LOS MODELOS ATÓMICOS

Por Der Lehrer

Tema del M9

 UN VIAJE HACIA EL CENTRO DE LA MATERIA

 

El hombre, ese ser de curiosidad inagotable, siempre se ha preguntado acerca de todas las cosas: ¿de qué están hechas?, ¿cuál es su estructura?, ¿existe una o más sustancias primordiales de las que  deriven todos los seres de nuestro universo físico?

Con nuestros actuales conocimientos, sabemos que toda la materia está constituida en última instancia por partículas de una pequeñez extrema, a las cuales llamamos átomos.

Los esquemas mentales que pretenden explicarnos cómo es y de qué manera funciona el  átomo, reciben el nombre de módelos atómicos. Y a lo largo de la historia del pensamiento humano han ido  evolucionado desde una simplicidad elemental hasta concepciones más complejas que incluyen los últimos descubrimientos científicos de diferentes disciplinas.

Teoría atomista de la Antigüedad: modelo de Leucipo y Demócrito (siglo V AC)

Siglos antes de Cristo, el filósofo griego Leucipo y su discípulo, Demócrito, llegaron a una genial intuición acerca de la estructura de la materia. Ellos concibieron que si dividiamos los cuerpos del mundo físico en pedazos cada vez más pequeños, se llegaría a un punto en que nos encontraríamos con una porción de sustancia tan simple y elemental que ya no sería posible fragmentarla. A esta entidad básica la denominaron con toda propiedad átomo, que en lengua griega significa "lo que no se parte".



La teoría atómica de Demócrito fue entonces el primer intento racional de ilustrarnos sobre la naturaleza de los átomos.


Sus postulados fueron:

• Los átomos son entidades eternas, invisibles, indivisibles y homogéneas
• Los átomos solo difieren entre sí por su forma y tamaño
• Las propiedades de la materia derivan del orden o agrupamiento de los átomos.

 

Teoría de los  cinco elementos: Aristóteles (siglo IV AC)

Las ideas de Leucipo y Democrito no prevalecieron debido a que el mayor sabio de la Antiguedad, Aristóteles, se adhirió a una explicación clásica del filósofo griego Empédocles, para quien todo en la naturaleza estaría formado a partir de cuatro elementos primordiales: agua, tierra, aire y fuego.

Aristóteles a su vez explica en su libro de la Física que todo está compuesto de cinco elementos: agua, tierra, aire, fuego y el éter. Cada elemento tiene un movimiento natural. El agua y la tierra se mueven naturalmente hacia el centro del universo, el aire y el fuego se alejan del centro, y el éter gira en torno al centro. Estos principios servían para explicar fenómenos como que las rocas caigan y el humo suba. Además explicaban la redondez del planeta, y las órbitas de los cuerpos celestes, que están compuestos de éter (Wikipedia).

Estas ideas erróneas se sostuvieron por siglos llegando incluso a abarcar la Edad media europea, pues el filósofo griego Aristóteles tenía un prestigio intelectual inmenso y pocos se atrevían a contradecirlo. Fue necesario el advenimiento de toda una revolución del pensamiento para  retomar las ideas de Demócrito, más acordes con la verdadera naturaleza de los átomos.

El modelo de Dalton (1803)

El químico inglés John Dalton daría el primer paso significativo de la historia hacia la formulación de un modelo atómico sobre bases experimentales.

Su teoría atómica nos dice a grandes rasgos lo siguiente:

• La materia esta constituida por partículas de diminutas llamadas átomos, las cuales son indivisibles e indestructibles.
• Los átomos de un mismo elemento poseen idénticas propiedades físicas (dimensión y peso) y químicas; solo difieren de los átomos de otros elementos. Un átomo de oro, por ejemplo, será diferente a otro de plata.
• Los compuestos químicos son el resultado de la unión de átomos de dos o más elementos diferentes.
• Cuando los átomos se combinan para formar compuestos, lo hacen en proporciones numéricas fijas.

El modelo de Thomson (1904)

 

El científico británico Joseph Thomson trabajaba con los llamados rayos catódicos cuando realizó un formidable descubrimiento: el electrón. Se trata de una diminuta partícula cargada negativamente (-), que es un componente básico de la estructura atómica. Con este hallazgo se contradecía el postulado anterior de la indivisibilidad del átomo.

Thomson formuló entonces en 1904, con base experimental, su modelo atómico, que ahora es conocido como "budín con pasas".


La concepción de este esquema nos dice que:

El átomo se asemeja a una esfera de masa cargada positivamente (+), donde se hallan embutidas las partículas de carga negativa (-) o electrones, que el mismo Thomson había hallado. En la analogía del "budín", las partículas de carga positiva (las llamamos protones) constituirían la masa del postre, la cual tendría incrustadas las pasas (los electrones), como se nos muestra en la imagen de arriba.

