Evolución de los Modelos Atómicos: De Dalton a Schrödinger y Conceptos Cuánticos

Modelo de Dalton

De la teoría atómica de Dalton, se deducen las siguientes definiciones:

• Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades.
• Un elemento es una sustancia que está formada por átomos iguales.
• Un compuesto es una sustancia fija que está formada por átomos distintos combinados en proporciones fijas.

Modelo de Thomson (1903)

• Elaboró un modelo del átomo en el que los electrones estaban "incrustados" en la materia positiva.
• Según su teoría sobre la estructura atómica, el átomo era una esfera continua y compacta, de carga positiva.
• Los electrones se encontraban como "ciruelas" negativas incrustadas en un "budín" de materia positiva.
• Fue el primero en acomodar las partículas descubiertas en una estructura que ya no era homogénea como el átomo de Dalton.

Modelo de Rutherford

Este modelo propone:

1. Un núcleo central: una zona minúscula de gran densidad donde se concentra prácticamente la totalidad de la masa y la carga positiva del átomo. Las partículas alfa rebotaban en esta zona.
2. Una envoltura eléctrica: constituida por electrones que giran en torno al núcleo y cuya masa es despreciable frente a la del núcleo. En esta región, las partículas alfa no se veían afectadas ni desviadas.

Como la masa atómica tenía un valor mucho mayor que el calculado al sumar los protones del núcleo y los electrones de la envoltura, Rutherford postuló que en los núcleos de los átomos tenían que existir otras partículas de masa casi igual a la del protón, pero sin carga eléctrica, por lo que los llamó neutrones.

Modelo de Bohr

• A los niveles de energía se les asignó un número entero natural, n = 1, 2, 3, ..., 8.
• Determinó que el número máximo de electrones por nivel energético es = 2n². Por ejemplo, para el nivel n=1, el número máximo de electrones es 2; en el nivel n=2, el número máximo de electrones es 8.
• Introduce la idea de la cuantización de la energía.

Modelo de Schrödinger (Modelo Actual)

• En 1926, se abandona la concepción de los electrones como esferas diminutas con carga que giran en torno al núcleo (una extrapolación de la experiencia a nivel macroscópico hacia las diminutas dimensiones del átomo).
• En vez de esto, Schrödinger describe a los electrones por medio de una función de onda, el cuadrado de la cual representa la probabilidad de presencia en una región delimitada del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce como ORBITAL.
• La teoría aceptada hoy es que el átomo se compone de un núcleo de carga positiva formado por protones y neutrones (en conjunto conocidos como nucleones), alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa.

El Átomo

Es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Está formado por:

• Nucleones en el núcleo:
  • Protones (carga positiva, masa ≈ 1.67262 x 10^-27 kg, descubiertos por Rutherford, 1914)
  • Neutrones (sin carga, masa ≈ 1.67493 x 10^-27 kg, descubiertos por Chadwick, 1932)
• Electrones (carga negativa, masa ≈ 9.1 x 10^-31 kg, descubiertos por Thomson, 1897) en la envoltura.

Ondas de De Broglie

De Broglie afirmó que la materia presenta la doble naturaleza de onda y de corpúsculo. Propuso que todas las partículas materiales con momento lineal p tienen asociada una longitud de onda (λ = h/p).

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

La mecánica cuántica es un modelo teórico que describe bastante satisfactoriamente procesos atómicos y moleculares. El Principio de Incertidumbre de Heisenberg indica que no es posible medir simultáneamente con absoluta precisión variables conjugadas como la posición y el momento lineal, o la energía y el tiempo.

Emisión Cuántica de la Luz

Ocurre cuando un electrón salta de un nivel de energía mayor a uno menor, liberando energía en forma de un fotón. La emisión cuántica de la luz es el paso de un fotón de un orbital de mayor energía a otro de menor. Previamente, el electrón absorbió energía para pasar al nivel superior. El cuanto de energía (la energía del fotón emitido o absorbido) se define como: E = hf (donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la luz).

Efecto Fotoeléctrico

Es un fenómeno que consiste en la emisión de electrones por parte de un material (generalmente metálico) cuando es iluminado con radiación electromagnética (luz) de frecuencia adecuada. Al llegar la luz, los fotones pueden transferir su energía a los electrones del material.

• Para que los electrones sean liberados, la luz incidente debe tener una frecuencia mínima, llamada frecuencia umbral.
• Si la frecuencia de la luz es igual o superior a la umbral, los electrones son arrancados.

Frecuencia Umbral (f₀)

Es la frecuencia mínima de la luz incidente necesaria para que se produzca el efecto fotoeléctrico en un material dado. Por debajo de esta frecuencia, no se emiten electrones, sin importar la intensidad de la luz.

Energía Cinética de los Fotoelectrones

Si la energía del fotón incidente (hf) es mayor que la energía mínima necesaria para arrancar el electrón (función trabajo, W = hf₀), el exceso de energía se convierte en la energía cinética (E_c) del electrón emitido: E_c = hf - W.