Historia del Átomo

Átomos: Una idea de los griegos

Hablar de las diferentes teorías del átomo significa remontarnos al siglo V a de C. cuando en la antigua Grecia, cuna de la civilización, comenzaron los primeros cuestionamientos científicos que llevaron al hombre a percatarse de las diversas leyes de que existen en la naturaleza y que rigen el comportamiento de la materia. Fueron los filósofos griegos Leucipo y su discipulo Demócrito de Abdera, quienes sugirieron que la materia estaba compuesta por diminutas partículas indivisibles, llamadas átomos, palabra que significa en griego indivisible. Ellos creían que las sustancias se podían dividir hasta cierto límite y que este límite llegaba precisamente a los átomos. Esta teoría no fue muy aceptada en su tiempo, incluso filósofos de la jerarquia de Aristoteles la rechazaron y durante más de 2000 años se considero que toda sustancia estaba formada por la combinación de cuatro elementos. tierra, aire, fuego y agua.

Cinco siglos más tarde, el poeta Romano Lucrencio escribió su largo poema "De la naturaleza de las cosas" En el citaba poderosos argumentos a favor de la naturaleza atómica de la materia. Pero unos siglos antes Aristóteles había declarado que la materia era continua, no atomista, y los antiguos griegos no disponían de medios para determinar cual de estos dos puntos de vista era el correcto. Los antiguos no emplearon prácticamente la experimentación, pues preferían el uso de la razón y la lógica. El concepto de continuidad de la materia parecía más lógico a los ojos de la mayoría de ellos, de modo que aceptaron el punto de vista de Aristóteles, el cual prevaleció durante 2000 años a pesar de ser erróneo.

John Dalton y la teória Atómica de la Materia

En 1803 Jhon Dalton, un maestro de escuela ingles, propuso su teoría atómica de la cual se destacan los siguientes postulados:

1. Toda la materia se compone de partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos.

2. Todos los átomos de un elemento dado son iguales. Pero los átomos de un elemento difieren de los átomos de cualquier otro elemento.

3. Átomos del mismo elemento tienen el mismo tamaño, masa y forma.

Dalton propuso que todos los átomos de otro eran iguales entre sí en todo sentido; esta era la razón por la cual al observarse una muestra de dicho metal aparecía homogénea.

4. Se forman compuestos cuando se combinan átomos de distintos elementos en proporciones fijas

5. Las reacciones químicas implican reordenamiento de átomos. Ningún átomo se crea, ni se destruye en una reacción química.

La teoría de Dalton explica con claridad la diferencia entre los elementos y los compuestos. Los elementos se componen de un solo tipo de átomos. Los compuestos están hechos de dos o más tipos de átomos combinados químicamente en proporciones definidas.

La mayor parte de los puntos teorizados por Dalton son aceptados aun hoy en día. Sin embargo, se demostró que su idea básica sobre la indivisibilidad del átomo era incorrecta.

Descubrimiento del Electrón

Dalton, quien propuso su teoría atómica 1803, concebía el átomo como duro e indivisible. Sin embargo, no paso mucho tiempo sin que se acumulasen indicios sobre la naturaleza eléctrica de la materia. De hecho, la descomposición electrolítica del agua por Nicholson y Carlisle en 1800 ya la había puesto al descubierto. La electricidad desempeñó un papel importante en la dilucidación de la estructura del átomo.

La electricidad estática se conocía desde los tiempos antiguos, pero la corriente eléctrica continua nació con el siglo XIX. Alessandro Volta inventó en 1800 lo que ahora conocemos como pila voltaica. Este dispositivo es una celda electroquímica, muy parecida a la batería moderna. Tiempo después de la invención de Volta, el químico británico Humphry Davy construyó una potente batería para hacer pasar electricidad por sales y muy pronto descubrió varios elementos nuevos. En 1807 Davy liberó potasio metálico, un material muy reactivo, a partir del hidróxido de potasio fundido. Poco después Davy produjo sodio metálico haciendo pasar electricidad por hidróxido de sodio fundido. En menos de un año Davy produjo además magnesio, estroncio, bario y calcio metálicos por primera vez. Había nacido la ciencia de la electroquímica.

Michael Faraday (1791-1867), protegido de Davy, amplió enormemente esta nueva ciencia y definió muchos de los términos que aún empleamos en la actualidad. La electrólisis es la ruptura de compuestos por medio de la electricidad. Un electrólito es un compuesto que conduce electricidad cuando fundido o disuelto en agua. Los electrodos son barras de carbón o tiras metálicas que se insertan en un fundido o en una solución para transportar la corriente eléctrica. En la electrólisis, el ánodo es el electrodo que tienen carga positiva y el cátodo es el que está cargado negativamente. Faraday formuló la hipótesis que la corriente es transportada en el compuesto fundido o en la solución por átomos con carga, a los que más tarde se dio el nombre de iones. Un anión es un ion con carga negativa; los aniones se desplazan hacia el ánodo. Un catión es un ion con carga positiva; los cationes se desplazan hacia el cátodo.

