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EL ÁTOMO DIVISIBLE
MODELOS ATÓMICOS
Abril 2006
A MEDIADOS DEL XIX, ESTUDIOS
RELACIONADOS CON LA NATURALEZA
ELÉCTRICA DE LA MATERIA Y EN CONCRETO,
CON LA NATURALEZA DE LA CHISPA QUE SALTA
ENTRE DOS OBJETOS CARGADOS QUE ESTÁN
PRÓXIMOS, CUESTIONARON AL ÁTOMO COMO
PARTÍCULA INDIVISIBLE.
EL DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS
CATÓDICOS CONDUJO AL DESCUBRIMIENTO DEL
ELECTRÓN Y POR TANTO A LA IDEA DE UN
ÁTOMO DIVISIBLE.
DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS
CATÓDICOS
1875 WILLIAN CROOKE ESTUDIANDO LA CHISPA QE
SALTA ENTRE DOS ELECTRODOS INTRODUCIDOS EN
UN TUBO DE VIDRIO QUE CONTIENE UN GAS,
OBSERVÓ QUE CUANDO LA PRESIÓN DEL GAS ES
BAJA NO SE PRODUCE CHISPA Y APARECE UNA LUZ
CARACTERÍSTICA DEL GAS.
SI LA PRESIÓN DEL GAS SE REDUCE AÚN MÁS
DESAPARECE LA LUZ DE COLOR EMITIDA POR EL
GAS Y APARECE UNA DÉBIL FLUORESCENCIA EN LA
PARED DEL TUBO DE VIDRIO FRENTE AL CÁTODO O
ELECTRODO NEGATIVO.
ESTA FLUORESCENCIA PROCEDÍA DEL
CHOQUE DE UNOS RAYOS PROCEDENTES
DEL CÁTODO CON LA PARED DEL TUBO.
EUGEN GOLDSTEIN LLAMÓ A ESTOS
RAYOS “RAYOS CATÓDICOS”
TUBO DE RAYOS CATÓDICOS
FLUORESCENCIA
RAYOS
CATÓDICOS
CÁTODO
ÁNODO
ESQUEMA DE
TUBO DE VIDRIO
CON UN GAS A
ALTO VACÍO
DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRÓN
1897 JOSEPH JOHN THOMSON ESTUDIANDO
SI LOS RAYOS CATÓDICOS SE DESVIABAN EN
PRESENCIA DE CAMPOS ELÉCTRICOS Y
MAGNÉTICOS, COMPROBÓ QUE TENÍAN
CARGA ELÉCTRICA NEGATIVA Y HALLÓ SU
RELACIÓN CARGA/MASA (1,76.1011 C/kg).
LA RELACIÓN CARGA/MASA ERA SIEMPRE LA
MISMA INDEPENDIENTEMENTE DEL TIPO DE
GAS DEL TUBO, DEL TIPO DE METAL DEL
CÁTODO…
LAS PROPIEDADES DE LOS RAYOS
CATÓDICOS SE PODÍAN EXPLICAR SI
ESTUVIERAN FORMADOS POR PARTÍCULAS
MÁS PEQUEÑAS QUE LOS ÁTOMOS Y SE LES
LLAMÓ ELECTRONES.
ROBERT MILLIKAN, CON SU
EXPERIMENTO DE LA GOTA DE ACEITE,
DETERMINÓ EN 1909 LA CARGA ELÉCTRICA
DEL ELECTRÓN (1,602.10-19 C) Y A
CONTINUACIÓN SU MASA (9,1.10-31 kg, dos mil
veces inferior a la del átomo de H)
J.J. THOMSON
1897
PROBLEMAS QUE PLANTEÓ EL
DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRÓN
SI LA MATERIA ES NEUTRA, ADEMÁS DE ELECTRONES DEBE
HABER CARGA POSITIVA EN LOS ÁTOMOS, PERO ¿CÓMO SE
ENCUENTRAN DENTRO DEL ÁTOMO?
SI LOS ELECTRONES TIENEN MASA TAN PEQUEÑA,¿DÓNDE SE
ENCUENTRA LA MAYOR PARTE DE LA MASA DE LOS ÁTOMOS?
¿POR QUÉ LAS PARTÍCULAS QUE SE OBTENÍAN DE LOS
ÁTOMOS ERAN SIEMPRE ELECTRONES Y NUNCA PARTÍCULAS
CON CARGA POSITIVA?
MODELOS ATÓMICOS
1.-MODELO DE THOMSON (1904)
IMAGINÓ A LOS ÁTOMOS COMO ESFERAS MACIZAS DE CARGA
POSITIVA NEUTRALIZADA POR LOS ELECTRONES, QUE
ESTARÍAN INCRUSTADOS EN ELLAS.
2.-MODELO DE RUTHERFORD (1911)
IMAGINÓ A LOS ÁTOMOS CASI VACÍOS, CON LA CARGA
POSITIVA CONCENTRADA EN UNA ZONA LLAMADA NÚCLEO Y
LOS ELECTRONES DANDO VUELTAS EN TORNO A ÉL.
