

LineasApplet aparecerá en un explorador compatible JDK 1.1