TEMAS DE FÍSICA

La física química es una subdisciplina de la química y la física que investiga fenómenos físicoquímicos utilizando técnicas de física atómica y molecular y física de la materia condensada . Es la rama de la física que estudia los procesos químicos desde el punto de vista de la física. Mientras que en la interfaz de la física y la química, la física química es distinta de la química física en que se enfoca más en los elementos y teorías característicos de la física. Mientras tanto, la química física estudia la naturaleza física de la química. No obstante, la distinción entre los dos campos es vaga, y los trabajadores a menudo practican en ambos campos durante el curso de su investigación.^[1]

El Departamento de Educación de los Estados Unidos define la física química como "Un programa que se enfoca en el estudio científico de los fenómenos estructurales combinando las disciplinas de la química física y la física atómica / molecular. Incluye instrucción en estructuras heterogéneas, alineación y fenómenos de superficie, teoría cuántica, física matemática. , mecánica estadística y clásica, cinética química, y física láser. "

Lo que hacen los físicos químicos [ editar ]

Los físicos químicos comúnmente investigan la estructura y dinámica de iones , radicales libres , polímeros , agrupaciones y moléculas . Las áreas de estudio incluyen el comportamiento mecánico cuántico de las reacciones químicas , el proceso de solvatación , el flujo de energía inter e intramolecular y entidades individuales como los puntos cuánticos . Los físicos químicos experimentales utilizan una variedad de técnicas espectroscópicas para comprender mejor los enlaces de hidrógeno , la transferencia de electrones , la formación y la disolución de enlaces químicos., reacciones químicas, y la formación de nanopartículas . Los físicos químicos teóricos crean simulaciones de los procesos moleculares analizados en estos experimentos para explicar los resultados y guiar las investigaciones futuras. Los objetivos de la investigación en física química incluyen comprender las estructuras y reacciones químicas a nivel de la mecánica cuántica, dilucidar la estructura y reactividad de los iones y radicales en fase gaseosa , y descubrir aproximaciones precisas para hacer que la física de los fenómenos químicos sea computacionalmente accesible. Los físicos químicos están buscando respuestas a preguntas tales como:

• ¿Podemos probar experimentalmente las predicciones mecánicas cuánticas de las vibraciones y rotaciones de moléculas simples? ¿O incluso las de moléculas complejas (como las proteínas )?
• ¿Podemos desarrollar métodos más precisos para calcular la estructura electrónica y las propiedades de las moléculas?
• ¿Podemos entender las reacciones químicas de los primeros principios?
• ¿Por qué los puntos cuánticos comienzan a parpadear (en un patrón que sugiere una cinética fractal ^{[ cita requerida ]} ) después de absorber los fotones ?
• ¿Cómo se producen realmente las reacciones químicas?
• ¿Cuál es el proceso paso a paso que se produce cuando una molécula aislada se solvata? ¿O cuando todo un conjunto de moléculas se solvata?
• ¿Podemos usar las propiedades de los iones negativos para determinar las estructuras moleculares, comprender la dinámica de las reacciones químicas o explicar la fotodisociación ?
• ¿Por qué una corriente de rayos X blandos elimina suficientes electrones de los átomos en un grupo de xenón para hacer que el grupo explote?

Para otras aplicaciones, vea Plasma .

Plasma

Arriba: los rayos y las luces de neón son generadores comunes de plasma. Abajo a la izquierda: un globo de plasma , que ilustra algunos de los fenómenos de plasma más complejos, incluida la filamentación . Abajo a la derecha: un rastro de plasma del transbordador espacial Atlantis durante el reingreso a la atmósfera de la Tierra , visto desde la Estación Espacial Internacional.

