3. TEORÍAS ATÓMICAS...

Hola a todos, en esta nueva entrada hablaremos sobre las teorías y modelos atómicos de  la historia.

                                         

Concepciones filosóficas acerca del átomo:

El concepto atómico de la materia surgió aproximadamente hace 450 años a.c., cuando el filósofo griego Leucipo afirmaba que la materia es discontinua porque estaría formada por partículas discretas indivisibles llamadas átomos (en griego “átomo” significa indivisible), que sería el límite de división de la materia, tal como se ilustra en la siguiente figura:

Demócrito (380 años a.c.), discípulo de Leucipo, sostenía que el elemento último de la realidad es el átomo, partícula eterna, indivisible, invisible y homogénea.

Muchos filósofos clásicos griegos consideraban absurda esta teoría atómica y la rechazaban; entre ellos tenemos a Empédocles, contemporáneo de Demócrito, quien sostenía que todos los materiales están compuestos por cuatro “elementos” : tierra, aire, fuego y agua; Aristóteles (300 años a.c.), discípulo de Empédocles, describió los 4 elementos como la combinación de propiedades fundamentales de la materia: sequedad, humedad, calor y frio, así:

Las doctrinas del atomismo se perpetuaron por medio del poema De Rerum Natura, escrito alrededor del año 50 a.c. por el poeta romano Lucrecio.

Unos veinte siglos después (1661), el físico y químico ingles Robert Boyle en su libro “el Químico Escéptico”, acepto la existencia del átomo; Isaac Newton, en su obra “Principia” (1867) y “Ópita” (1704), también acepto la teoría atomista de la materia.

Concepciones Científicas Acerca del Átomo

A continuación estudiaremos diferentes hechos experimentales que motivaron la formulación de diferentes modelos atómicos por parte de los científicos en su intento de explicar la naturaleza y composición de la materia.

Teoría Atómico – Molecular de Dalton (1808)

La teoría atómico-molecular clásica tiene por base la teoría atómica de Dalton. Existe entre estas dos teorías algunas diferencias fundamentales. Para Dalton, la partícula más pequeña de una sustancia era el átomo. Si la sustancia era simple, Dalton hablaba de "átomos simples"; por ejemplo de cloro, de hidrógeno, etc. Si la sustancia era compuesta, Dalton hablaba de "átomos compuestos"; por ejemplo de agua. En realidad, los "átomos" de Dalton, son las partículas que nosotros llamamos moléculas.

Es importante señalar que Dalton nunca aceptó la idea que la molécula estaría formada por átomos idénticos o de un mismo elemento. Así por ejemplo, era absurdo: H₂, O₂, N₂, P₄, etc.; por esta razón, se opuso tercamente a la ley experimental de Gay Luzca, referida a los volúmenes de combinación de las sustancias gaseosas. Esta ley se explica fácilmente aceptando que algunos elementos están formados por moléculas (H₂, O₂, Cl₂, F₂, etc.), tal como lo propuso el químico italiano Amadeo Avogadro en la misma época de Dalton, quien no obstante, rechazo esa propuesta.

A pesar de ello la teoría de Dalton fue la base del desarrollo de la química moderna, porque todas las investigaciones científicas se hicieron y aun se hacen aceptando que la materia está formada por átomos.

Modelo Atómico de Thomson (1904)

Partiendo de las propiedades que se descubrió acerca de los rayos catódicos (flujo de electrones), Thomson propone el primer modelo atómico con las siguientes características: el átomo es de forma esférica, con más compacta y carga positiva distribuida homogéneamente; dentro de la esfera se encuentran incrustados los electrones con un movimiento vibratorio y en cantidad suficiente como para neutralizar la carga positiva de la esfera; por lo tanto, el átomo es eléctricamente neutro.

Por la apariencia que presentaba este modelo, fue denominado: “Modelo Budín de Pasas”.

Su importancia radica en que fue el primero que permitió relacionar la electricidad con el átomo. Pero, como cualquier otro modelo científico tenía que ser perfeccionado para poder explicar nuevos fenómenos que ocurren en el laboratorio o en la naturaleza.