ERNEST RUTHERFORD
MODELOS ATÓMICOS
SI IMAGINAMOS UN ÁTOMO CON LAS DIMENSIONES DE UN
ESTADIO DE FÚTBOL, SU NÚCLEO SERÍA DEL TAMAÑO DE UNA
CANICA COLOCADA EN EL CENTRO.
EXPERIMENTO DE RUTHERFORD
Dirigió sobre una lámina de oro muy fina un haz de partículas α (carga
+) procedentes de una fuente radiactiva. La mayoría pasaba en línea recta,
pero alguna rebotaba.
PARTÍCULAS α
LÁMINA DE ORO
MODELOS ATÓMICOS
LAS PALABRAS DE
RUTHERFORD DESPUÉS DE
REALIZAR EL EXPERIMENTO
FUERON:
”ES LO MÁS INCREIBLE QUE
ME HA SUCEDIDO EN MI
VIDA. CASI TAN INCREIBLE
COMO SI AL DISPARAR BALAS
CONTRA UN PAPEL DE SEDA,
ALGUNAS SE VOLVIERAN
CONTRA USTED”.
DESCUBRIMIENTO DEL PROTÓN
EN 1886,GOLDSTEIN UTILIZÓ UN TUBO DE
RAYOS CATÓDICOS CON UN CÁTODO PERFORADO Y
OBSERVÓ UNOS RAYOS QUE IBAN EN SENTIDO
OPUESTO A LOS RAYOS CATÓDICOS, ES DECIR,
SALÍAN DEL ÁNODO (+) YSE MOVÍAN HACIA EL
ELECTRODO NEGATIVO O CÁTODO.
ESTOS RAYOS POSITIVOS ERAN DESVIADOS POR
CAMPOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS, LO QUE
DEMUESTRA SU NATURALEZA ELÉCTRICA, AUNQUE
DE SIGNO CONTRARIO A LA DE LOS RAYOS
CATÓDICOS.
LA RELACIÓN CARGA/MASA DE LAS PARTÍCULAS
POSITIVAS SÍ DEPENDE DEL TIPO DE GAS
ENCERRADO EN EL TUBO.
SI EL GAS ERA HIDRÓGENO CADA PARTÍCULA
POSITIVA TENÍA UNA MASA 2000 VECES MAYOR
QUE LA DEL ELECTRÓN Y POR TANTO
PRACTICAMENTE IGUAL A LA DEL ÁTOMO DE H.
SU CARGA + IGUAL A LA DEL ELECTRÓN.
DESCUBRIMIENTO DEL PROTÓN
LA PARTÍCULA + SE IDENTIFICÓ CON EL IÓN
H+ Y ERNEST RUTHERFORD LE LLAMÓ
PROTÓN.
Rutherford en 1919 a través de reacciones como
14
7N
+ partícula α →
16
8O
+
1
1H
Siempre aparecía el núcleo de Hidrógeno (H+).
Independiente de si era Nitrógeno (N) u otro núcleo, p.e.
Boro, Fluor, Neón, Sodio etc...
Se concluyó que el núcleo de Hidrógeno era uno de los
componentes fundamentales de todos los núcleos:el protón.
DESCUBRIMIENTO DEL NEUTRÓN
CON EL DESCUBRIMIENTO DEL PROTÓN, SURGIÓ LA
PREGUNTA: ¿CUÁL ES LA ESTRUCTURA DEL NÚCLEO?¿CÓMO
PUEDEN PERMANECER LOS PROTONES, SIENDO CARGAS
DEL MISMO SIGNO, EN UN ESPACIO TAN REDUCIDO?
EN 1920, RUTHERFORD SUGIRIÓ LA EXISTENCIA DE
OTRA PARTÍCULA SIN CARGA A LA QUE LLAMÓ NEUTRÓN.
ENTRE PROTONES Y NEUTRONES EXISTIRÍAN FUERZAS
ATRACTIVAS DE UNA NUEVA NATURALEZA (FUERZAS
NUCLEARES) QUE SUPERASEN A LAS FUERZAS DE REPULSIÓN
ELÉCTRICAS.
Descubrimiento del neutrón
J. Chadwick, 1932
BOMBARDEÓ BERILIO CON PARTÍCULAS α Y DETECTÓ POR PRIMERA VEZ
A LOS NEUTRONES YA PREDICHOS EN 1920 POR RUTHERFORD.
LAS PARTÍCULAS FUNDAMENTALES CONSTITUYENTES DEL ÁTOMO
DESCUBIERTAS HASTA ESE MOMENTO:
partícula
Carga (C)
Masa (g)
Masa (U)
electrón
-1,6.10-19
9,1.10-28
0,00055
protón
1,6.10-19
1,673.10-24
1,0076
neutrón
0
1,675.10-24
1,0090
MODELOS ATÓMICOS
3.- MODELO DE BOHR (1913)
EL DANÉS NIELS BOHR ELABORA UN NUEVO
MODELO ATÓMICO PARA SUPERAR LOS
FALLOS DEL MODELO NUCLEAR DE
RHUTERFORD, A SABER:
1.- CUALQUIER CARGA EN MOVIMIENTO EMITE
ENERGÍA, POR TANTO EL ELECTRÓN
TERMINARÍA CHOCANDO CON EL NÚCLEO.