Plasma (de griego antiguo πλάσμα , que significa 'sustancia moldeable' ^[1] ) es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia , y fue descrita por primera vez por el químico Irving Langmuir ^[2] en la década de 1920. ^[3] Consiste en un gas de iones , átomos a los que se les ha retirado parte de sus electrones orbitales y electrones libres . El plasma puede generarse artificialmente calentando o sometiendo un gas neutro a un campo electromagnético fuerte al punto donde una sustancia gaseosa ionizada se vuelve cada vez más conductora eléctricamente.Y los campos electromagnéticos de largo alcance dominan el comportamiento de la materia. ^[4]

El plasma y los gases ionizados tienen propiedades y comportamientos de visualización diferentes a los de los otros estados, y la transición entre ellos es principalmente una cuestión de nomenclatura ^[2] y está sujeta a interpretación. ^[5] Según la temperatura y densidad delentorno , se pueden producir formas de plasma parcialmente ionizadas o totalmente ionizadas. Los signos de neón y los rayos son ejemplos de plasma parcialmente ionizado. ^[6] La ionosfera de la Tierra es un plasma y la magnetosfera contiene plasma en el entorno espacial dela Tierra.. El interior del Sol es un ejemplo de plasma completamente ionizado, ^[7] junto con la corona solar ^[8] y las estrellas . ^[9]

Las cargas positivas en los iones se logran eliminando los electrones que orbitan los núcleos atómicos, donde el número total de electrones eliminados se relaciona con el aumento de la temperatura o la densidad local de otras materias ionizadas. Esto también puede ir acompañado por la disociación de enlaces moleculares , ^[10] aunque este proceso es claramente diferente de los procesos químicos de las interacciones de los iones en líquidos o el comportamiento de los iones compartidos en los metales . La respuesta del plasma a los campos electromagnéticos se utiliza en muchos dispositivos tecnológicos modernos, como televisores de plasma o grabado de plasma .^[11]

El plasma puede ser la forma más abundante de materia ordinaria en el universo , ^[12] aunque esta hipótesis es actualmente tentativa basada en la existencia y propiedades desconocidas de la materia oscura . El plasma se asocia principalmente con estrellas , que se extienden al medio intracluster enrarecido y posiblemente a las regiones intergalácticas .

Historia

La palabra plasma viene de griego antiguo πλάσμα , que significa 'sustancia moldeable' ^[1] o 'jalea', ^[2] y describe el comportamiento de los núcleos atómicos ionizados y los electrones dentro de la región circundante de la plasma. Muy simple, cada uno de estos núcleos está suspendido en un mar de electrones móviles. El plasma se identificó por primera vez en un tubo de Crookes , y así lo describió Sir William Crookes en 1879 (lo llamó "materia radiante"). ^[14] La naturaleza de esta materia de " rayos catódicos " fue identificada posteriormente por el físico británico Sir JJ Thomson en 1897. ^[15]

El término "plasma" fue acuñado por Irving Langmuir en 1928. ^[16] Lewi Tonks y Harold Mott-Smith, quienes trabajaron con Irving Langmuir en la década de 1920, recuerdan que Langmuir utilizó por primera vez la palabra "plasma" en analogía con la sangre. ^[17] [18] Mott-Smith recuerda, en particular, que el transporte de electrones desde los filamentos termiónicos le recordó a Langmuir "la forma en que el plasma sanguíneo transporta los glóbulos rojos y blancos y los gérmenes". ^[19]

Langmuir describió el plasma que observó de la siguiente manera:

" Excepto cerca de los electrodos, donde hay vainas que contienen muy pocos electrones, el gas ionizado contiene iones y electrones en números aproximadamente iguales, de modo que la carga espacial resultante es muy pequeña. Usaremos el nombre plasma para describir esta región que contiene cargas equilibradas de Iones y electrones " . ^[16]

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Propiedades y parametros

Representación artística de la fuente de plasma de la Tierra , que muestra iones de oxígeno, helio e hidrógeno que brotan en el espacio desde regiones cercanas a los polos de la Tierra. El débil área amarilla que se muestra sobre el polo norte representa el gas perdido desde la Tierra hacia el espacio; el área verde es la aurora boreal , donde la energía del plasma regresa a la atmósfera. ^[20]

Definición

El plasma es un estado de la materia en el que una sustancia gaseosa ionizada se vuelve altamente conductora eléctricamente hasta el punto en que los campos eléctricos y magnéticos de gran alcance dominan el comportamiento de la materia. ^[21] [22] El estado del plasma se puede contrastar con los otros estados : sólido , líquido y gas .

