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Colegio
El Valle Sanchinarro
Dpto. Ciencias
Asignatura: FyQ 3º ESO
Ficha teórica
Resumen y puente entre modelos
Revisado:09/08/20
17 Páginas: 1/8
RESUMEN Y PUENTE ENTRE MODELOS ATÓMIC0S
Modelo de Dalton
1º) Afianza la idea fundamentales de los filósofos griegos
atomistas:
----- Llega un tamaño en que la materia ya no puede dividirse más. Por tanto,
existe una partícula de materia pequeñísima que es indivisible. Le llamamos átomo.
Pero John Dalton lo hace desde una perspectiva empírica, es decir,
experimental, y no filosófica, por ello, se le suele atribuir como parte de su teoría
atómica, que fue la primera que se considera por ser precisamente basada en
cálculos y experimentos.
2º)Apoya con su teoría la idea inicial aportada también por los
griegos, y posteriormente afianzada de forma teórica y práctica por
Antoine Lavoisier:
----- La materia está formada por elementos.
Además aporta varias ideas fundamentales más:
D Cada átomo de cada elemento es diferente.
D La característica para diferenciar átomos de cada elemento es su masa.
D Los átomos se pueden agrupar entre sí para formar partículas compuestas (el
concepto de molécula aún no se había establecido, por eso anotamos partículas
compuestas).
D Estas partículas complejas se pueden descomponer y dar lugar a otras
diferentes, e incluso a elementos.
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Modelo de J.J. Thomson
Demuestra con experimentos que:
J La materia, el átomo “neutro” es divisible hasta el punto de dividirse en zonas
con carga.
J La parte positiva no se mueve, y es una especie de masa difusa.
J La parte negativa consiste en partículas negativas que se encuentran
estabilizadas de algún modo en esa masa positiva.
J Las partículas negativas pueden extraerse del átomo, y por tanto pueden
moverse.
J Las partículas negativas poseen masa.
J Las partículas negativas se mueven a grandes velocidades, mayores cuanto más
lo es la diferencia de potencial aplicada.
MODELO PROPUESTO
Con todo lo anterior comprobado experimentalmente, describe al átomo
como una especie de masa difusa con carga positiva donde se encuentran
colocados (vibrando), pero en posiciones relativamente fijas, partículas con carga
negativa.
Por encontrarse los electrones en posiciones aproximadamente fijas se le
llamó modelo estático. También se le llamó modelo del pudin de ciruelas, por
parecerse a este postre.
Con este modelo consiguió explicar un fenómeno tan importante como la
electricidad, y abrió la puerta a explicaciones más avanzadas para los fenómenos,
magnéticos, la radiactividad, los rayos X, y el entendimiento del espectro
electromagnético.
Posteriores experimentos del equipo de Thomson le permitieron proponer
los siguientes postulados (esto no deben estudiarlo los alumnos de tercero)
J La carga positiva también se encuentra en ciertas partículas.
J La masa de las partículas positivas era mucho mayor que la de las positivas
(unas 1836 veces).
J La velocidad de las partículas positivas es despreciable frente a la de los
electrones, por lo que se consideran aproximadamente fijas en el núcleo.
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La primera propuesta sobre una cantidad indivisible de carga eléctrica fue
propuesta como una hipótesis teórica para explicar las propiedades químicas de los
átomos por el naturalista británico Richard Laming en 1838. El nombre de electrón
se propuso en 1894 por el físico irlandés George Johnstone Stoney. Sin embargo no
fue descubierto hasta 1897 por Thomson. Fue la primera partícula que no se podía
dividir en fracciones más pequeñas. A una partícula que no se le puede dividir ya no
se le podía llamar átomo, pues esa palabra ya tenía otro significado aceptado, y se le
puso el nombre de partícula elemental.
Modelo de Ernest Rutherford
Demuestra con experimentos que:
R La masa del átomo se encuentra en una pequeña parte a la que llamó núcleo.
R En el núcleo también se aloja o encuentra la carga positiva del átomo.
MODELO PROPUESTO
Sin despreciar lo demostrado por su maestro Thomson, propone y razona lo
siguiente.
E El núcleo se encuentra en la parte central del átomo, de lo contrario sería
menos estable.
