EL ATOMO Y SU ESTRUCTURA

MODELOS ATÓMICOS

La primera idea del átomo surge con los griegos[1], con un grupo de pensadores como fueron Leucippus de Mileto (siglo V aC), quien fue el autor de la filosofía atómica, su famoso discípulo, Demócrito de Abdera, desarrolló mas o menos en el año 430 aC, y llamo átomos a los bloques formadores de la materia, lo que literalmente significa indivisible. Demócrito imaginó que estos átomos eran las unidades estructurales a partir de las cuales estarían construidas todas las sustancias de la naturaleza. Imaginó además, que las diferentes sustancias estarían formadas por átomos de diferentes tipos.

· Demócrito creía que los átomos eran uniformes, sólidos, duros, incompresibles, indestructibles y que se movían en cantidades infinitas a través del espacio vacío hasta detenerse..

· Las diferencias en el tamaño y forma atómica determinaban las diferentes propiedades de la materia. De acuerdo a la filosofía de Demócrito, los átomos existían no solo para la materia sino para cualidades tales como la percepción y el alma humana. Por ejemplo las hinchazones eran causadas por átomos afilados como agujas, mientras que el color blanco estaba compuesto por átomos de superficie lisa. Los átomos del alma se consideraban especialmente finos.

Demócrito desarrolló su filosofía atómica como una alternativa entre dos teorías griegas opuestas acerca de la realidad y la ilusión de cambio. Argumentaba que la materia estaba subdividida en partículas indivisibles e inmutables que creaban la apariencia de cambio cuando se separaban o se unían a otras.

El filosofo Epicuro de Samos (341.270 aC), uso las ideas de Demócrito para tratar de calmar los temores de los supersticiosos griegos. De acuerdo a la filosofía materialista de Epicuro, el universo entero estaba compuesto exclusivamente de átomos y vació, e inclusive los dioses estaban sometidos a sus leyes naturales.

La teoría atómica de los griegos tiene importancia histórico filosófica, pero no tiene valor científico. No esta basada en observaciones a la naturaleza, mediciones, pruebas o experimentos.

Seguidamente, Platón y Aristóteles atacaron la teoría atómica de Demócrito en bases filosóficas en vez de científicas. Platón valoraba las ideas abstractas más que al mundo físico y rechazaba las nociones que atribuyen que la belleza y la bondad eran manifestaciones mecánicas de átomos materiales, mientras Demócrito creía que la materia no podía moverse a través del espacio sin un vacío y que la Luz era el movimiento rápido de partículas a través del vacío. Aristóteles rechazo la existencia de vacíos porque el no podía concebir la idea de cuerpos diferentes cayendo con la misma velocidad a través de un vacío. La idea de Aristóteles prevaleció en la Europa Medieval Cristiana; su ciencia estaba basada en revelación y razón y los teólogos Católicos Romanos rechazaron la teoría de Demócrito como materialista y atea

Las tesis de Demócrito se olvidaron durante muchos años debido quizás a que se oponían al pensamiento de Aristóteles y la cultura occidental era esencialmente aristotélica. Una notable excepción de esto fue la aparición de un poema del filósofo romano Tito Lucrecio Caro (~98-55 a.n.e.), llamado De Rerum Natura (De la Naturaleza de las Cosas) en el que se exponen las ideas de Demócrito.

[1]http://www.fortunecity.es/losqueamamos/gato/105/fisica-1.html http://cea.quimicae.unam.mx/~Estru/tabla/02_Elementos.htm

Este poema, que es considerado como uno de los más grandes poemas pedagógicos jamás escritos, está compuesto por seis libros y se habla de las propiedades de los átomos (principios) en los dos primeros.
Unas líneas del poema en la versión de Rubén Bonifaz Nuño.

Existe una edición bilingüe latín-español, en versión de Rubén Bonifaz Nuño: Lucrecio, De la Natura de las Cosas; Biblioteca Scriptorum Graecorum et Romanorum Mexicana, UNAM, México, 1984.