 Los Rayos Canales y Existencia de Protones

En 1886, el físico alemán Eugene Goldstein observo una fluorescencia o brillo detrás del cátodo en un tubo de rayos catódicos cuando a la placa negativa se le había aplicado previamente canales y orificios; esto solo puede explicarse con la existencia de otras radiaciones a las que Goldstein llamo Rayos Canales, los cuales viajan en sentido contrario a los rayos catódicos y son partículas de carga positiva. Estos rayos positivos o iones positivos se originan cuando los rayos catódicos desplazan electrones de los átomos del gas residual en el tubo.

La naturaleza de los rayos canales varía de acuerdo al tipo de gas residual que se encuentre en el tubo, es decir, cada elemento químico gaseoso genera un catión distinto al ionizarse y por ello su relación carga – masa (e/m) es diferente.

El físico alemán Wilhelm OEIN (1898), luego de realizar experiencias con los rayos canales generados por el gas hidrogeno, de manera análoga a Thomson, midió la relación carga-masa de los iones positivos y encontró que la carga positiva era igual a la carga del electrón (en magnitud) y su masa igual a 1836 veces al del electrón; dicha partícula se llamó protón (H⁺)

Años más tarde, en 1919, Ernest Rutherford desprendió por primera vez protones del núcleo atómico, mediante transmutación nuclear y demostró que son unidades fundamentales del núcleo atómico de todos los elementos, razón por el cual se considera a Rutherford como el descubridor de protón.

Descubrimiento del Núcleo Atómico

En 1909, Ernest Rutherford dirigió en su laboratorio de la universidad de Cambridge (Inglaterra) cierto experimento con la ayuda del físico alemán Hans Geiger (inventor del famoso “contador Geiger”, aparato para detectar materiales radioactivos) y el físico inglés recién graduado Ernest Marsden que consistió en: contra una lámina muy delgada de oro (pan de oro) cuyo espesor es de 0,0006 mm. se lanzó rayos alfa, formado por partículas veloces de gran masa y con carga positiva, que eran núcleos de helio.

Se observó entonces que la gran mayoría de los rayos alfa atravesaban la lámina sin ninguna desviación. Sólo una cantidad muy pequeña de rayos alfa se desviaban con ángulos de desviación o dispersión variables (θ)

El hecho de que algunos rayos alfa incluso rebotaran sorprendió mucho a Rutherford, porque el pensaba que los rayos alfa atravesarían la lámina fina sin mayores desviaciones, según el modelo atómico propuesto por su maestro J.J. Thomson. Al referirse a este hecho en la conferencia hecha por Rutherford ante la Real Academia de Londres en 1911, afirmaba: “… esto era lo mas increíble que me había ocurrido en la vida. Tan increíble como si un proyectil de 15 pulgadas disparado contra una hoja de papel de seda, se volviera y golpeara a uno …”

Explicación del Fenómeno: Rutherford logró explicar  brillantemente la dispersión de los rayos alfa en base a las siguientes conclusiones.

·         El átomo tiene una parte central llamado núcleo, diminuto de carga positiva, compacta o maciza y muy densa, debido a que casi la totalidad de la masa atómica se concentra en él.

·         El campo eléctrico generado por el núcleo es muy intenso y causa la desviación de rayos alfa mediante repulsión eléctrica.

·         el átomo es casi vacío, ya que los electrones, partículas de masa insignificante, ocupan espacios grandes cuando giran en torno al núcleo.

Modelo Atómico de Rutherford (1911) 

Consecuente con su experimento, Rutherford abandonó la idea de que el átomo seria como un “budín de pasas”, propuesta por Thomson, ya que según este modelo los rayos alfa se desviarían muy débilmente y nunca con ángulos de dispersión (θ) de 90° y 180° como ocurría con el experimento del descubrimiento del nucleo atómico.

Según Rutherford, el átomo es un sistema dinámico, con un núcleo de carga positiva y los electrones girando alrededor siguiendo trayectorias circulares y concéntricas a una gran velocidad, de tal modo que se neutralice la fuerza de atracción eléctrica que ejerce el núcleo; por lo tanto los electrones estarían girando alrededor en estado de equilibrio.

