Modelos Atómicos

Primeras discusiones acerca de la materia:

Fueron los filósofos griegos quienes comenzaron a interrogarse racionalmente, tratando de buscar explicaciones o principios que explicaran la naturaleza de las cosas. Por ejemplo, Tales de Mileto, que vivió entre los siglos V y VI a.c. postulaba que la sustancia fundamental del Universo era el agua, que a partir de ella era posible explicar la constitución de todas las cosas.

Una visión diferente tuvo Empédocles (V a.c.), quien, sumando distintas tradiciones, sostenía que eran cuatro las sustancias fundamentales: el agua, el aire, el fuego y la tierra, y que de la mezcla de ellas se podían obtener todos los elementos de la naturaleza.

Mientras algunos filósofos postulaban que la materia era continua, es decir, que siempre se podía seguir subdividiendo, otros sostenían que era discreta, es decir, que había un limite en la que aquella no podía seguir subdividiéndose. Ese límite, o partícula fundamental, fue llamada átomo (sin división).

Los principales defensores de esta idea fueron Demócrito de Abdera y Leucipo de Mileto (ambos filósofos griegos que vivieron en el siglo V a.c.)

Los atomistas.

Demócrito y Leucipo creían que la materia tenía una distribución discreta y que las partículas fundamentales, pequeñísimas, indivisibles y sin estructuras, eran la base de toda la materia.

Postulados de la Teoría Atomista:

1.- Toda la materia esta constituida por átomos, y ellos están en el vacío.

2.- Los átomos son pequeñas partículas caracterizadas por su dureza, forma y tamaño. Otras cualidades de la materia, como el color, el sabor y la temperatura, serían solamente impresiones subjetivas.

3.- De la combinación de los átomos se pueden formar los cuatro elementos (agua, aire, fuego y tierra), que a su vez formas todos los elementos mediante ligaduras.

El aporte del pensamiento científico:

Las ideas de los filósofos atomistas griegos tienen el merito de acercarse a la realidad mediante los atributos del pensamiento: la observación, la imaginación y el raciocinio.

Sin embargo, les falto dar el gran paso que sí lo dio el pensamiento científico:

La Experimentación.

Galileo Galilei: Fue quien priorizó el método experimental para poner a prueba ciertas apreciaciones sobre la naturaleza.

Robert Boyle: Destaca en el ámbito del estudio de la materia, quien estableció el concepto de elemento químico para aquella sustancia que no está formada por otras, y sugirió que su numero debía ser mayor de cuatro.

John Dalton: Desarrollo el primer modelo del átomo de la era científica, quien, basándose en mediciones de masa y proporciones de sustancias, publicó en el año 1808 un tratado en el que se podían leer las siguientes ideas:

• Los elementos químicos están formados por partículas muy pequeñas e indivisibles.
• Todos los átomos de un mismo elemento químico son iguales.
• Las masas de los átomos de distintos elementos químicos son diferentes.
• Los átomos son indestructibles y mantienen su identidad en los cambios químicos.
•  Los átomos tienen forma esférica y se combinan entre ellos en proporciones simples (1:2, 2:3. etc.) para formar elementos químicos.

Para sintetizar sus descubrimientos, Dalton uso el lenguaje matemático y, además, inventó una simbología para poder escribir los cambios químicos.

Primeros experimentos con partículas atómicas.

I.- El experimento de Thomson.

Durante el siglo XIX, los científicos comenzaron a experimentar con “tubos de rayos catódicos”. Estos consisten en un tubo de vidrio con un gas a muy baja presión al interior, y donde se colocan dos placas metálicas llamadas cátodo y ánodo, conectadas a una diferencia de potencial.

El física ingles Joseph Thomson estudió en profundidad los llamados “rayos catódicos” en 1897 utilizando un montaje como el que se aprecia en el dibujo.

Observaciones de Thomson.

Las evidencias experimentales observadas por Thomson:

• Los rayos producen sombra.
• Los rayos se desvían al pasar por un campo magnético.
• Los rayos van siempre de la placa negativa (cátodo) a la placa positiva (ánodo).