... Mas porque empero la vera razón y, de las cosas, me obliga
la natura, atiende, mientras en pocos versos mostramos
qué sea eso que de cuerpo eterno y sólido consta,
lo que enseñamos que es de las cosas semilla y principios;
de donde, de las cosas, consta ahora toda la suma creada...

En el largo período que va desde tiempos de Lucrecio hasta principios del siglo XIX, no se realizaron aportaciones originales a las ideas que se tenían sobre la constitución de la materia; aunque algunos científicos, como René Descartes (1596-1650), Robert Boyle (1626-1691) e Isaac Newton (1642-1727), consagraron a este tema parte de sus trabajos.

Hacia 1809, el químico inglés John Dalton (1766-1844) propuso la primera teoría atómica basada en evidencias experimentales (las llamadas Leyes de la Combinación, Leyes Ponderales o Leyes Estequiométricas)

TEORÍA ATÓMICA DE DALTON

En 1808 Dalton formuló su teoría atómica, teoría que rompía con todas las ideas de demócrito y leucipo.

Introduce la idea de la discontinuidad de la materia, lo que debe considerarse que está formada por unidades discretas, de tal manera que no se puede dividir, esta es la primera teoría científica que considera que la materia está dividida en átomos. Los postulados básicos de esta teoría son:

· La materia está dividida en unas partículas indivisibles e inalterables llamadas átomos.

· Los átomos son partículas muy pequeñas y no se pueden ver a simple vista.

· Todos los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, igual masa e iguales propiedades.

· Los átomos de distintos elementos tienen distinta masa y distintas propiedades.

· Los compuestos se forman cuando los átomos se unen entre sí, en una relación constante y sencilla.

· John DaltonEn las reacciones químicas los átomos se separan o se unen; pero ningún átomo se crea ni se destruye, y ningún átomo de un elemento se convierte en átomo de otro elemento.

· En un compuesto dado el número relativo y la clase de átomos son constantes.

A partir de esta teoría, se establecen conceptos más refinados de elementos, compuestos y mezclas en términos de la organización atómica.

Esta concepción se mantuvo casi durante un siglo

La teoría atómica de Dalton explica la ley de la conservación de la masa, al establecer, que durante una combinación química, los átomos de los elementos no se crean ni se destruyen. Es así que los átomos que forman los reactivos será el mismo de los productos.

La ley de las proporciones múltiples se deduce teniendo en cuenta el número de átomos de cada elemento en compuestos diferentes formados por los mismos elementos; así, el CO y CO2, según los postulados de Dalton, en el CO2 existen dos veces más átomos de oxígeno por átomo de carbono que en el CO. El monóxido de carbono tiene un átomo de oxígeno por cada átomo de carbono, mientras que el CO2 tiene dos átomos de oxígeno por cada átomo de carbono. Según las matemáticas, se puede afirmar que la relación de átomos de oxígeno del CO con respecto al CO2 es 1:2, que representan números enteros sencillos.

La teoría de Dalton impulsó los conocimientos químicos durante un siglo. A pesar de sus intentos, Dalton no consiguió medir la masa absoluta de los átomos, pues sabemos que es extremadamente pequeña, por lo que trató de calcular la masa de los átomos con relación al hidrógeno, al que dio el valor unidad.

Así surgió la escala química de masas atómicas

Posteriormente se tomó como átomo de referencia el oxígeno, al que se atribuyó una masa igual a 16, y se definió la unidad de masa atómica (uma) como 1/16 de la masa del oxígeno.

LIMITACIONES DE LA TEORÍA ATÓMICA DE DALTON

En un principio, Dalton dijo que la materia estaba formada por átomos, es decir, por partículas indivisibles e inalterables. Pero al descubrirse la existencia de las partículas subatómicas, se comprobó que el átomo no era indivisible.

A pesar de que la teoría de Dalton era errónea, significó un avance muy importante en el camino de la comprensión de la materia. Además, la aceptación del modelo de Dalton no fue inmediata, y durante bastantes años muchos científicos se resistieron a reconocer la existencia del átomo.

