Tema1. La ecuación de Schrödingeren casos sencillos
Introducción general al tema
En este tema se hace una introducción a la Macánica Cuántica, que es la herramienta teórica que la Física ha creado para interpretar las propieades del mundo microscópico. Se hace una justificación de la ecuación de Schrödinger y se aplica a unos pocos casos sencillos y paradigmáticos.
Esquema
La ecuación de Schrödinger y su justificación. Probabilidades y normalización.
Probabilidad y normalización.
La partícula libre y en los pozos de potancial de una y dos dimensiones.
El oscilador armónico.
Este tema se puede preparar con el capítulo 5 del libro de referencia estudiándolo desde el principio hasta el apartado 5.5 inclusive.
Tema 2. El modelo cuántico de los átomos hidrogenoides
Introducción general al tema
En este tema se presentan las principales propiedades del átomo y la herramienta teórica (Mecánica Cuántica) que la Física ha creado para interpretarlas. Se inicia el tema con algunas precisiones sobre el tamaño, la masa y la carga de las partículas que lo constituyen, haciendo énfasis en su estabilidad como sistema aislado y mostrando diversos experimentos a partir de los cuales se ha podido conocer su estructura. Se termina el tema con la aplicación de la Mecánica Cuántica a la interpretación de las propiedades más importantes del átomo de hidrógeno, en particular a la existencia de momentos angulares orbitales y niveles energéticos cuantificados.
Esquema
Propiedades básicas de los átomos.
Relación carga/masa del electrón. El modelo de Thomson.
Desviación de partículas alfa por los átomos. El modelo de Rutherford.
Líneas espectrales. El modelo de Bohr. Niveles atómicos cuantificados.
Confirmación de la existencia de niveles cuantificados: el experimento de Franck-Hertz.
La ecuación de Schrödinger y su justificación. Aplicación al átomo de Hidrógeno. Números cuánticos. Orbitales atómicos.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Este tema se pude preparar estudiando primeramente el capítulo 6 del libro de referencia y finalizando en el capítulo 7 en el parágrafo 7.4 (incluido).
Tema 3 La estructura fina de los niveles atómicos
Introducción general al tema
Una vez establecido el modelo del átomo de manera general, se estudian más detalladamente los números cuánticos que surgen de la interpretación teórica. Se añade a ellos el espín electronico como un número cuántico nuevo que no tiene equivalencia clásica. Esto permite interpretar el desdoblamiento de niveles en el seno de un campo magnético externo al átomo y analizar la influencia del espín electrónico sobre ellos.
Esquema
Números cuánticos y notación espectroscópica.
El átomo en un campo magnético externo: experimento de Stern y Gerlach. Descubrimiento del espín del electrón. El magnetón de Bohr.
Efecto Zeeman normal. Desdoblamiento de niveles atómicos.
Influencia del espín electrónico. Efecto Zeeman anómalo: Estructura fina.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Este tema se estudia en el capítulo 7 del libro de referencia desde el parágrafo 7.5 (incluido) hasta el final.
Tema 4. Átomos con varios electrones
Introducción general al tema
Conocida la existencia del espín electrónico se estudia lo que sucede cuando en un átomo hay varios electrones, introduciendo el principio cuántico de exclusión de Pauli, que permite establecer la configuración electrónica de los distintos niveles energéticos que se pueden dar en un átomo y desarrollar el modelo de capas y subcapas sobre dichos niveles.
Esquema
Los cuatro números cuánticos y el principio de exclusión de Pauli.
Estados electrónicos en átomos de varios electrones.
El modelo de capas.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Este tema se puede estudiar en los parágrafos 8.1 y 8,2 del capítulo 8 del libro de referencia.
Tema 5. El sistema periódico de los elementos
Introducción general al tema
Establecido el modelo de capas del átomo se pueden proporcionar una serie de reglas para construir el sistema periódico de los elementos químicos, agrupándolos con arreglo a la distribución electrónica de sus niveles. Esto permite interpretar algunas de sus propiedades físicas y químicas.