El plasma es un medio eléctricamente neutro de partículas positivas y negativas no unidas (es decir, la carga total de un plasma es aproximadamente cero). Aunque estas partículas no están unidas, no son "libres" en el sentido de no experimentar fuerzas. Las partículas cargadas en movimiento generan una corriente eléctrica dentro de un campo magnético, y cualquier movimiento de una partícula de plasma cargada afecta y es afectada por los campos creados por las otras cargas. A su vez, esto gobierna el comportamiento colectivo con muchos grados de variación. ^[10] [23] Tres factores definen un plasma: ^[24] [25]

1. La aproximación de plasma : la aproximación de plasma se aplica cuando el parámetro de plasma,, ^{[26] que}representa el número de portadores de carga dentro de una esfera (llamada esfera de Debye cuyo radio es la longitud de cribado de Debye) que rodea una partícula cargada dada, es suficientemente alta como para proteger la influencia electrostática de la partícula fuera de la esfera. ^[21] [22]
2. Interacciones a granel : La longitud de detección de Debye (definida anteriormente) es corta en comparación con el tamaño físico del plasma. Este criterio significa que las interacciones en la mayor parte del plasma son más importantes que aquellas en sus bordes, donde pueden tener lugar efectos de contorno. Cuando se cumple este criterio, el plasma es cuasineutral. ^[27]
3. Frecuencia de plasma : La frecuencia de plasma de electrones (medición de las oscilaciones de plasma de los electrones) es grande en comparación con la frecuencia de colisión electrón-neutra (frecuencia de medición de las colisiones entre electrones y partículas neutras). Cuando esta condición es válida, las interacciones electrostáticas dominan los procesos de la cinética del gas ordinario. ^[28]

Temperatura

La temperatura del plasma se mide comúnmente en kelvin o en voltios electrónicos y es, informalmente, una medida de la energía cinética térmica por partícula. Generalmente se necesitan altas temperaturas para mantener la ionización, que es una característica definitoria de un plasma. El grado de ionización del plasma está determinado por la temperatura del electrón en relación con la energía de ionización (y más débilmente por la densidad), en una relación llamada ecuación de Saha . A bajas temperaturas, los iones y los electrones tienden a recombinarse en estados unidos (átomos ^[29]) y el plasma eventualmente se convertirá en un gas.

En la mayoría de los casos, los electrones están lo suficientemente cerca del equilibrio térmico como para que su temperatura esté relativamente bien definida; esto es cierto incluso cuando hay una desviación significativa de una función de distribución de energía maxwelliana , por ejemplo, debido a la radiación UV , partículas energéticas o campos eléctricos fuertes . Debido a la gran diferencia en la masa, los electrones llegan al equilibrio termodinámico entre ellos mucho más rápido de lo que lo hacen con los iones o los átomos neutros. Por esta razón, la temperatura de los iones puede ser muy diferente de (generalmente más baja que) la temperatura del electrón. Esto es especialmente común en plasmas tecnológicos débilmente ionizados, donde los iones a menudo están cerca de latemperatura ambiente .

Gases totalmente ionizados (parcialmente) parcialmente (débilmente)

Artículo principal: Grado de ionización.

Ver también: resistividad de Spitzer.

Para que exista plasma, es necesaria la ionización . El término "densidad de plasma" por sí mismo generalmente se refiere a la "densidad de electrones", es decir, el número de electrones libres por unidad de volumen. El grado de ionización de un plasma es la proporción de átomos que han perdido o ganado electrones, y está controlado por las temperaturas de iones y electrones y las frecuencias de colisión electrón-ion frente a electrón-neutro. El grado de ionización,$${\ displaystyle \ alpha}, Se define como $${\ displaystyle \ alpha = {\ frac {n_ {i}} {n_ {i} + n_ {n}}}}, dónde $${\ displaystyle n_ {i}} es la densidad numérica de iones y $${\ displaystyle n_ {n}}Es la densidad numérica de los átomos neutros. La densidad de electrones está relacionada con esto por el estado de carga promedio ^{[ se necesita explicación adicional ]} $${\ displaystyle \ langle Z \ rangle} de los iones a través de $${\ displaystyle n_ {e} = \ langle Z \ rangle n_ {i}}, dónde $${\ displaystyle n_ {e}} Es la densidad numérica de los electrones.