A mediados del siglo XIX, unos años después de que Dalton enunciara se teoría, se desencadenó una serie de acontecimientos que fueron introduciendo modificaciones al modelo atómico inicial, ASÍ QUE DESE de Dalton hasta nuestros días se han ido sucediendo diferentes experiencias que han llevado a la formulación de una serie de modelos invalidados sucesivamente a la luz de nuevos acontecimientos, entre ellos:

MODELO ATÓMICO DE THOMSOM

A mediados del siglo XIX, se experimentaban con un nuevo fenómeno que cambiaría drásticamente la visión de la física. En ese momento se estudiaban la naturaleza de la radiación producida por un hilo metálico que transportaba corriente eléctrica a través de un tubo que se había vaciado de aire. Estos rayos, procedentes del cátodo (polo negativo del circuito), fueron llamados rayos catódicos.

El dispositivo anteriormente citado, el tubo de rayos catódicos, podían colocarse dos placas que al aplicarse una diferencia de potencial eléctrico, se observaba una fina línea de gas brillante que se formaba cerca del cátodo ( - ) y se extendía hasta la placa el otro polo (ánodo, +). El análisis de la luz emitida indicaba que estaba formada por residuos de gas que se habían calentado al circular alguna "cosa" a través del mismo. Esa "cosa" desconocida eran los rayos catódicos. Se pensaba que podían ser haces de partículas, o una forma de radiación producida por vibraciones del éter, supuesta sustancia que llenaba el espacio por el cual las ondas podían desplazarse; idea que era sostenida por la mayoría de los científicos. Si bien la situación se tornó más confusa en 1895 cuando Wilhem Röntgen descubrió accidentalmente los rayos X, las dudas fueron despejadas mediante los experimentos realizados en el laboratorio de Cavendish, uno de los centros de investigación en Cambridge.

J. J. Thomson, desde la década de 1870, diseñó un experimento en el que intervenían el balance entre las propiedades eléctricas y magnéticas de una partícula cargada en movimiento. Ya en ese entonces se sabía que un objeto cargado era afectado por dos tipos de fuerzas. Desde Faraday se habla de fuerzas electromagnéticas que actúan sobre cualquier objeto provisto de carga eléctrica, pero no actúan sobre un elemento no cargado como una onda. De esa manera, con el tiempo, los estudios por saber que eran los rayos catódicos se centró en saber si tenían o no carga eléctrica; de tenerla sería afectada por fuerzas electromagnéticas como la generada por un imán.

Tubo de rayos catódicos. Los electrones emitidos por el cátodo ( - ) son acelerados por el campo eléctrico hacia el ánodo (+) que deja pasar algunos por un orificio central. La trayectoria de este haz es afectada por la acción de un campo magnético y uno eléctrico. J. J. Thomson buscaba cancelar esos efectos para determinar la velocidad de los electrones.

Thomson armó un dispositivo, como lo muestra el esquema, anterior modificando el tubo de rayos catódicos enrareciendo ligeramente el vacío con un poco de gas, para medir la velocidad de los rayos catódicos (que en esa época se los denominó rayos canales). Estos rayos debían atravesar una zona en la que se había creado un campo eléctrico entre dos placas cargadas y un campo magnético. Se ajustó el voltaje de las placas hasta que se compense exactamente los efectos desviadores del campo magnético, así eran atraídos por el ánodo. Thomson argumentó que si los rayos eran realmente partículas su trayectoria debía ser afectada por los imanes y por las grandes cargas eléctricas. Si el campo magnético obligaba a los rayos a moverse hacia abajo, entonces se cargaba las placas de manera que desviaran el haz hacia arriba en la misma medida. En otras palabras, igualaba la fuerza eléctrica a la magnética.

