miércoles, 18 de marzo de 2015
MODELOS ATOMICOS
La concepción
del átomo que se ha tenido a lo largo de la historia ha variado de acuerdo a
los descubrimientos realizados en el campo de la física y la química. A
continuación se hará una exposición de los modelos atómicos propuestos por los
científicos de diferentes épocas. Algunos de ellos son completamente obsoletos
para explicar los fenómenos observados actualmente, pero se incluyen a manera
de reseña histórica.
El modelo de Dalton fue el primer modelo atómico con bases
científicas, fue formulado en 1808 por John Dalton, quien imaginaba a los
átomos como diminutas esferas. Este primer modelo atómico postulaba:
La materia está formada por partículas muy pequeñas
llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.
Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí,
tienen su propio peso y cualidades propias.
Los átomos de los diferentes elementos tienen pesos
diferentes.
Los átomos permanecen sin división, aun cuando se
combinen en las reacciones químicas.
Los átomos, al combinarse para formar compuestos
guardan relaciones simples.
Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar
en proporciones distintas y formar más de un compuesto.
Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de
dos o más elementos distintos.
Sin embargo desapareció ante el modelo de Thomson ya
que no explica los rayos catódicos, la radioactividad ni la presencia de los
electrones (e-) o protones (p+).
Luego del descubrimiento del electrón en 1897 por
Joseph John Thomson, se determinó que la materia se componía de dos partes, una
negativa y una positiva. La parte negativa estaba constituida por electrones,
los cuales se encontraban según este modelo inmersos en una masa de carga
positiva a manera de pasas en un pastel (de la analogía del inglés plum-pudding
model) o uvas en gelatina. Posteriormente Jean Perrin propuso un modelo
modificado a partir del de Thomson donde las «pasas» (electrones) se situaban
en la parte exterior del «pastel» (la carga positiva).
Para explicar la formación de iones, positivos y
negativos, y la presencia de los electrones dentro de la estructura atómica,
Thomson ideó un átomo parecido a un pastel de frutas. Una nube positiva que
contenía las pequeñas partículas negativas (los electrones) suspendidos en
ella. El número de cargas negativas era el adecuado para neutralizar la carga
positiva. En el caso de que el átomo perdiera un electrón, la estructura
quedaría positiva; y si ganaba, la carga final sería negativa. De esta forma,
explicaba la formación de iones; pero dejó sin explicación la existencia de las
otras radiaciones.
El modelo desarrollado por el físico Ernest Rutherford
a partir de los resultados obtenidos en lo que hoy se conoce como el experimento
de Rutherford en 1911 Representa un avance sobre el modelo de Thomson, ya que
mantiene que el átomo se compone de una parte positiva y una negativa, sin
embargo, a diferencia del anterior, postula que la parte positiva se concentra
en un núcleo, el cual también contiene virtualmente toda la masa del átomo, mientras
que los electrones se ubican en una corteza orbitando al núcleo en órbitas
circulares o elípticas con un espacio vacío entre ellos. A pesar de ser un
modelo obsoleto, es la percepción más común del átomo del público no
científico. Rutherford predijo la existencia del neutrón en el año 1920, por
esa razón en el modelo anterior (Thomson), no se habla de éste.
Por desgracia, el modelo atómico de Rutherford
presentaba varias incongruencias:
Contradecía
las leyes del electromagnetismo de James Clerk Maxwell, las cuales estaban muy
comprobadas mediante datos experimentales. Según las leyes de Maxwell, una
carga eléctrica en movimiento (en este caso el electrón) debería emitir energía
constantemente en forma de radiación y llegaría un momento en que el electrón
caería sobre el núcleo y la materia se destruiría. Todo ocurriría muy
brevemente.
No
explicaba los espectros atómicos.
El Modelo atómico de Bohr es estrictamente un modelo
del átomo de hidrógeno tomando como punto de partida el modelo de Rutherford,
Niels Bohr trata de incorporar los fenómenos de absorción y emisión de los
gases, así como la nueva teoría de la cuantización de la energía desarrollada
por Max Planck y el fenómeno del efecto fotoeléctrico observado por Albert
Einstein. Postula:
El átomo es un pequeño sistema solar con un núcleo en
el centro y electrones moviéndose alrededor del núcleo en órbitas bien
definidas». Las órbitas están cuantizadas (los e- pueden estar solo en ciertas
órbitas)
Cada órbita tiene una energía asociada. La más externa
es la de mayor energía.
Los electrones no radian energía (luz) mientras
permanezcan en órbitas estables.
Los electrones pueden saltar de una a otra órbita. Si
lo hace desde una de menor energía a una de mayor energía absorbe un cuanto de
energía (una cantidad) igual a la diferencia de energía asociada a cada órbita.
Si pasa de una de mayor a una de menor, pierde energía en forma de radiación
(luz).
Bohr no pudo explicar la existencia de órbitas
estables y para la condición de cuantización.
Después de que Louis-Victor de Broglie propuso la
naturaleza ondulatoria de la materia en 1924, la cual fue generalizada por
Erwin Schrödinger en 1926, se actualizó nuevamente el modelo del átomo.
En el modelo de Schrödinger se abandona la concepción
de los electrones como esferas diminutas con carga que giran en torno al
núcleo, que es 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.
El modelo de Dirac usa supuestos muy similares al
modelo de Schrödinger aunque su punto de partida es una ecuación relativista
para la función de onda, la ecuación de Dirac. El modelo de Dirac permite
incorporar de manera más natural el espín del electrón. Predice niveles
energéticos similares al modelo de Schrödinger proporcionando las correcciones
relativistas adecuadas.
Modelos posteriores
Tras el establecimiento de la ecuación de Dirac, la
teoría cuántica evolucionó hasta convertirse propiamente en una teoría cuántica
de campos. Los modelos surgidos a partir de los años 1960 y 1970 permitieron
construir teorías de las interacciones de los nucleones. La vieja teoría
atómica quedó confinada a la explicación de la estructura electrónica que sigue
siendo explicada de manera adecuada mediante el modelo de Dirac complementado
con correcciones surgidas de la electrodinámica cuántica. Debido a la
complicación de las interacciones fuertes sólo existen modelos aproximados de
la estructura del núcleo atómico. Entre los modelos que tratan de dar cuenta de
la estructura del núcleo atómico están el modelo de la gota líquida y el modelo
de capas.
Posteriormente, a partir de los años 1960 y 1970,
aparecieron evidencias experimentales y modelos teóricos que sugerían que los
propios nucleones (neutrones, protones) y mesones (piones) que constituyen el
núcleo atómico estarían formados por constituyentes más elementales denominados
quarks. La interacción fuerte entre quarks entraña problemas matemáticos
complicados, algunos aún no resueltos de manera exacta. En cualquier caso lo
que se conoce hoy en día deja claro que la estructura del núcleo atómico y de
las propias partículas que forman el núcleo son mucho más complicadas que la
estructura electrónica de los átomos. Dado que las propiedades químicas
dependen exclusivamente de las propiedades de la estructura electrónica, se
considera que las teorías actuales explican satisfactoriamente las propiedades
químicas de la materia, cuyo estudio fue el origen del estudio de la estructura
atómica.
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