E Alrededor del núcleo hay una zona mucho mayor que el núcleo (en proporción
como una canica frente al tamaño de un campo de futbol), prácticamente vacía, donde se
encuentran los electrones.
E Los electrones se mantienen en trayectorias circulares, a las que llamó órbitas,
alrededor del núcleo.
Al estar la masa concentrada en una zona muy pequeña, no haber nada que los sustente,
los electrones no pueden estar encajados y estáticos en una masa difusa, como proponía
Thomson. Por ello ha de justificar su posición alrededor del núcleo de otro modo. Lo hace
considerando por un lado la fuerza de atracción al núcleo debido a la atracción eléctrica y por
otro la fuerza centrífuga debido al movimiento en trayectorias curvas (circunferencias). Según
él, ambas fuerzas se compensaban y mantenían en órbita al electrón en órbita alrededor del
núcleo. Cada electrón en su órbita.
Recordaba al movimiento de traslación de los planetas alrededor del Sol, por lo que se le
llamó modelo planetario.
E Los electrones podían estar en cualquier órbita, es decir, a cualquier distancia
(o radio) del núcleo. Por ello podían poseer cualquier energía.
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Nota sobre energía, posición (altura) y velocidad
Recordemos que la E de un cuerpo o de una onda se puede medir en función
de su posición respecto a un punto de referencia y en función de su velocidad.
Además, posición y velocidad son intercambiables en cuanto a la energía.
Según su posición. En un décimo piso, y con respecto al suelo como
referencia, poseemos más energía que si estamos en el quinto, y menos energía
aún tendremos en el primero. Bastaría tirarse por la ventana para comprobarlo. La
E acumulada debido a la altura (Ep=mgh) es mayor cuanto mayor es la altura.
Según su velocidad. Preferimos que alguien choque despacio con nosotros
que a gran velocidad. Preferimos que las ondas electromagnéticas que nos
alcanzan vayan… no demasiado rápido, como las de la luz visible, frente a las
ondas de los rayos X, rayos gamma, que van tan rápido que la energía
transportada por ellas nos puede producir cáncer si nos exponemos lo suficiente.
Ec= ½ mv2
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Modelo de Niels Bohr
El modelo de Rutherford, maestro de Bohr, no explica los espectros
electromagnéticos, y por otra parte contradecía una de las leyes del
electromagnetismo de Maxwell (toda partícula cargada desprende energía si se
mueve). Además, Bohr se fija en una idea propuesta por Plank: no son posibles
todas las energías para una partícula, es decir la energía se muestra en
paquetes y no de forma continua.
Esta idea fue revolucionaría, y el mismo Plank, a pesar de ser quien la propuso, murió sin
creérsela. Realmente la idea surgió como el único modo de resolver las expresiones matemáticas, es
decir, las leyes, que surgían de ciertos experimentos cuyos datos estaban completamente confirmados.
Pensemos sobre el detalle anterior. La complejidad de los conocimientos era, ya entonces, tan
elevada, que las ideas surgían no solo de los hechos experimentales, sino del estudio teórico, ¡en el papel,
con cálculos, a partir de expresiones matemáticas!
Por tanto, a la energía le ocurría lo mismo que a la materia: estaba cuantizada, pues se podía
dividir en cantidades, no era continua, es decir, había espacio vacío entre ella. Es la cuantización de la
energía, y fue el comienzo de la mecánica cuántica, o simplemente la cuántica.
MODELO PROPUESTO
Teniendo en cuenta todo lo sabido hasta entonces, los dos problemas citados, la idea de Plank, y
el efecto fotoeléctrico (idea complicada que no explicamos, solo citamos), Bohr propuso un átomo
descrito del modo siguiente, donde recoge parte del de Rutherford. En primer lugar recogió las ideas
anteriores que se mantenían válidas.
B El átomo posee dos zonas, el núcleo y la corteza.
B En el núcleo se encuentra su carga positiva y la mayor parte de la masa atómica.
En la corteza se encuentran los electrones, con la carga negativa.
B La masa de las partículas positivas es muchísimo mayor que la de las negativas,
unas 1836 veces.