El importante resultado que obtuvo Thomson fue que la velocidad de los rayos catódicos era cerca de 3.107 m/seg., lo cual es más o menos el 10% de la velocidad de la luz. Evidentemente los rayos catódicos eran partículas. (De ser ondas tendrían que viajar a la misma velocidad de la luz, 3.108 m/seg.). Puesto que las supuestas partículas eran atraídas hacia el electrodo cargado positivamente, concluyó que transportaban carga eléctrica negativa. Estos corpúsculos fueron bautizados con el nombre de electrones, ya que provenían de la electricidad, y calculó su masa en 9,11.10 – 28 g, algo demasiado pequeño.

El descubrimiento del electrón preocupó a los físicos de la época ya que se habían habituado a considerar al átomo como la única partícula demasiado pequeña, y ahora se les presentaba otra, por lo que comenzaron a preguntarse si la materia estaba constituida fundamentalmente por átomos y electrones, ó, como esta partícula cargada negativamente es mucho más pequeña había que suponer que el electrón no era más que una parte constitutiva del átomo, pero, de ser así, puesto que el electrón posee carga negativa ¿cómo explicaría que el átomo en los experimentos realizados se hubiera concluido que era eléctricamente neutro?. La única explicación posible es la existencia de una parte electrizada positivamente que neutralizara la carga del electrón. Así fue como J. J. Thomson propuso, sin atreverse a cambiar mucho el modelo de Dalton, una imagen del átomo como una especie de bolita hueca cargada positivamente dentro de la cual, a modo de semillas, se encontrarían los electrones.

Así, es como Thomson postula que el átomo se compone de una esfera cargada positivamente en la que reside la mayor parte del átomo y sobre la cual se incrustan los electrones.
El Modelo atómico de J. J. Thomson, fue publicado entre los años 1.898 y 1.904
Thomson, partiendo de las informaciones que se tenían hasta ese momento presentó algunas hipótesis en 1898 y 1904, intentando justificar dos hechos:
1. La materia es eléctricamente neutra, lo que hace pensar que, además de electrones, debe de haber partículas con cargas positivas.

2. Los electrones pueden extraerse de los átomos, pero no así las cargas positivas.

Propuso entonces un modelo para el átomo en el que la mayoría de la masa aparecía asociada con la carga positiva (dada la poca masa del electrón en comparación con la de los átomos) y suponiendo que había un cierto número de electrones distribuidos uniformemente dentro de esa masa de carga positiva (como una especie de pastel o calabaza en la que los electrones estuviesen incrustados como si fueran trocitos de fruta o pepitas).

Fue un primer modelo realmente atómico, referido a la constitución de los átomos, pero muy limitado y pronto fue sustituido por otros.

Thomson, sir Joseph john (1856-1940). Físico británico. Según el modelo de Thomson el átomo consistía en una esfera uniforme de materia cargada positivamente en la que se hallaban incrustados los electrones de un modo parecido a como lo están las semillas en una sandía. Este sencillo modelo explicaba el hecho de que la materia fuese eléctricamente neutra, pues en los átomos de Thomson la carga positiva era neutralizada por la negativa. Además los electrones podrían ser arrancados de la esfera si la energía en juego era suficientemente importante como sucedía en los tubos de descarga.

Figura tomada de:
http://rabfis15.uco.es/Modelos%20At%C3%B3micos%20.NET/Modelos/ModThomson.aspx

VIDEO HISTORIA DE LA TEORÍA ATÓMICA

MODELO ATÓMICO DE RUTHERFOR

Los experimentos llevados a cabo en 1911 bajo la dirección de Ernest Rutherford modificaron las ideas existentes sobre la naturaleza del átomo. Rutherford y sus colaboradores bombardearon una fina lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio) procedentes de un elemento radiactivo. Observaban, mediante una pantalla fluorescente, en qué medida eran dispersadas las partículas. La mayoría de ellas atravesaba la lámina metálica sin cambiar de dirección; sin embargo, unas pocas eran reflejadas hacia atrás con ángulos pequeños. Éste era un resultado completamente inesperado, incompatible con el modelo de átomo macizo existente.