Thomson añadió que los átomos eran eléctricamente neutros porque poseían la misma cantidad de cargas positivas y negativas.

Pese a que este sencillo modelo lograba explicarnos algunas características elementales de la materia presentes en los rayos catódicos, presentaba algunas inconsistencias con la realidad física. Por ejemplo, el considerar al átomo como una masa compacta de cargas positivas y negativas, no encajaba en los resultados de algunos experimentos que mostraban una localización específica de la carga positiva en el átomo.

 

El modelo de Rutherford (1913)

 

El físico inglés Ernest Rutherford avanzaría hacia un modelo atómico más completo y consistente que el de Thomson.

Para ello realizó un experimento que se describe a continuación.

 

Este experimento consistió en mandar un haz de partículas alfa sobre una fina lámina de oro y observar cómo dicha lámina afectaba a la trayectoria de dichos rayos. Según el modelo de Thomson, las partículas alfa atravesarían la lámina metálica sin desviarse demasiado de su trayectoria, pero se observó que un pequeño porcentaje de partículas se desviaban. Rutherford concluyó que el hecho de que la mayoría de las partículas atravesaran la hoja metálica, indica que gran parte del átomo está vacío, que la desviación de las partículas alfa indica que las partículas poseen carga positiva, pues la desviación siempre es dispersa. Y el rebote de las partículas alfa indica un encuentro directo con una zona fuertemente positiva del átomo y a la vez muy densa.

El modelo atómico de Rutherford mantenía el planteamiento de Thomson, de que los átomos poseen electrones, pero su explicación sostenía que todo átomo estaba formado por un núcleo y una corteza. El núcleo debía tener carga positiva, un radio muy pequeño y en él se concentraba casi toda la masa del átomo. La corteza estaría formada por una nube de electrones que orbitan alrededor del núcleo.

fuente: https://todosobrelaquimica.wordpress.com/edu/

Sinteticemos entonces el modelo atómico  de Rutherford en los siguientes puntos:

•  El átomo está conformado por dos partes principales: el núcleo y la corteza
•  En el  núcleo  se concentra toda la carga positiva (los llamados protones, descubiertos por Rutherford)  y prácticamente toda la  masa del átomo. El tamaño del núcleo en relación con el radio del átomo es muy inferior (aproximadamente una diezmilésima parte)
• Por lo anterior se concluye que el átomo es en su mayor parte espacio vacío
• Los electrones orbitan en la corteza alrededor del núcleo a una gran velocidad (semejantemente  a los planetas en torno al Sol)

Así que si piensas un poco en lo anterior, el átomo para Rutherford distaba mucho de ser esa masa compacta imaginada por Thomson. Para que te hagas una idea de la increíble distancia que media entre el núcleo y los electrones girando en la corteza, piensa en el siguiente ejemplo. Si el núcleo atómico fuese del tamaño de una canica, los electrones estarían orbitando aproximadamente en   un  radio ¡de unos 100 m! Y recuerda que virtualmente no existe nada entre el núcleo y la corteza atómica. De ahí puedes concluir que la naturaleza es algo así como un vacío salpicado  de diminutos centros con masa que forman nuestra realidad material.

La gran trascendencia del modelo de Rutherford consistió en ser la primera explicación consistente de la existencia del núcleo atómico, y un primer atisbo de la disposición de las partículas subatómicas. Pero en su contra  había algunos hechos relacionados con la estabilidad del núcleo y de la corteza atómica, los cuales no eran satisfactoriamente en este modelo. Además, ¿qué forma presentan los átomos?

El modelo de Bohr (1913)

 El físico danés Niels Bohr se sirvió de los descubrimientos de la física cuántica del alemán Max Planck, y de la visión de Rutherford de un núcleo masivo con carga positiva para ofrecernos un nuevo modelo atómico que vendría a subsanar algunos errores presentes en el esquema de Rutherford. Bohr nos explica cómo los átomos pueden conservar la estabilidad energética sin colapsar.

 

Resumamos los principales postulados del planteamiento atómico de Bohr:

•  Los electrones giran alrededor del núcleo atómico en órbitas circulares
•  La energía de los electrones está cuantificada (esto significa que solo admite valores enteros discretos).
• Los electrones se desplazan en niveles de energía estacionarios lo más próximos al núcleo posible; mientras giren en estos niveles no perderán ni ganarán energía.
• Cuando por alguna razón un electrón absorbe o gana energía, se dice que "se excita" y por consiguiente "salta" a un nivel energético superior. Pero cuando dicho electrón vuelve a su nivel "basal o estacionario", liberará su exceso de energía al  emitir una onda de radiación electromagnética en forma de fotones (luz).

