Él átomo y los modelos atómicos

El átomo y los modelos atómicos

Teoría atómica del Universo de  Demócrito y Leucipo.                        

                   

                                     

Demócrito fue un filósofo y matemático griego. Fue el primero en dar el concepto del átomo. Él no apoya su teoría con experimentos, si no con razonamientos lógicos. Él fue discípulo del filósofo Leucipo. Su teoría junto a su mentor decía que:

-          Los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos, incompresibles e invisibles.

-          Los átomos se diferencian solo en forma y tamaño, pero no por cualidades internas.

-          Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los átomos.

La teoría atómica de Dalton.

                                               

John Dalton fue un químico y físico inglés que llegó a elaborar su teoría atómica estudiando y experimentando con los gases atmosféricos.

La teoría atómica de Dalton se resume en los siguientes enunciados:

-          La materia está formada por átomos, que son partículas indivisibles e indestructibles.

-          Todos los átomos de un mismo elemento químico son iguales en masa y en propiedades, y distintos de los átomos de cualquier otro elemento.

-          Los compuestos se forman por divisiones de los átomos de diversos elementos.

Dalton se equivocó. El átomo si era indivisible, tras esto los científicos comenzaron a realizar experiencias y a diseñar los modelos atómicos.

Descubrimiento de las partículas que componen el átomo.

Thomson realizó experiencias en tubos de descarga, tubos con un polo positivo y otro negativo entre los que se hace pasar una corriente eléctrica. Thomson encontró que en los átomos de los elementos químicos existe una partícula con carga eléctrica negativa, a la que denominó electrón.

Posteriores experiencias le permitieron al científico Ernest Rutherford a descubrir el protón. Finalmente James Chadwick descubrió el neutrón.

Hoy en día sabemos, además, que en el átomo hay otras partículas más pequeñas, llamadas quarks, que forman los protones y los neutrones.

Experimento con los rayos catódicos.

                      

Modelo atómico de Thomson.

                                                     

Según Thomson, el átomo debía ser como una gran masa de carga positiva, e insertados en ella, debían estar los electrones. La carga negativa de los electrones compensaba la carga positiva, para que el átomo fuera neutro.

                    

La experiencia de la lámina de oro.

Para comprobar si el modelo atómico de Thomson era cierto, los científicos Hans Geiger y Ernest Marsden, colaboradores de Rutherford, diseñaron una experiencia aprovechando algunos descubrimientos sobre la radioactividad que se hicieron en esa misma época.

A finales del siglo xix, Henri Becquerel descubrió que  un mineral de uranio emitía radiación de forma espontánea. Al analizarla, se comprobó que había en realidad tres radiaciones distintas, una de las cuales, los rayos alfa, estaba formada por partículas cargadas positivamente que tenían mucha energía. A este fenómeno se le denomina radioactividad.

                                            

El experimento consistió en hacer incidir un haz de partículas alfa sobre una fina lámina de oro y observar cómo dicha lámina afectaba a la trayectoria de los rayos.

Realizada la experiencia se obtuvieron los siguientes resultados:

-          La mayoría de las partículas alfa atravesaba la lámina de oro sin desviarse.

-          Una pequeña proporción de partículas atravesaba la lámina, pero sufrían una leve desviación.

-          Una de cada 10 000 partículas alfa rebotaba al llegar a la lámina y volvía hacia atrás.

El resultado de la experiencia de la lámina de oro sorprendió a los científicos, que no se podían explicar que algunas partículas alfa, al chocar a gran velocidad contra la finísima lámina salieran rebotadas. Para Rutherford este hecho solo se podía explicar si la carga positiva del átomo está concentrada en una parte muy pequeña del mismo, en lugar de distribuirse por el átomo, como suponía Thomson.

Modelo atómico de Rutherford.

                                                 

El átomo está formado por un núcleo muy pequeño y una corteza. En el núcleo está concentrada toda su carga positiva y casi toda su masa; en la corteza están los electrones girando alrededor del núcleo.

                                 

Modelo atómico de Bohr.

                                                  

El científico danés Niels Bohr realizó una serie de estudios de los que dedujo que los electrones de la corteza giran alrededor del núcleo describiendo solo determinadas órbitas circulares.