Esquema
Reglas para construir la tabla periódica de los elementos químicos.
Configuración electrónica de los elementos.
Las propiedades de los elementos químicos y la teoría atómica: radio atómico, energía de ionización, resistividad electrica, susceptibilidad magnética,...
Grupos de elementos de la tabla periódica y sus propiedades.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Esto se puede estudiar en los parágrafos 8.3 y 8.4 del libro de referencia.
Tema 6. Transiciones ópticas. Espectros atómicos
Introducción general al tema
En este tema se profundiza sobre la manera obtener la estructura energética de los niveles atómicos. Mediante la absorción y emisión de la luz (espectroscopía óptica) se pueden determinar las diferencias de energía entre los estados estacionarios de los átomos y, de esa manera, construir (en primera aproximación) el esquema de niveles del átomo en ausencia de campos externos. En este tema es necesario familiarizarse con los órdenes de magnitud de las energías y de las frecuencias involucradas en las transiciones atómicas de absorción y emisión de la luz visible. También se estudia el mecanismo de emisión estimulada, que es es muy importante tanto para la luz como para el infrarrojo y otras ondas de más baja frecuencia.
Esquema
Los espectros ópticos y las transiciones dipolares eléctricas.
Suma de momentos angulares orbitales.
Reglas de selección.
La emisión estimulada y el láser.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Este tema se puede estudiar en los parágrafos 8.6, 8.7 y 8.8 del libro de referencia.
Tema 7. Las capas atómicas internas y los rayos X
Introducción general al tema
Para estudiar las capas más profundas de los átomos se utilizan los rayos X, cuya producción se aborda en este tema. El estudio de la interacción de los rayos X con los átomos permite determinar su número atómico Z mediante la ley de Moseley, lo que ha supuesto un gran avance para la Física Atómica.
Esquema
Los rayos X y su espectro.
Interacción de los rayos X con los átomos.
Determinación del número atómico Z. Ley de Moseley.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Este tema pude estudiarse en los parágrafos 3.5 del capítulo 3 y 8.5 del capítulo 8 del libro de referencia.
Tema 8. El enlace químico: los orbitales moleculares de moléculas sencillas
Introducción general al tema
Conocida la estructura del átomo aislado se puede abordar la de átomos asociados entre sí mediante enlace químico. Se estudian en este tema algunas moléculas sencillas utilizando los orbitales atómicos de los átomos individuales que las componen para establecer los orbitales moleculares correspondientes. Esto permite interpretar los espectros moleculares de absorción o emisión, especialmente en su interacción con la luz infrarroja.
Esquema
La molécula del ion hidrógeno. Combinación de orbitales atómicos. Orbitales moleculares.
Molécula de hidrógeno. Enlace covalente.
El enlace iónico: halogenuros alcalinos y moléculas biatómicas.
Niveles moleculares de vibración y rotación. Espectros moleculares.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Este tema puede estudiarse en el capítulo 9 del libro de referencia.
Tema 9. Constituyentes nucleares. Estructura nuclear
Introducción general al tema
Cada vez son mayores las aplicaciones médicas en las que se usa algún proceso nuclear, por lo que es imprescindible conocer la estructura nuclear para posteriormente comprender los procesos de emisión radiactiva y en otras asignaturas los procesos de interacción de la radiación con la materia.
Esquema
Composición del núcleo. Nucleones.
Nomenclatura nuclear. Isótopos.
Tamaño y radio nuclear.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Este tema se puede estudiar con los apartados 12.1, 12.2 del texto base, completándolos con los apuntes sobre radiaciones ionizantes (8.1).
Tema 10. Fuerza nuclear fuerte. Estabilidad nuclear
Introducción general al tema
Una magnitud que es característica de cada isótopo e indica la estabilidad o no de un núcleo es la energía de enlace, relacionada con la masa nuclear. Para entender la energía de enlace y por qué existen núcleos estables y por qué algunos no son estables se hace preciso conocer la existencia de la fuerza nuclear fuerte.
Esquema
Masas nucleares y energía de enlace.
