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De modelos va la cosa

Modelo atómico de Thomson


Thomson y el electrón:

A finales del siglo XIX, los científicos empezaron a notar comportamientos en la materia que no se podían explicar mediante el modelo atómico propuesto por Dalton, como por ejemplo el experimeto realizado por Millikan a mediados del siglo XIX, el cuál consitió en dejar caer una gota de aceite a través de un campo eléctrico en un tubo cerrado al vacío, el cuál determinó que la carga mínima que adquiría la gota de aceite era igual a 1,6x10-19C, la que junto a otras experiencias de carácter electromagnético daban la idea de que el modelo "esférico indivisible" propuesto por Dalton estaba errado y que había alguna partícula cargada que puediera ser afectada por cambios en el campo eléctrico.
Tras estos descubrimientos, los científicos empezaron a tratar de darle una explicación a estos fenómenos. La más importante fue la realizada por Thomson a finales del siglo XIX e inicios del XX, la cual consistió en la utilización de un tubo llamado "tubo de rayos catódicos" (Imágen 2), el cual consistía en dos electrodos unidos a una fuente de alto voltaje, conectados en un tubo cerrado al vacío. Al hacer pasar corriente eléctrica desde la fuente de poder al ánodo (electrodo positivo) se veía que un haz luminoso se dirigía desde el ánodo hacia el cátodo (electrodo negativo). A este rayo se le llamó rayo catódico y fue el estudiado por Thomson, el cuál sometió a este rayo a un campo electromagnético, observando que el rayo se desviaba de su línea recta hacia el extremo positivo del campo, lo que sumado al conocimiento de que cargas opuestas se atraen le dió como conclusión que el rayo catódico estaba compuesto por partículas negativas provenientes del ánodo, a las cuales les llamó electrones. Tras este descubrimiento, Thomson formuló un nuevo modelo atómico que fue denominado "pastel de pasas" (representado aproximadamente en la Imágen 3), el cuál consistía en que los electrones se econtraban incrustados en una esfera cargada positivamente con la misma intensidad de carga (ésta fue la primera vez que se propuso la electro-neutralidad del átomo), además Thomson pudo establecer que la razón entre carga del electrón (que fue descubierta por Millikan, explicado anteriormente) y su masa era igual a 1,756x108.

Imágen 2: Tubo de rayos catódicos (obtenida desde www.astronomos.net23.net).

De modelos va la cosa


Modelo atómico de Rutherford



En 1910, Ernest Rutherford, un físico neozelandés, quiso poner a prueba el modelo atómico postulado por Sir Joseph Thomson, el cual consistió en que hacer pasar un rayo de particulas alfa (particulas cargadas positivamente) a través de una lámina de oro extremadamente delgada. Este experimento se muestra de una manera muy sencilla en la Imágen 4. Los resultados obtenidos, llevaron a Rutherford a plantear su propio modelo atómico, el cual se muestra en la Imágen 5. Las principales conclusiones que se obtuvieron fueron:

El átomo es mayormente vacío, lo que explicaría el porque la mayoría de las particulas atravesaron la lámina de oro sin sufrir desviación.
El átomo posee un centro denso, que abarca la totalidad de la masa. Además, este centro, llamado núcleo, está cargado positivamente, razón por la cual, las partículas alfa al acercarse a él sufrían desviaciones (cargas iguales se repelen).
Debido a que el átomo es eléctricamente neutro, los electrones deben estar rodeando al núcleo, girando en órbitas circulares alrededor de él, tal y como lo hacen los planetas alrededor del Sol. La cantidad de electrones es igual y de signo contrario a la carga ubicada en el núcleo.


Ahora, bien, ¿por qué no era válido el modelo del "pastel de pasas" para explicar los resultados obtenidos? La respuesta está en que el modelo que regía hasta ese entonces consideraba al átomo como una esfera compacta, dentro de la cual tenia incrustados a los electrones. Si ese modelo hubiese sido correcto, las partículas alfa tendrían que haber rebotado en la lámina de oro, ya que ocurriría el mismo efecto de cuando uno hacer chocar dos bolitas, pero el hecho de que la mayoría atravesara la lámina de oro, indica que esa concepción atómica estaba errada.

Imágen 4: Experimento de la lámina de oro
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Imágen 5: Modelo atómico Planetario de Rutherford (obtenida desde http://dicael.blogspot.com)
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En 1886, Eugen Goldstein descubrió que si se le hacían agujeros al ánodo de un tubo de rayos catódicos, era posible ver otras emanaciones que se dirigian desde el cátodo hacia en ánodo, cuando se hacia pasar una corriente eléctrica. Descubrió que estos rayos (a los que llamó rayos canales) tenían carga positiva y que su masa dependia del gas que estuviera en el tubo. A éstas cargas se les denominó protones. Como estas partículas estan cargadas con el mismo signo, debiesen repelerse, pero estan todas colocadas en el núcleo, entonces ¿cómo es esto posible? Rutherford pensó que debiese existir otra partícula que sirviera de "pegamento" que mantuviera estable el núcleo.