Mediante un análisis matemático de las fuerzas involucradas, Rutherford demostró que la dispersión era causada por un pequeño núcleo cargado positivamente, situado en el centro del átomo de oro. De esta forma dedujo que la mayor parte del átomo es espacio vacío, lo que explicaba por qué la mayoría de las partículas que bombardeaban la lámina de oro, pasaran a través de ella sin desviarse.

Ver las siguientes páginas:
http://www.fortunecity.com/campus/dawson/196/rutherford.htm
http://www.eis.uva.es/~qgintro/atom/tutorial-04.html
http://www.educared.net/concurso/764/mrutherford.htm

Dispositivo experimental de Rutherford para la medida de la dispersión de partículas a, mediante láminas metálicas muy delgadas. La fuente de partículas a es el Polonio radiactivo colocado en el interior de un bloque de plomo, que sirve para proteger de las radiaciones y para seleccionar un haz de partículas. La lámina de oro que se utilizó tenía un espesor de 0.00006 cm.

Interpretación del experimento de Rutherford. La mayor parte de un átomo está casi vacío ya que solo está ocupado por livianos electrones. Toda la carga positiva del átomo y casi toda su masa se encuentra en el centro, en un núcleo muy denso y pequeño. La mayoría de las partículas a atraviesan el átomo con carga positiva (líneas a) atraviesan el átomo por el espacio desocupado sin experimentar desviaciones, algunas se acercan a los núcleos (b) y se desvían al ser repelidas por su carga positiva. Solo unas pocas llegan a acertar (c) en el núcleo y salen despedidas hacia atrás.

Tomado de: www.if.ufrgs.br/.../images/rutherford01.jpeg

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”.

Rutherford poseía información sobre el tamaño, masa y carga del núcleo, pero no tenía información alguna acerca de la distribución o posición de los electrones.
En el modelo de Rutherford, los electrones se movían alrededor del núcleo como los planetas alrededor del sol.

Los electrones no caían en el núcleo, ya que la fuerza de atracción electrostática era contrarrestada por la tendencia del electrón a continuar moviéndose en línea recta. Este modelo fue satisfactorio hasta que se observó que estaba en contradicción con una información ya conocida en aquel momento: de acuerdo con las leyes del electromagnetismo, un electrón o todo objeto eléctricamente cargado que es acelerado o cuya dirección lineal es modificada, emite o absorbe radiación electromagnética.

El electrón del átomo de Rurherford modificaba su dirección lineal continuamente, ya que seguía una trayectoria circular. Por lo tanto, debería emitir radiación electromagnética y esta radiación causaría la disminución de la energía del electrón, que en consecuencia debería describir una trayectoria en espiral hasta caer en el núcleo. El modelo de Rutherford fue sustituido por el de Bohr unos años más tarde.

Con las informaciones que disponía y de las obtenidas de su experiencia, Lord Rutherford propuso en el 1.911 este modelo de átomo:

a. El átomo esta constituido por una zona central, a la que se le llama núcleo, en la que se encuentra concentrada toda la carga positiva y casi toda la masa del núcleo.

b. Hay otra zona exterior del átomo, la corteza, en la que se encuentra toda la carga negativa y cuya masa es muy pequeña en comparación con la del átomo. La corteza esta formada por los electrones que tenga el átomo.

c. Los electrones se están moviendo a gran velocidad en torno al núcleo.

d. El tamaño del núcleo es muy pequeño en comparación con el del átomo (unas 100.000 veces menor)

http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0280-01/ejem3-parte1.html

Resumen delos modelos atómicos en:

http://rabfis15.uco.es/Modelos%20At%c3%b3micos%20.NET/Modelos/ModDalton.aspx
http://rabfis15.uco.es/Modelos%20At%C3%B3micos%20.NET/Modelos/ResumenFlash.aspx

Importantes videos relacionados con el átomo y su descubrimiento:

http://www.acienciasgalilei.com/videos/atomo1.htm