21 de Agosto del 2013
Examen 2, "SPIN"
Bibliografia:
http://investigacion.us.es/scisi/sgi/servicios/rmn
http://www.usc.es/gl/investigacion/riaidt/rm/rmn/introducion.html
http://www.migui.com/ciencias/fisica/el-experimento-de-stern-gerlach-el-descubrimiento-del-espin-del-electron.html
2A. SPIN, ¿Cómo se descubrio?
En 1922 Otto Stern y Walther Gerlach realizaron un experimento que pasaría a ser recordado para siempre como uno de los pasos fundamentales que ayudaron a seguir desgranando el problema que le había estallado a la comunidad científica: la mecánica cuántica.
En el experimento que lleva el nombre de estos dos físicos, que por aquel entonces eran ayudantes de investigación en la universidad, ayudarón a descubrir el espín, tambien llamado movimiento angular intrinseco.
Consiste en lo siguiente. Se calienta una sustancia paramagnética (aquella en la que en presencia de un campo magnético, el momento magnético de sus partículas se alinean con el campo magnético externo, aunque cuando se desconecta el campo, quedan orientados al azar) para que emita un haz de átomos hidrogenoides (es decir, con un electrón en la última capa) eléctricamente neutros todos con la misma velocidad, que iban en trayectoria rectilínea hasta que se topan con un gradiente de campo magnético (es decir, una zona donde existe una variación del campo magnético en zonas donde aumenta y disminuye) del que luego emerge y choca con un detector.
El valor medido del espín es 
o 
.
Como vemos en la imagen, se corresponde con la
proyección del espín sobre el eje vertical (en este caso, Z). El haz se
divide claramente en dos partes diferentes.No resultó fácil llevarlo a cabo, debido a que el haz de átomos de plata era colimado por dos rendijas de 0.03 milímetros, y atravesando el campo magnético de 0.1T de máximo valor y 10T/cm de gradiente se conseguía visualizar tan sólo una separación de 0.01 milímetros. Pese a todo, lograron demostrar sin dejar lugar a dudas que el espín del electrón era una cantidad cuantizada.
Como tal, tiene sentido pensar en él espín como un valor fundamental de la naturaleza que nos dice que el electrón se comporta como un diminuto imán que puede orientar su campo magnético proyectándolo de dos formas: hacia arriba (+1/2) o hacia abajo (-1/2).
¿Cómo medir el espín?
La relación que existente entre el vector momento magnético y el espín es:
donde g se denomina razón giromagnética del electrón, su valor experimental es aproximadamente 2.
Carga del electrón e=1.6·10-19 C, la masa m=9.1·10-31 kg.
Para medir el tamaño del spin se usa la siguente formula: s=
s(s+1).2B.
Orto y para-hidrógeno
El hidrógeno gas normal, en condiciones
ordinarias, es una mezcla de dos clases de moléculas, orto y para-hidrógeno,
que se diferencian en los espines de sus electrones y núcleos.
Los
dos átomos de hidrógeno en una molécula poseen cada uno lo que se denomina
espín nuclear .El valor de mI (momento de I) para el hidrógeno
puede ser +1/2 o -1/2. En el primer caso el hidrógeno se denomina orto mientras
que en el segundo se denomina para. La multiplicidad de espín viene
dada por 2S+1, siendo S = ∑mI , por lo que en el orto-hidrógeno
S = 1 y la multiplicidad es 3. Se dice entonces que es un estado triplemente
degenerado. En el para-hidrogeno S = 0 y la multiplicidad vale uno,
luego no existe degeneración en este estado. El para-hidrógeno
posee menor energía y es el estado más favorable a bajas temperaturas.
La mayoría de las propiedades físicas apenas se afectan
por la isomería del espín nuclear, por ejemplo, el vapor, la capacidad
calorífica o la conductividad térmica entre otras.aunque la conductividad
térmica del p-H2 es
el 50% mayor que la del o-H2.