En un plasma, la frecuencia de colisión electrón-ion. $${\ displaystyle \ nu _ {ei}} Es mucho mayor que la frecuencia de colisión electrón-neutra. $${\ displaystyle \ nu _ {en}}. Por lo tanto, con un grado débil de ionización.$${\ displaystyle \ alpha}, la frecuencia de colisión electrón-ion puede ser igual a la frecuencia de colisión electrón-neutra: $${\ displaystyle \ nu _ {ei} = \ nu _ {en}} es el límite que separa a un plasma de estar parcial o totalmente ionizado.

• El término gas completamente ionizado introducido por Lyman Spitzer no significa que el grado de ionización sea la unidad, sino solo que el plasma se encuentra en un régimen dominado por la colisión de Coulomb , es decir, cuando{\ displaystyle \ nu _ {ei}> \ nu _ {en}}, que puede corresponder a un grado de ionización tan bajo como 0.01%. ^[30]
• Un gas ionizado parcial o débilmente significa que el plasma no está dominado por las colisiones de Coulomb, es decir, cuando{\ displaystyle \ nu _ {ei} <\ nu _ {en}}.

La mayoría de los plasmas "tecnológicos" (diseñados) son gases débilmente ionizados.

Plasmas térmicos vs. no térmicos (fríos)

Artículo principal: Plasma no termal.

Ver también: plasma anisotérmico.

Sobre la base de las temperaturas relativas de los electrones, iones y neutros, los plasmas se clasifican como "térmicos" o "no térmicos" (también conocidos como "plasmas fríos").

• Los plasmas térmicos tienen electrones y partículas pesadas a la misma temperatura, es decir, están en equilibrio térmico entre sí.
• Por otro lado, los plasmas no térmicos son gases ionizados que no están en equilibrio, con dos temperaturas: los iones y los neutros permanecen a una temperatura baja (a veces a temperatura ambiente ), mientras que los electrones son mucho más calientes. ($${\ displaystyle T_ {e} \ gg T_ {n}}). ^[31] Un tipo de plasma no térmico común es el gas de vapor de mercurio dentro de una lámpara fluorescente , donde el "gas de los electrones" alcanza una temperatura de 10,000 kelvins mientras que el resto del gas se mantiene apenas por encima de la temperatura ambiente, por lo que la bombilla puede incluso estar Se toca con las manos mientras se opera.

Un caso particular e inusual de plasma no térmico "inverso" es el plasma de muy alta temperatura producido por la máquina Z , donde los iones son mucho más calientes que los electrones. ^[32] [33]

Potencial de plasma

Los rayos como un ejemplo del plasma presente en la superficie de la Tierra: Por lo general, los rayos descargan 30 kiloamperios hasta 100 megavoltios y emiten ondas de radio, luz, rayos X e incluso rayos gamma. ^[34] Las temperaturas del plasma pueden acercarse a 30000 K y las densidades de electrones pueden exceder de 10 ²⁴ m ⁻³ .

Dado que los plasmas son muy buenos conductoreseléctricos, los potenciales eléctricos desempeñan un papel importante. ^{[ aclaración necesaria ]} El potencial promedio en el espacio entre partículas cargadas, independientemente de cómo se pueda medir, se denomina "potencial de plasma" o "potencial de espacio". Si se inserta un electrodo en un plasma, su potencial generalmente estará considerablemente por debajo del potencial del plasma debido a lo que se denomina vaina Debye . La buena conductividad eléctrica de los plasmas hace que sus campos eléctricos sean muy pequeños. Esto da como resultado el importante concepto de "cuasineutralidad", que dice que la densidad de las cargas negativas es aproximadamente igual a la densidad de las cargas positivas en grandes volúmenes de plasma ($${\ displaystyle n_ {e} = \ langle Z \ rangle n_ {i}}), pero en la escala de la longitud de Debye puede haber desequilibrio de carga. En el caso especial de que se formen capas dobles , la separación de carga puede extender algunas decenas de longitudes de Debye. ^{[ cita requerida ]}

La magnitud de los potenciales y los campos eléctricos debe determinarse por medios distintos a la simple búsqueda de la densidad de carga neta . Un ejemplo común es asumir que los electrones satisfacen la relación de Boltzmann :

$${\ displaystyle n_ {e} \ propto e ^ {e \ Phi / k_ {B} T_ {e}}.}

La diferenciación de esta relación proporciona un medio para calcular el campo eléctrico a partir de la densidad:

$${\ displaystyle {\ vec {E}} = (k_ {B} T_ {e} / e) (\ nabla n_ {e} / n_ {e}).}

Es posible producir un plasma que no sea cuasineutral. Un haz de electrones, por ejemplo, tiene solo cargas negativas. La densidad de un plasma no neutro generalmente debe ser muy baja, o debe ser muy pequeña, de lo contrario, será disipada por la fuerza electrostática repulsiva . ^[35]