El trabajo de electroquímica de Faraday permitió establecer la naturaleza eléctrica de los átomo, pero para conocer con más detalle su estructura fue preciso esperar varias décadas para el desarrollo de tubos de descarga en gas y de fuentes más poderosas de voltaje eléctrico.

El descubrimiento de los electrones nació de estudiar el paso de la electricidad a través de los gases. Si encerramos en un tubo un gas y hacemos pasar corriente eléctrica por medio de electrodos conectados a una fuente eléctrica no se observa nada, pues los gases actuán como aislantes en condiciones naturales. Pero si se genera un vacío (disminuye la cantidad de gas, es decir, reduce la presión) y se aumenta la corriente eléctrica, se empezará a ver un hilo luminoso que pasa de un electrodo a otro y que al chocar con las paredes del recipiente produce una fluorescencia, sin embargo, Faraday no pudo llegar a una conclusión sobre los resultados de sus experimentos.

En el año de 1857 el alemán Heinrich Geissler, diseñó un tubo donde intensificó el vacio conectando dos electrodos metálicos, uno negativo llamado ánodo y otro positivo llamado cátodo a una fuente eléctrica de lato voltaje pudo observar la fluorescentica en las paredes del tubo que causaban los rayos. Observó que los rayos que se producían partían de cátodo y se transportaban hasta el ánodo, no importando el material que estuviese hecho el cátodo, por lo que los llamó rayos catódicos.

El inglés William Crookes (1832-1919) mejoró el tuvo de Geissler, fue el primero en sugerir la naturaleza de los rayos catódicos, y que podría tratarse de moléculas de gas cargadas eléctricamente en el cátodo, las cuales eran repelidas posteriormente por un campo eléctrico colocado en el exterior del tubo. Los rayos eran desviados por la acción del campo eléctrico y cuando chocaban con el vidrio producción fluorescencia.

En ese tiempo se sabia que un objeto cargado era afectado por un campo electromagnético, por lo que si los rayos catódicos presentaban carga, tendrían que ser desviados por la esta fuerza. En tonces, Joseph J. Thomson modificó el tuvo de rayos catódicos, colocando dos placas cargadas eléctricamente y un campo magnético. Ajustando el voltaje de la placas con los efectos desviadores del campo magnético los rayos catódicos viajaban en línea recta hasta el ánodo sin ser desviados. Al darse una variación en el campo eléctrico Thomson pudo demostrar que los rayos sufrían una desviación hacia la placa positiva del campo eléctrico que la placa negativa lo repelía. Con esto se concluyó que los rayos catódicos eran p mientras partículas cargadas negativamente a las que posteriormente Stoney llamó electrones.

Modelo Atómico de Thomson

Joseph Jhon Thomson (1856-1940) en 1897 demostró que los rayos catódicos se desviaban en un campo eléctrico. La placa positiva atraía el haz y la placa negativa lo repelía. Thomson llegó a la conclusión que los rayos catódicos se componen de partículas con carga negativa. Sus experimentos demostraron también que las partículas eran idénticas cualesquiera que fuesen los materiales de los que estaban hechos los electrodos o del tipo de gas que contenía el tubo. Su conclusión fue que estas partículas negativas forman parte de todo tipo de átomos. Se dio el nombre de electrón a esta unidades de carga negativa. Así pues los rayos catódicos son haces de electrones.

Thomson sabía que los átomos son eléctricamente neutros, por tanto debería existir otra partículas con la misma cantidad de carga que el electrón, pero de naturaleza positiva. Este razonamiento llevó a los científicos a suponer la existencia de otras partículas a la que llamaron protones, lo que llevó a Thomson a proponer un modelo atómico al que llamó "modelo de budín de pasas", también conocido como "pastel con pasas". Con este modelo se logró explicar por que los átomos solo podían emitir partículas negativas y no positivas.

Descubrimiento del Protón

En realidad, los protones fueron descubiertos antes que los electrones, sólo que se desconocía su naturaleza. Fue un físico alemán, Eugen Goldstein (1850-1931) quien, estudiando los rayos catódicos por medio de un tubo modificado donde se encontraban perforaciones en el cátodo, observó que los rayos se desplazaban hacia el ánodo, pero que algunos salían disparados hacia el lado contrario. A estos rayos que atravesaban el cátodo los llamó rayos canales, y en 1895 Jean Perrin (1870-1942) demostró que los rayos canales eran partículas cargadas positivamente, ya que sufrían desviaciones hacia la placa negativa de un campo eléctrico.