En condiciones normales de presión y temperatura el hidrógeno gaseoso contiene aproximadamente un 25% de la forma para y un 75% de la forma orto, también conocida como "forma normal".La relación del equilibrio entre orto - hidrógeno y para - hidrógeno depende de la temperatura, pero puesto que la forma orto es un estado excitado, y por tanto posee una energía superior, es inestable y no puede ser purificada. A temperaturas muy bajas, el estado de equilibrio está compuesto casi exclusivamente por la forma para. Las propiedades físicas del para - hidrógeno puro difieren ligeramente de las de la forma normal (orto). La distinción entre formas orto / para también se presenta en otras moléculas o grupos funcionales que contienen hidrógeno, tales como el agua o el metileno.
Una forma molecular llamada "hidrogeno molécular protonado", H3+, se encuentra en el medio interestelar, donde se genera por la ionización del hidrógeno molecular provocada por los rayos cosmicos. También se ha observado en las capas superiores de la atmósfera de Jupiter esta molécula es relativamente estable en el medio del espacio exterior debido a las bajas temperaturas y a la bajísima densidad. El H3+ es uno de los iones más abundantes del universo, y juega un papel notable en la química del medio interestelar
2C. Resonancia magnetica nuclear.
La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es la herramienta analítica que proporciona mayor información estructural y estereoquímica en un tiempo asequible. La técnica no es destructiva y tiene aplicaciones en todas las áreas de la Química y en algunas de la Biología. Disponiendo de accesorios adecuados permite la observación de tejidos (accesorio de microimagen). Con otros tipos de instrumentos es una técnica de diagnóstico en Medicina.
La Resonancia Magnética Nuclear es una espectroscopia de absorción cuyo fundamento es la absorción de energía (radiofrecuencias) por un núcleo magnéticamente activo, que está orientado en el seno de un campo magnético, y que por efecto de esa energía cambia su orientación. Las partes fundamentales de un espectrómetro de RMN son un imán, actualmente una bobina superconductora, que suministra el campo magnético principal, un oscilador de radiofrecuencias que suministra la energía necesaria para cambiar la orientación de los núcleos, una bobina detectora que recibe las señales y un sistema informatizado que gobierna todo el aparato y que incluye un sistema de amplificación y registro. Entre los núcleos más frecuentes en los compuestos orgánicos son magnéticamente activos el protón (1H), carbono (13C), nitrógeno (15N), fósforo (31P) y flúor (19F).
Los espectros más comunes son representaciones de la intensidad de absorción frente a la frecuencia de resonancia (generalmente a través del parámetro δ) y presentan señales cuya posición, forma y tamaño están íntimamente relacionadas con la estructura molecular. El análisis detallado de estos espectros proporciona valiosa información estructural y estereoquímica.
De particular interés para la Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es el espín de los protones y neutrones del núcleo atómico. En el núcleo atómico, cada protón se pueden aparear con otro protón con espín antiparalelo (algo análogo a lo que sucede con los electrones en los enlaces químicos). Los neutrones también pueden hacerlo. Los pares de partículas que resultan de combinar un espín de signo positivo con otro negativo, da como resultado un espín neto de valor cero. Por esta razon nucleos con número de protones y neutrones impar dan lugar a un espín neto, donde el número de desapareamientos contribuye con ½ al total del número cuántico de espín nuclear, denominado I. Por tanto, entre los elementos de la Tabla Periódica, cada isótopo de un determinado átomo, dependiendo de cual sea el número de protones y neutrones del núcleo, va a tener un determinado valor de I.
Los isótopos con I = 0 son inactivos a la RMN, los isótopos con I= 1/2 tienen una distribución esférica de carga en el núcleo mientras que los isótopos con I >= 1 no tienen una distribución de carga esférica en el núcleo, son cuadrupolares. Cuando I no es nulo, el núcleo tiene un momento angular de espín y un momento magnético asociado , µ, que depende de la dirección del espín. En los experimentos de RMN modernos lo que se hace es manipular el momento magnético.
En mi opinión este tema es de suma importancia debido a que todo lo que tiene que ver con el spin y campo magnetico esta implicito en la química, en el texto se muestra un ejemplo la RMN en la que se manipulan los spines para lograr obtener las imagenes.
En si el descubrimiento del spin en mi opinión es uno de los logros mas importantes por que dio cabida a entrar mas a fondo en el tema y comprender mas acerca de las moleculas paramagneticas y diamagneticas de los elementos. La estereoquímica como ya se menciono es una de las partes de la quimica que esta mas apegado con este tema de los spines y el campo magnetico.