2.- EL Nº DE PROTONES, ELECTRONES Y
NEUTRONES NO EXPLICABA QUE HUBIERA
ÁTOMOS CON PROPIEDADES MUY
DIFERENTES (Li y He) Y OTROS CON
PROPIEDADES MUY PARECIDAS (Li y Na). NO
EXPLICABA CÓMO ESTABAN DISTRIBUIDOS
LOS ELECTRONES.
3.- TAMPOCO SE EXPLICA EL HECHO DE QUE
CADA ELEMENTO QUÍMICO GENERA UN
ESPECTRO DE EMISIÓN CARACTERÍSTICO.
Los átomos de gases calientes emiten y absorben luz a ciertas
longitudes de onda.
En el gráfico de arriba, se demuestran tres espectros de emisión y uno
de absorción.
MODELOS ATÓMICOS
MODELO DE BOHR
( COMPAGINÓ EL ÁTOMO NUCLEAR DE RUTHERFORD CON LA NUEVA FÍSICA QUE
ESTABA SURGIENDO, FÍSICA CUÁNTICA):
1.- MIENTRAS EL ELECTRÓN ESTÁ EN UNA ÓRBITA DETERMINADA
NO IRRADIA ENERGÍA (ÓRBITA ESTACIONARIA).
2.- UN ELECTRÓN NO PUEDE ENCONTRARSE A CUALQUIER
DISTANCIA DEL NÚCLEO (EL RADIO DE LA ÓRBITA ESTÁ
CUANTIZADO), POR LO TANTO LA ENERGÍA DEL SISTEMA HA
DE TENER UNOS VALORES DETERMINADOS.
3.- ES SÓLO CUANDO EL ELECTRÓN PASA DE UNA ÓRBITA A OTRA
CUANDO EMITE O ABSORBE LA DIFERENCIA DE ENERGÍA ΔE
EN FORMA DE RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA (FOTONES).
ÁTOMO DE HIDRÓGENO
Representación de las
órbitas
n
distancia
1
0,53 Å
2
2,12 Å
3
4,76 Å
4
8,46 Å
5
13,22 Å
6
19,05 Å
7
25,93 Å
Diagrama del modelo
atómico de Bohr.
Niels Bohr s
FALLOS DEL MODELO DE BOHR
SÓLO PODÍA EXPLICAR EL ESPECTRO DE EMISIÓN
DEL HIDRÓGENO.
NO PODÍA EXPLICAR POR QUÉ EN UN MISMO
ESPECTRO HABÍA UNAS RAYAS MÁS INTENSAS QUE
OTRAS.
EN EL ENLACE QUÍMICO, NO PODÍA EXPLICAR POR
QUÉ UNAS MOLÉCULAS SON LINEALES ( CO2) Y
OTRAS ANGULARES (H2O).
MODELO CUÁNTICO ACTUAL
EL FRANCÉS LOUIS DE BROGLIE (1924)
PROPUSO QUE LOS ELECTRONES POSEEN NO
SÓLO PROPIEDADES COMO PARTÍCULAS SINO
QUE TAMBIÉN SE COMPORTAN COMO ONDAS.
UN AÑO DESPUÉS, DAVISSON Y GERMER LO
COMPROBARON EXPERIMENTALMENTE AL
OBTENER LA DIFRACCIÓN DE ELECTRONES.
ENTRE 1925 Y 1930, CIENTÍFICOS COMO EL ALEMAN
WERNER HEISENBERG, EL AUSTRIACO ERWIN
SCHRÖDINGER Y EL INGLÉS PAUL DIRAC
DESARROLLARON LA MECÁNICA CUÁNTICA.
CON ESTE NUEVO MODELO YA NO SE HABLA
DE ÓRBITA (SINO DE ORBITAL), LOS
ELECTRONES NO SON COMO PEQUEÑAS
BOLITAS DESCRIBIENDO TRAYECTORIAS
DETERMINADAS ……
UN ORBITAL ATÓMICO ES UNA ZONA EN LA
QUE HAY MAYOR PROBABILIDAD DE
ENCONTRAR U N ELECTRÓN
Quarks
Fueron predichos
teóricamente en 1961 por M.
Gell-Mann y Y. Ne´eman.
Serían los constituyentes
fundamentales del protón y
neutrón.
Hay seis tipos distintos de quarks que los físicos han denominado
de la siguiente manera: "up" (arriba), "down" (abajo), "charm"
(encanto), "strange" (extraño), "top" (cima) y "bottom" (fondo).
•Fuerón observadas experimentalmente en colisiones electrón-protón
en DESY (Hamburgo) hacia 1968.
1970
1910
1897
1932
1808
1919