Llevémoslo a nuestro mundo, a nuestra sensibilidad. Si consideramos una persona de 80kg, esta
masa sería ridícula frente a 146880kg, es decir, casi 147 toneladas: esta es también la proporción para
protones y electrones.
B Los electrones se mueven a mucha velocidad con respecto a las partículas
positivas, que por lo tanto se pueden considerar fijas.
B Los electrones se mueven en órbitas circulares alrededor del núcleo.
Hasta aquí, N. Bohr recoge ideas anteriores. Sus aportaciones son las siguientes.
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B No todas las órbitas son posibles o permitidas, sino solo unas cuantas, a las que
llama órbitas estacionarias. Por tanto sólo son permitidas ciertas energías para
los electrones.
B La energía de las órbitas es mayor cuanto más alejada esté del núcleo.
(Recordemos las ideas de posición y velocidad en cuanto a la E)
B Los electrones pueden cambiar de órbita estacionaria: si pasan a una más
alejada (con más E) que su órbita estacionaría absorben E; al volver a su órbita
estacionaria emiten la E absorbida.
B La energía que absorben o emiten corresponde a la diferencia de energía entre
órbitas. Debido a que a cada órbita se le asigna o le corresponde una energía, se
habla también de niveles energéticos para referirnos a órbitas.
1)
Con este modelo de la materia
Se explicaban los espectros electromagnéticos (un hecho experimental) de
los elementos.
A base de desarrollo matemático basado en sus suposiciones, Bohr encontró la ley matemática
que a lo largo de muchos años los espectroscopistas (físicos experimentales que procuraban
entender los espectros) había desarrollado para que cuadrasen los datos experimentales sin en
realidad entender por qué ocurría así. Esto fue un éxito fulminante.
2)
Se cumplían las leyes de Maxwell (con prestigio y crédito casi ilimitados,
pues resolvían y explicaban todos los experimentos hasta la fecha.
3)
Estaba de acuerdo con el efecto fotoeléctrico (hecho experimental, real.
4)
Estaba de acuerdo con la idea (en aquellos momentos tan revolucionaria que
sorprendía a toda la comunidad científica) de la cuantización de la E.
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Shrödinguer y Heisenberg
A partir del modelo de Bohr, las aportaciones han aunque muy importantes, no han sido
tan amplias en cuanto a cantidad, podríamos decir que se han ido aportando modificaciones
paso a paso. Quizá debido a que ya se iba conociendo mucho sobre la naturaleza de la materia, y
que se necesitaba un aparato tecnológico mucho mayor para explicar más allá. Prueba de ello es
el acelerador de partículas (LHC) situado cerca de Ginebra, entre Francia y Suiza.
En un documental se habla de “Catedrales de la ciencia” para referirse a los aceleradores
de partículas. Se trata de una zanja en forma de círculo de 27km de radio y a 100m de
profundidad, repleto de material científico de primer orden que se inauguró en 2000 y que tuvo
un precio de unos 10000 millones de dólares; es el experimento científico más grande de la
historia de la humanidad. Las fotos que se pueden ver en la red son estremecedoras.
Ya tuvo precedentes en USA, con el Tevatron en el Laboratorio Nacional de Aceleradores
de Fermi (Fermilab, en honor al físico Enrico Fermi), que comenzó a funcionar en 1983, y se
apagó definitivamente en septiembre de 2001.
Posteriormente se construyó en Suiza el LEP, el Gran Colisionador de Electrones y
Protones, activo entre 1989 y 2000. En 1980 ya se propuso en USA la construcción del
Supercolisionador Superconductor (SSC), que funcionaría con energías tres veces mayor el LHC,
pero al final no fue aprobado por los gobernantes debido a su precio.
Salvo el precio, extraído de un artículo de docuciencia.com, el resto de datos se han tomado del
libro La partícula divina al final del universo, de Sean Carrol, editado por Debate.
A finales del siglo XIX y comienzos del XX, había una cuestión que traía de
cabeza a la comunidad científica: el comportamiento de los electrones. Los
experimentos confirmaban que se comportaban como ondas y también como
partículas. Sin embargo los científicos no creían que pudieran ser ambas cosas a la
vez, por lo que aparecieron dos bandos: el británico, que los defendía como
partículas, y el europeo (alemán) que pensaba que eran ondas.