Al inicio de la década de 1930, James Chadwick, quien fuese alumno de Rutherford, descubrió la presencia de una partícula sin carga, de masa aproximadamente igual a la del protón, la cúal fue llamada neutrón, comprobando la hipótesis de su profesor sobre la existencia de dicha partícula.


Modelo atómico de Bohr


El modelo atómico planteado por Rutherford tenía ciertas falencias que hacían dudar de su veracidad, como por ejemplo, que, según la física clasica, un cuerpo con carga en movimiento liberaría energía, por lo cual el electrón iría perdiendo energía en su movimiento circular alrededor del núcleo, lo que conllevaría a que, en un determinado momento, la fuerza de atracción electrostática entre el núcleo y el electrón provocaría que éste último se precipitara contra el núcleo destruyendo el átomo.

Para solucionar este problema, Niels Bohr, aplico la teória cuántica de Max Planck, la cúal decía que la energía estaba "cuantizada", es decir, que absorbía o liberaba pequeños paquetes de energía, llamados cuantos, al modelo planetario de Rutherford, generando un nuevo modelo atómico, denominado modelo atómico estacionario, el cual decía que:

La energía del electrón está cuantizada.
El electrón se mueve alrededor del núcleo en un nivel de energía estacionario, en donde, mientras se encuentre en él, no perderá ni ganará energía. Este nivel se encontrará lo más cercano al núcleo que le sea posible.
Cuando un electrón gana energía, salta del nivel estacionario a un nivel de mayor energía. Cuando el electrón vuelva a su nivel basal o estacionario liberará la energía sobrante en forma de luz.
Las órbitas donde se encuentran los electrones son circulares.


Bohr definio las órbitas con letras que iban desde la K en adelante, siendo K la órbita de menor energía, tal y como lo muestra la Imágen 6.

Lamentablemente este modelo solo sirvió para los átomos del tipo hidrogenoides, siendo muy deficiente para los átomos polielectrónicos (solo pudo determinar la cantidad máxima de electrones por nivel con la fórmula 2n^2 [considerando que K = 1, L = 2, M = 3 y N = 4.]).

Imágen 6: Modelo de Bohr (obtenida desde http://www.pps.k12.or.us)
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Modelo mecano-cuántico


Con la nueva física iniciada por Maxwell y Plank, denominada física cuántica, se le abrieron las puertas al mundo científico para poder encontrar ciertas respuestas a preguntas que antes eran imposible de responder.

Niels Bohr fue el primero en aplicar esta nueva percepción científica al átomo, dando el primer paso hacia lo que conllevaría finalmente al modelo atómico actual.

Muchos físicos, ampárandose en esta nueva percepción de la física lograron descubrir cosas del átomo que antes eran impensables, por ejemplo, en 1924 Louis De Broglie, un físico francés, descubrió que el electrón poseía una naturaleza dual onda-partícula, pero ¿qué quiere decir esto? Esto hace referencia a que un electrón tiene masa y ocupa un espacio definido (partícula), pero a su vez se comporta tal como lo pudiera hacer la luz o el sonido (onda) y, como éstos últimos, tambien es posible definirlo (al electrón) mediante una función de onda.

Heisenberg postula que es imposible saber exactamente la posición y la cantidad de movimiento de una partícula en estudio, basándose en la física cuántica. Este hecho marca uno de los dogmas físicos más intrigantes que se conozcan.

Con estos datos y algunos otros, Edwin Schrödinger dedujo una función fundamental, denominada función de onda (φ), que explica el comportamiento del electrón alrededor del núcleo. También se dió cuenta que si esa función se elevaba al cuadrado era posible determinar la probabilidad de encontrar a dicho electrón en el espacio, con lo cual se determinaron lo que se llama orbitales atómicos, los cuales se pueden definir como el espacio en donde es posible encontrar a un electrón en el 95% del tiempo, eso quiere decir que un orbital es el lugar donde el electrón pasa la mayor parte del tiempo alrededor del núcleo.

Todo electrón se puede caracterizar individualmente a través de los números cuánticos, los que nos ayudaran a acomprender de mejor manera la tabla periódica de los elementos químicos.

3 comentarios - De modelos va la cosa

kapinho -2
Esto lo tuve en la escuela, y voy a primero de la secundaria...