La fuerza nuclear fuerte.
Estabilidad nuclear.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Este tema se puede estudiar con los apartados 12.3, 12.4 del texto base, completándolos con los apuntes sobre radiaciones ionizantes (8.1).
Tema 11. Radiactividad. Ley de desintegración radiactiva
Introducción general al tema
Una vez entendido por qué algunos núcleos no son estables, debemos saber en que procesos se puede llegar a alcanzar la estabilidad. Cuando un núcleo no es estable tiende a desintegrarse por un proceso al que denominamos radiactivo y en el que se pueden emitir partículas o radiación electromagnética. Estos procesos radiactivos se representan por medio de los esqumas de desintegración. Son estas partículas y/o radiación las que producirán los efectos que luego se aprovechan en las aplicaciones médicas.
Esquema
Desintegración radiactiva.
Ley de desintegración radiactiva.
Periodo de semidesintegración.
Actividad.
Cadenas radiactivas.
Balance energético de una desintegración radiactiva.
Espectros energéticos.
Esquemas de desintegración.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Este tema se puede estudiar con los apartados 12.5, 12.6 del texto base, completándolos con los apuntes sobre radiaciones ionizantes (8.2 y 8.3).
Tema 12. Tipos de emisiones radiactivas
Introducción general al tema
Hay tres tipos básicos de desintegración radiactiva. En dos primeros (alfa y beta) se emiten partículas cargadas y en el tercero radiación electromagnética, en general de mayor energía que los rayos X.
Esquema
Emisión de partículas cargadas.
Desintegración alfa.
Desintegración beta.
Desintegración beta-
Desintegración beta+. Captura electrónica.
Emisión de radiación electromagnética.
Emisión gamma.
Aniquilación de positrones.
Cadenas radiactivas naturales.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Este tema se puede estudiar con los apartados 12.7, 12.8, 12.9, 12.10 del texto base, completándolos con los apuntes sobre radiaciones ionizantes (8.3 y 10.1).
Tema 13. Reacciones nucleares. Aplicaciones
Introducción general al tema
Además de obtener emisiones radiactivas mediante procesos de desintegración nuclear, también se producen mediante reacciones nucleares. Una de las aplicaciones más importantes de las reacciones nucleares es la producción de energía, aunque em medicina también tiene cada vez mayor aplicación.
Esquema
Mecanismos de producción de una reacción nuclear. Nomenclatura.
Tipos de reacciones nucleares.
Leyes de conservación.
Producción de radioisótopos mediante reacciones nucleares.
Cinemática de las reacciones nucleares.
Aplicaciones energéticas. Fisión y fusión.
Otras aplicaciones. Aplicaciones médicas.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Este tema se puede estudiar en el capítulo 13 del texto base, aunque los apartados dedicados a fisión (13.4) y fusión (13.5) están más desarrollados que lo deseable para este curso, con la comprensión de los mecanismos de producción de estas dos reacciones y su realción con la obtención de energía sería suficiente. De las otras aplicaciones, evidentemente para un curso de estas características las más interesantes y en las que se debe profundizar más son las aplicaciones médicas. Se puede completar con los apuntes sobre radiaciones ionizantes (8.5) y (10.2).
Tema 14. Instroducción a la física de partículas
Introducción general al tema
En un curso de estas características no podía faltar un tema dedicado a las partículas elementales que son los constituyentes básicos de la materia, que están teniendo cada vez más aplicaciones en el campo de la medicina.
Esquema
Las cuatro interacciones fundamentales.
Partículas y antipartículas.
Las familias de partículas.
Desintegraciones y reacciones de partículas. Energética.
Leyes de conservación.
Introducción al modelo de quarks.
Aplicaciones.
Orientaciones sobre los contenidos del tema
Este tema se puede estudiar en el capítulo 14 del texto base, aunque en algunos apartados tiene un nivel más elevado del que interesa para este curso. Se colgarán en la plataforma virtual unas fotocopias de material elaborado por el equipo docente que servirán para fijar los conceptos básicos necesarios.