Se le puso nombre, y fue un paso muy importante en el entendimiento de la
materia: “la dualidad onda corpúsculo”.
La figura genial del francés De Broglie puso de acuerdo ambas partes, pues
propuso una modificación en las expresiones matemáticas (leyes) que describían
el comportamiento de las partículas que hacía posible, y además demostraba, pues
se ajustaba a los datos experimentales donde los electrones se comportaban de
ambos modos.
De este modo, se confirmaba que a nivel de partículas subatómicas, la
materia se comportaba como onda y como partícula.
Ante este panorama, el alemán Shrödinguer propuso la siguiente idea.
Si los electrones fueran únicamente partículas, probablemente podríamos
conocer su posición y velocidad, como para cualquier partícula o cuerpo que
vemos cada día, por ejemplo un coche, una persona, un insecto. Sin embargo, si
también se comporta como onda, no se puede decir que esté aquí o allí, está en
todas partes a la vez. Con lo cual lo único que podemos decir con certeza es que
probablemente se encuentre en ciertas zonas, y por tanto solo podremos decir
que… con cierta probabilidad, el electrón se encuentra en ciertas zonas. El
aparato matemático que este físico desarrolló es complejísimo.
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Teniendo en cuenta que las órbitas eran algo concreto, determinado,
Shrödinguer propuso que el electrón se encontraba en zonas espaciales, no en
órbitas lineales, a las que llamó orbitales. Unas especies de nubes en las que con
cierta probabilidad (como la de que salga un 2 al lanzar un dado) se encuentra el
electrón. Es típico hablar de nubes electrónicas o de densidades electrónicas.
Poco tiempo después, otro físico genial, Heisenberg, demostró
matemáticamente que, a la vez, era imposible conocer con certeza la posición y la
velocidad de una partícula elemental. Si conocías con mucha precisión la
velocidad, solo se podía conocer la posición con muy poca precisión, total, que era
como no conocer la posición. Y viceversa.
Y Entonces…
¿Cuál es el modelo atómico de la materia actual?
Se llama Modelo Estándar. Damos unas pinceladas muy generales.
Propone que hay dos tipos de partículas:


Las que componen la materia, conocidas como fermiones.
Las que transportan las fuerzas, llamadas bosones.
La diferencia entre ambas es que los fermiones ocupan espacio, mientras que los bosones
no, con lo cual se pueden acumular en la misma posición.
Los átomos, es decir, la materia, están formados únicamente por los tres tipos de fermiones
conocidos: electrones, quarks down y quarks up. Estos fermiones se mantienen unidos por las
fuerzas.
El núcleo está formado por neutrones y protones, (partículas no elementales)que a su vez
están formadas por quarks. Es relativamente pesado (estamos hablando de átomos, y
comparando la masa del núcleo con la de los electrones, de ahí lo de “relativamente”) y ocupa un
espacio relativamente pequeño.
Los electrones son unas 1840 veces menos pesados que cualquiera de los dos nucleones,
pero ocupan mucho más espacio. En realidad, son los electrones con su movimiento constante,
los que hacen que la materia sea sólida.
Extraído del libro La partícula divina al final del universo, de Sean Carrol, editado por Debate.
Hay un modelo precioso, recogido por Cantinflas en uno de sus muchos videos didácticos sobre la
ciencia, al pedalear sobre una bicicleta: nos sería imposible meter el dedo entre los radio. Y si su
velocidad fuera la de los electrones no podríamos introducirlo nada, nos parecería sólido. Sin embargo, ni
los ciclistas más potentes conseguirían mover los radios a velocidades de la luz, con lo cual podríamos
introducir algo el dedo… Otra idea vista en algunos videos, pero dando una idea de las dimensiones del
espacio que ocupa el núcleo y el electrón, es la de que si pretendiésemos entrar en un campo de futbol,
donde hubiera una canica en el centro simbolizando el núcleo, no podríamos, pues todos los electrones se
moverían tan rápido que harían el efecto de una puerta cerrada. Los electrones ocuparían el resto del
campo, incluyendo todas las gradas.
Y mucho más, pero de momento… ya vale ¿no?