Los Rayos X y La Radioactividad

Poco ante de iniciar el siglo XX, el 8 de noviembre de 1895, Wilhelm Konrad Roentgen (1845-1923), un físico alemán, se encontraba trabajando con diversas sutancias usando el tubo de rayos catódicos, cuando descubrió una nueva clase de rayos. Cubrió el tubo con cartón y obscureció el laboratorio para poder observar mejor la nueva clase de rayos; despues de unos segundos observó que el cartón empezó a irradiar una luz intensa. Accidentalmente interpuso su mano entre el tubo y el cartón y pudo ver su mano reflejada en el cartón. Röentgen no tuvo idea de la naturaleza de los rayos que acababa de descubrir y los llamó rayos X los cuales tienen la capacidad de traspasar el papel, la madera y la carne, provocando la impresión de placas fotográficas. Este acontecimiento fortuito marcó una nueva era en la historia del hombre.

Ese mismo año, el físico fránces Antoine Henri Becquerel (1852-1908) estudiaba la fluorescencia; para ello, envolvía película fotográfica en papel negro, ponía unos cuantos cristales de la sustancia fluorescente encima del papel y colocaba después el papel bajo luz solar intensa. Si el brillo era similar a la luz ordinaria, no atravesaría el papel; por otra parte, si era parecido a los rayos X, atravesaría el papel negro y velaría la película.

Pero antes que pudiese aprender mucho más acerca de la fluorescencia, Becquerel hizo un importante descubrimiento accidental. Becquerel trabajaba con un compuesto de uranio. Cuando colocaba la película a la luz del Sol (que hacia fluorescer el compuesto), esta se velaba. Durante varios días nublados en los que no era posible exponer el material a la luz solar, Becquerel preparó varias muestras y las guardó en una gaveta. Para su sorpresa, la pelicular fotográfica se veló a pesar de que el compuesto de uranio no había sido expuesto a la luz solar. Por medio de otros experimentos demostró que la radiación que provenía del compuesto de uranio nada tenía que ver con el fenómeno de fluorescencia, sino que era una característica propia del elemento uranio.

De inmediato, otros científicos comenzaron a estudiar esta nueva radiación. Marie Sklodowska Curie le dio el nombre de radioactividad. Muy pronto los científicos mostraron que emanaban tres tipos de radiación de diversos elementos radioactivos. Rayos alfa (haces de partículas positivas), rayos Beta (partículas negativamente cargadas idénticas a las de los rayos catódicos - electrones-), y rayo Gamma (son una forma de energía similar a los rayos X que se utilizan en medicina, aunque con un poder de penetración aun mayor). Los descubrimientos que se hicieron a finales del siglo XIX prepararon el camino para el arribo de una imagen enteramente nueva del átomo. El nuevo concepto se desarrolló con rapidez durante los primeros años del siglo XX.

Modelo Atómico de Rutherford

Ernest Rutherford (1871-1937), un neozelandés sugirió a dos de sus colaboradores que emplearan partículas alfa en un experimento que puso de manifiesto la existencia de una estructura sorprendente en los átomo. El físico alemán Hans GeiGer (1882-1945) y un estudiante inglés de licenciatura, Ernest Marsden (1889-1970), llevaron a cabo experimentos en los cuales se bombardeaban laminillas muy delgadas de metal con partículas alfa provenientes de una fuente radiactiva. Uno de los blancos era un delgado trozo de laminilla de otro. La mayor parte de las partículas atravesaban la laminilla sin desviarse o sufrían desviaciones leves. Sin embargo, una pocas partículas se desviaban abruptamente, y de vez en cuando alguna era devuelta en la dirección en la que habían llegado.

Rutherford esperaba que las "balas" alfa atravesasen la laminilla con poca o ninguna dispersión, pues suponía que la carga positiva estaba distribuida de manera uniforme en todo el espacio ocupado por el átomo. Obviamente no era así. Para explicar lo resultados del experimento, Rutherford llegó a la conclusión que toda la carga positiva y casi toda la masa de un átomo están concentradas en el centro del átomo, en un centro diminuto llamado núcleo.

Cuando la partícula alfa, que tiene carga positiva, se aproximaba al núcleo positivamente cargado, sufría una intensa repulsión y por tanto se desviaba abruptamente. Puesto que sólo se desviaban algunas de las partículas alfa, Rutherford dedujo que el núcleo sólo ocupaba una fracción minúscula del volumen de un átomo. La mayoría de las partículas atravesaban limpiamente el material porque la mayor parte del átomo era espacio vació. No obstante, el espacio fuera del núcleo no está totalmente vacío. Es aquí conde Rutherford situó lo electrones con carga negativa, y llegó a la conclusión que la masa de los electrones era tan pequeña que le sería imposible detener una bala alfa. Esto sería análogo a un ratón que intentara detener la arremetida de un elefante macho.