Así pues, en el átomo, los electrones se organizan en capas y, en cada capa tendrán una cierta energía; por esto a las capas se les denomina niveles de energía.

La principal diferencia entre el modelo atómico de Rutherford y el de Bohr es que en el primero los electrones giran describiendo órbitas que pueden estar a una distancia cualquiera del núcleo, mientras que en el modelo de Bohr los electrones solo se pueden encontrar girando en determinados niveles de energía, esta característica se denomina estar cuantizado.

                                  

Modelo atómico de Sommerfeld.

                                                  

Sommerfeld perfeccionó el modelo atómico de Bohr. Con la ayuda de la teoría de la relatividad de Albert Einstein, hizo las SIGUIENTES modificaciones al modelo de Bohr:

-          Los electrones se mueven alrededor del núcleo, en órbitas circulares o elípticas.

-          A partir del segundo nivel energético existen dos o más subniveles en el mismo nivel.

-          El electrón es una corriente eléctrica minúscula.

                                           

Modelo atómico Schrödinger.

                                                  

Es el denominado modelo mecánico-cuántico del átomo, que fue establecido por Edwin Schrödinger.

La diferencia más importante del modelo atómico actual con el del átomo de Bohr es que se sustituye la idea de la que el electrón se sitúa en determinadas capas o niveles de energía por la probabilidad de encontrar al electrón en una cierta región del espacio: orbital.

Un orbital es una región del espacio en la que existe una probabilidad máxima de encontrar al electrón.

       

La mecánica cuántica.

Existe una diversa multiplicidad de estados, los cuales habiendo sido descritos mediante ecuaciones matemáticas por los físicos, son denominados estados cuánticos. De esta forma la mecánica cuántica puede explicar la existencia del átomo y revelar los misterios de la estructura atómica, tal como hoy son entendidos.

Ecuación de Schrödinger.

La ecuación de Schrödinger describe la evolución temporal de una partícula masiva no relativista. Es de importancia central en la teoría de la mecánica cuántica, donde representa para las partículas microscópicas un papel análogo a la segunda ley de Newton en la mecánica clásica. Las partículas microscópicas incluyen a las partículas elementales, tales como electrones, así como sistemas de partículas, tales como núcleos atómicos.

Modelo atómico de Heisenberg.

                                                  

En 1925, Heisenberg comenzó a desarrollar un sistema de mecánica cuántica, denominado mecánica matricial, en el que la formulación matemática se basaba en las frecuencias y amplitudes de las radiaciones absorbidas y emitidas por el átomo y en los niveles de energía del sistema atómico. Este modelo se basa en la dualidad de la materia que se comporta como onda y partícula y en el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Principio de incertidumbre de Heisenberg.

                                            

En 1927, el físico alemán Werner Heisenberg se dio cuenta de que las reglas de la probabilidad que gobiernan las partículas subatómicas nacen de la paradoja de que dos propiedades relacionadas de una partícula no pueden ser medidas exactamente al mismo tiempo. Por ejemplo, un observador puede determinar o bien la posición exacta de una partícula en el espacio o su momento (el producto de la velocidad por la masa) exacto, pero nunca ambas cosas simultáneamente. Cualquier intento de medir ambos resultados conlleva a imprecisiones.

Curiosidades

El modelo del átomo cúbico fue de los primeros modelos atómicos, en el que los electrones del átomo estaban situados en los ocho vértices de un cubo. Esta teoría la desarrolló en 1902 Gilbert N. Lewis. Sirvió para dar cuenta del fenómeno de la valencia. Fue desarrollada posteriormente por Irving Langmuir en 1919, como el átomo del octeto cúbico.

Aunque el modelo del átomo cúbico se abandonó pronto en favor del modelo mecánico cuántico basado en la ecuación de Schrödinger, y es por tanto sólo de interés histórico, representó un paso importante hacia el entendimiento del enlace químico. El artículo de 1916 de Lewis también introdujo el concepto del par de electrones en el enlace covalente, la regla del octeto, y la ahora llamada estructura de Lewis.