  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 imagen.

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.]).

fuente: http://es-puraquimica.weebly.com/bohr.html

Si bien el modelo de Bohr resolvía el problema de la estabilidad atómica y nos proporcionaba una explicación del fenómeno de la luz; dejaba abiertas algunas interrogantes, pues los experimentos demostraban que dentro de un mismo nivel orbital había diferencias sustanciales en la energía de los electrones.

El modelo Sommerfeld (1916)

El alemán Arnold Sommerfeld perfeccionó y corrigió el modelo de Bohr al introducir en él algunos criterios relativistas y modificaciones en la forma de las órbitas de los electrones.


Veamos algunos puntos importantes de este modelo.

• Los electrones orbitan en torno al núcleo en órbitas circulares o elípticas
• Del segundo nivel energético en adelante existen subniveles de energía (este hecho explicaba las diferencias de energía presentes entre electrones de un mismo nivel)
• El número cuántico l (Azimutal) determina la forma de los orbitales a partir del segundo nivel energético

El modelo de Schrödinger (1924)

Tomando como base los postulados del francés De Broglie, que consideraba a la luz como una entidad dual (unas veces se comporta como onda, y otras compartícula), y también la física Planck, el austriaco Erwin Schrödinger propondría un modelo atómico cuántico no relativista.



Los postulados de este modelo son interesantes:

• Se describe a los electrones con una ecuación compleja que los señala no como porciones minúsculas de materia, sino como funciones de una onda.
• Se habla ya no de órbitas electrónicas, sino de nubes de probabilidad u orbitales, es decir de regiones donde existe la probabilidad de encontrarse con un electrón.
• Las formas de los orbitales pueden resultar bastante curiosas si se atienda a la solución de la ecuación de Schrödinger, con la cual trató de describir las características de todos los electrones de un átomo, en cuanto a las energías, formas y orientaciones de los orbitales. Para ello introdujo lo que se conoce como “números cuánticos”, que caracterizan las soluciones de la ecuación propuesta. Los números cuánticos son tres: n = número cuántico principal, que indica el “nivel de energía” donde se encuentra el electrón; asume valores enteros positivos del 1 al 7, l = número cuántico secundario, que indica el “subnivel de energía” del orbital en el que se encuentra el electrón, puede ser s , p , d y f (0 , 1 , 2 y 3 ). m = número cuántico magnético , representa la orientación de los orbitales en el espacio.

http://www.monografias.com/trabajos103/modelos-atomicos-y-estructura-atomica/modelos-atomicos-y-estructura-atomica.shtml#ixzz3lsV8Lq2H  

 

 

El modelo de  Dirac-Jordan (1924)

El inglés Dirac y el alemán Jordan nos propusieron un completísimo modelo de la estructura atómica, llamado "Teoría de las tranformaciones", el cual contempla los siguientes puntos:

• Descripción cuántico-relativista del electrón (integración de la física de Planck y de la Relatividad de Einstein).
• Predicción de la existencia de la antimateria.
•  Se postula el cuarto número cuántico "s"(spin), el cual nos indica el sentido del giro de un electrón. Con esta adición se perfeccionó la estructura electrónica de todos los niveles energéticos.

Posteriormente (en 1932) el científico británico James Chadwick descubriría que en el núcleo del átomo reside una partícula con la misma masa de un protón, pero sin carga eléctrica: el neutrón.

De esta manera quedaba establecido finalmente el esquema del átomo como una entidad que configura a la totalidad de la materia del universo: desde las galaxias hasta las células de los seres vivos y el reino mineral. 

No es en modo alguno indivisible pues está constituido por partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones.

El núcleo posee casi toda la masa del átomo y es el lugar donde existen los protones y neutrones. Los primeros tienen carga positiva, y ninguna los segundos.

En la corteza del átomo se encuentran girando los electrones (su carga es negativa)

Y el siguiente cuadro te ilustrará sobre las propiedades generales de estas partículas subatómicas.

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A modo de conclusión, queremos comentarte que si bien el modelo de Dirac-Jordan resulta ser uno de los más completos a la fecha, dista aún de explicar todos los fenómenos asociados a la estructura del átomo. Todavía tenemos muchas interrogantes acerca de esta unidad básica de la materia y su esencia íntima. Se ha comprobado, por ejemplo, que incluso las partículas subatómicas tienen a su vez algunos componentes...Nuevos descubrimientos, como el del Bosón de Higgs, y audaces planteamientos, del tipo de  la Teoría de cuerdas,  nos invitan a replantearnos todos los anteriores modelos de la estructura de la materia.