Error en el Modelo de Rutherford: Según la física clásica (electrodinámica clásica), una partícula electrizada o cargada eléctricamente que se mueve con velocidad variable (con aceleración) emite o pierde energía constantemente en forma de ondas electromagnéticas). Por lo tanto el electrón que es una partícula con carga negativa y viaja con aceleración angular debido a que describe trayectoria circular, debe constantemente perder energía y acercarse poco a poco al núcleo siguiendo una trayectoria en espiral y finalmente caer al núcleo, o sea hasta la autodestrucción o colapsamiento del átomo, lo cual nunca ocurre.

Por lo tanto la física clásica no servía para explicar fenómenos atómicos y era necesario una nueva física en base a nuevos principios y leyes para las partículas su microscópicas como átomos, moléculas y partículas subatómicas, que hoy en día se llama mecánica cuántica (relativística y no relativística)

Teoría Atómica de Niels Bohr (1913)

Entre 1911 y 1913 existió gran incertidumbre acerca de la estructura atómica. Se había descartado el modelo de J.J.Thomson porque no pudo explicar la desviación de los rayos alfa; el modelo de Rutherford estaba de acuerdo con los experimentos de desviación de partículas alfa, pero éste, además de ser inestable (porque el electrón perdía energía en forma de radiación electromagnética), no podía explicar la naturaleza de los espectros de emisión y absorción atómica.

En 1913, Bohr desarrolló un modelo atómico abandonando las consideraciones de la física clásica y tomando en cuenta la Teoría cuántica de Max Planck.

Niels Bohr no desechó totalmente el modelo planetario de Rutherford, sino que incluyo en el restricciones adicionales. Para empezar, consideró no aplicable el concepto de la física clásica de que una carga acelerada emite radiación continuamente.

Según la teoría cuántica de Planck, la absorción y emisión de energía tiene lugar en forma de fotones o cuantos. Bohr usó esta misma idea para aplicarla al átomo; es decir, el proceso de emisión o absorción de radiación por un átomo solo puede realizarse en forma discontinua, mediante los fotones o cuantos que se generen por saltos electrónicos de un estado cuantizado de energía a otro.

El modelo de Bohr está basado en los siguientes postulados, que son válidos para átomos con un solo electrón como el hidrógeno y permitió explicar sus espectros de emisión y absorción.

1. Primer Postulado: Estabilidad del Electrón

Un electrón en un átomo se mueve en una órbita circular alrededor del núcleo bajo la influencia de la atracción coulómbica entre el electrón y el núcleo, obedeciendo las leyes de la mecánica clásica.

Las únicas fuerzas que actúan sobre el electrón son las fuerzas de atracción eléctrica (Fa) y la fuerza centrípeta (Fc), que es exactamente igual a la fuerza centrífuga.

2. Segundo Postulado: Orbitas o niveles permitidos

En lugar de la infinidad de órbitas posibles en la mecánica clásica, para un electrón solo es posible moverse en una órbita para la cual el momento angular L es un múltiplo entero de la constante de Planck h.

3. Tercer Postulado: Niveles Estacionarios de Energía

Un electrón que se mueva en una de esas órbitas permitidas no irradia energía electromagnética, aunque está siendo acelerado constantemente por las fuerzas atractivas al núcleo. Por ello, su energía total E permanece constante.

4. Cuarto Postulado: Emisión y Absorción de Energía

Si un electrón que inicialmente se mueve en una órbita de energía Ei cambia discontinuamente su movimiento de forma que pasa a otra órbita de energía Ef se emite o absorbe energía electromagnética para compensar el cambio de la energía total. La frecuencia ν de la radiación es igual a la cantidad (Ei – Ef) dividida por la constante de Planck h.

Para realizar las actividades sobre las teorías atómicas y la estructura del atomo sigue este enlace: http://platea.pntic.mec.es/pmarti1/educacion/3_eso_materiales/b_iii/ejercicios/estructura/teoria_atomica.htm

Gracias por su visita, espero les haya sido útil la información; recuerden dejar sus comentarios al final.