En los plasmas astrofísicos , la detección de Debye evita que los campos eléctricos afecten directamente el plasma en grandes distancias, es decir, más que la longitud de Debye . Sin embargo, la existencia de partículas cargadas hace que el plasma genere y se vea afectado por los campos magnéticos . Esto puede y causa un comportamiento extremadamente complejo, como la generación de capas dobles de plasma, un objeto que separa la carga en unas pocas decenas de longitudes de Debye . La dinámica de los plasmas que interactúan con campos magnéticos externos y autogenerados se estudian en la disciplina académica de la magnetohidrodinámica . ^[36]

Magnetización

Se dice que el plasma con un campo magnético lo suficientemente fuerte como para influir en el movimiento de las partículas cargadas está magnetizado. Un criterio cuantitativo común es que una partícula en promedio completa al menos un giro alrededor del campo magnético antes de hacer una colisión, es decir,{\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {ce}} / v _ {\ mathrm {coll}}> 1}, dónde $${\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {ce}}} Es la "girofrecuencia de electrones" y $${\ displaystyle v _ {\ mathrm {coll}}}es la "tasa de colisión de electrones". A menudo ocurre que los electrones están magnetizados mientras que los iones no lo están. Los plasmas magnetizados son anisotrópicos , lo que significa que sus propiedades en la dirección paralela al campo magnético son diferentes de las perpendiculares a él. Mientras que los campos eléctricos en los plasmas suelen ser pequeños debido a la alta conductividad, el campo eléctrico asociado con un plasma que se mueve en un campo magnético viene dado por$${\ displaystyle \ mathbf {E} = -v \ times \ mathbf {B}} (dónde $${\ displaystyle \ mathbf {E}} es el campo eléctrico, $${\ displaystyle \ mathbf {v}} es la velocidad, y $${\ displaystyle \ mathbf {B}}es el campo magnético), y no se ve afectado por el blindaje Debye . ^[37]

Comparación de las fases de plasma y gas.

El plasma es a menudo llamado el cuarto estado de la materia después de los sólidos, líquidos y gases, a pesar de que el plasma es típicamente un gas ionizado. ^{[38] [39] [40]} Es distinto de estos y otros estados de materia debaja energía . Aunque está estrechamente relacionado con la fase gaseosa en que tampoco tiene una forma o volumen definidos, difiere de varias maneras, incluidas las siguientes:

Propiedad	Gas	Plasma
Conductividad eléctrica	Muy bajo : el aire es un excelente aislante hasta que se descompone en plasma a una intensidad de campo eléctrico superior a 30 kilovoltios por centímetro. [41]	Generalmente muy alto : para muchos propósitos, la conductividad de un plasma puede tratarse como infinita.
Especies de actuación independiente	Uno : todas las partículas de gas se comportan de manera similar, influenciadas por lagravedad y por las colisionesentre sí.	Dos o tres : los electrones , los iones , los protones y losneutrones se pueden distinguir por el signo y el valor de sucarga, de modo que se comportan de manera independiente en muchas circunstancias, con diferentes velocidades y temperaturas, permitiendo fenómenos como los nuevos tipos de ondas e inestabilidades .
Distribución de velocidad	Maxwelliano : las colisiones generalmente conducen a una distribución de la velocidad maxwelliana de todas las partículas de gas, con muy pocas partículas relativamente rápidas.	A menudo no son maxwellianos : las interacciones de colisión suelen ser débiles en los plasmas calientes y el forzamiento externo puede llevar al plasma lejos del equilibrio local y a una población significativa de partículas inusualmente rápidas.
Interacciones	Binario : las colisiones de dos partículas son la regla, las colisiones de tres cuerpos son extremadamente raras.	Colectivo : Las ondas, o el movimiento organizado del plasma, son muy importantes porque las partículas pueden interactuar a grandes distancias a través de las fuerzas eléctricas y magnéticas.