La teoría nuclear del átomo de Rutherford, propuesta en 1911, era una idea revolucionaria, Rutherford postuló que toda la carga positiva y casi toda la masa de un átomo están concentrada en un núcleo extraordinariamente diminuto. Los electrones con carga negativa tienen una masa casi insignificante, y sin embargo ocupan casi todo el volumen del átomo.

Descubrimiento del Neutrón

En 1930 Bother y Becker, físicos alemanes, informaron que habían liberado del núcleo una misteriosa radiación bombardeando átomos de belirio con partículas alfa. Dos años después, los físicos Fréderic e Irene Joliot Curie emplearon esta radiación ahora para bombardear parafina expulsando protones de la misma, lo que indicaba que era de naturaleza muy penetrante.

James Chadwick propuso que la radiación descubierta por Bother y Becker esta formada por partículas. Para determinar su tamaño bombardeó átomos de boro con ellas, y calculó que la partículas añadida al boro tenia una masa más o menos igual a la del protón. Sin embargo, no se podía detectar su carga, por lo que Chadwick sugirió que no poseía carga eléctrica. Cabe mencionar que debido a su fuerza eléctrica las partículas cargadas interactúan con las de otros átomos a lo largo de su trayectoria dentro de un material, por lo que pierden energía rápidamente; cosa que no sucedía con la partícula estudiada por Chadwick. Esta nueva partícula fue llamada neutrón por su carencia de carga eléctrica. Los neutrones se encuentran dentro del núcleo junto con los protones.

Modelo de Bohr-Sommerfeld

El modelo atómico de Rutherford tenía algunos problemas, debido a que científicos descubrieron que toda carga en movimiento pierde energía y se agota. Por consiguiente, el modelo de Rutherford no explicaba por qué los electrones podían girar eternamente alrededor del núcleo, porque si estos perdían energía, inevitablemente chocarían contra el núcleo del átomo destruyéndolo. Neils Bohr (1885-1962), físico danés, propuso una explicación a los espectros discontinuos de emisión de luz de los elementos gaseosos como hidrógeno, a través de la formulación de un nuevo modelo de la estructura atómica que superaba las dificultades de átomo de Rutherford. El implicaba los siguientes postulados.

1. Los electrones giran en órbitas estacionarias sin emitir energía. Cada órbita tiene una energía fija y definida.

2. Cuando al átomo se le suministra energía, los electrones brincan de una órbita de menor nivel a una de mayor nivel de energía, absorbiendo dicha energía.

3. El electrón excitado se halla en un estado inestable y desciende a un nivel inferior, emitiendo una radiación cuya energía será igual a la diferencia de la que tiene entre los dos niveles.

4. El modelo de Bohr es análogo al de Rutherford, pero consigue salvar la inestabilidad del electrón de Rutherford recurriendo a la noción de cuantificación. Bohr señalaba que en condiciones normales los electrones de un átomo se encuentran en los niveles de mas baja energía, pero cuando éste recibe cierta cantidad de energía, brinca de una orbita de manor a mayor nivel absorbiendo dicha energía. A esta situación se le conoce como estado excitado. Cuando el electrón regresa a su órbita estacionaria emite la energía absorbida, y a esta etapa se le conoce como estado basal. Bohr argumentaba que no se puede perder energía continuamente, sino en cuantos o paquetes de energía equivalentes a la diferencia de energía entre las órbitas posibles. A partir de este modelo Bohr propuso la existencia de niveles de energía donde se encuentran los electrones, a los que llamó posteriormente número cuantico principal simbolizándolo con la letra n y tomando valores de n = 1,2,3,4...

Fue a partir de las series de hidrógeno, de las frecuencias de las distintas radiaciones emitidas, de donde Bohr dedujo los niveles de energía correspondientes a las órbitas permitidas a la par con su discontinuidad. Sin embargo, al aplicar esta distribución de los niveles energéticos a otros elementos no correspondía los cálculos teóricos con los experimentos de los espectros que eran mucho más complejos. Incluso el mismo átomo de hidrógeno con espectros más precisos producían líneas que con el modelo de Bohr no se podían explicar.

El perfecccionamiento del espectroscopio permitió más precisión en las observaciones experimentales, y de ahí Sommerfeld propuso que las líneas más juntas que se observaban en el espectro de hidrógeno al someterlo a un campo magnético, podían deberse a la presencia de órbitas elípticas además de las circulares. Sommerfeld planteó un número cuantico L que determinaba un número mayor de órbitas por donde podía describir la orientación de los orbitales en un campo magnético, ya que cuando se obtiene el espectro de un átomo dentró de un campo magnético se observa un desdoblamiento de líneas más juntas y éste desaparece al desaparecer el campo magnético. A este fenómeno se le llamó Efecto Zeeman.

Modelos Atómicos

Documental