Conclusiones de Thomson:

• Son partículas con carga eléctrica.
• Se propagan en línea recta.
• Tienen carga eléctrica negativa.

En resumen, Thomson encontró que los rayos catódicos eran partículas con carga eléctrica negativa y que él consideró como fragmentos del átomo. Como la carga eléctrica de la materia es, en general, neutra, dedujo que la otra parte del átomo que tenía carga positiva.

Finalmente, al hacer cálculos de masa, encontró que la mayor cantidad de masa es la parte con carga positiva.

Con todos sus hallazgos, Thomson estableció un modelo átomo en el cual los electrones están incrustados en una masa de carga positiva, de manera similar a las pasas en un pan de pascua.

II.- El experimento de Rutherford.

En el año 1911, el físico ingles Ernest Rutherford, aplicando la técnica del scattering*, realizó el siguiente experimento:

Bombardeó una delgadísima lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio) como lo muestra el siguiente esquema.

De una fuente radiactiva salían partículas alfa, las que mediante un colimador se dirigían a la lámina de oro. Al otro lado de la lámina, se dispuso de una pantalla que registraba con una fluorescencia el impacto de las partículas; por lo tanto, daban testimonio de la trayectoria de ellas luego de pasar por la lamina de oro.

Rutherford observó que la mayoría de las partículas pasaban en línea recta desde la fuente de partículas alfa hasta a pantalla, unas pocas se desviaban en pequeños ángulos, mientras que algunas (en pocos casos) se desviaban en un gran ángulo, llegando incluso a devolverse.

Lo que mas llamó la atención de Rutherford fue el hecho de que algunas partículas alfa se devolvieran en 180º con respecto al lanzamiento. El mismo científico comento que era tan sorprendente como si se lanzaran balas de cañón contra una hoja de papel y algunas de ellas rebotaran.

Los anterior hizo suponer al físico que la mayor parte de la masa de los átomos debía estar confinada en un espacio muy reducido, que el denomino núcleo. Gracias a sus observaciones, postuló un modelo de átomo basado en las siguientes características:

• El átomo posee un núcleo donde se concentra mas del 99% de la masa.
• El núcleo posee carga positiva.
• El radio del núcleo es unas cien mil veces mas pequeño que el radio del átomo, es decir, alrededor de 10^-15 m.
• En la corteza exterior del átomo se encuentran los electrones de carga negativa y pequeña masa.
• Los electrones están en movimiento, a gran velocidad, alrededor del núcleo.

* Como los tamaños de los átomos son muy pequeños, las unidades con las que trabajamos comúnmente para medir longitud (metros o centímetros) no resultan prácticas a escalas tan reducidas. Por ello se definió la unidad llama ángstrom (Ǻ), en que 1 Ǻ = 10 ^ -10 m, ya que el tamaño de los átomos varia entre 1 y 2 Ǻ.

Modelo Planetario de Rutherford

Por el hecho de que los electrones giren en torno al núcleo, al modelo de Rutherford también se le conoce como modelo planetario.

Debilidades del modelo de Rutherford.

Un modelo científico apuesta principalmente

a explicar los fenómenos observados y a pesar

de que el de Rutherford constituyó un gran avance

frente al del Thomson, ya que explicaba cosas que

el modelo de Thomson no podía, deja algunos

fenómenos sin explicar. 

En el modelo atómico de Rutherford, los electrones

se mantienen a cierta distancia del núcleo, moviéndose

alrededor de él. Al estar en movimiento sus velocidades

están cambiando y, por lo tanto, poseen aceleración centrípeta lo que implica que esta carga debiera estar acelerada y emitiendo radiación electromagnética.

Si suponemos que los electrones están acelerados, estos deberían emitir radiación y, por lo tanto, perder energía y caer en espiral hacia el núcleo. Esta situación haría que el átomo fuera muy inestable, LO QUE NO OCURRE EN LA REALIDAD.