Evolución de los Modelos Atómicos y Descubrimiento de Partículas Fundamentales

Teoría Atómica de Dalton

La primera formulación científica de la estructura de la materia se basa en los postulados de Dalton:

1. Los elementos químicos están formados por partículas muy pequeñas e invisibles llamadas átomos.
2. Los átomos del mismo elemento son iguales tanto en masa como en el resto de sus propiedades.
3. Los átomos de elementos distintos son diferentes en su masa y en el resto de sus propiedades.
4. Los átomos de elementos diferentes se unen entre sí para formar compuestos.

En resumen, según la teoría de Dalton: Toda la materia está formada por minúsculas partículas indivisibles. En un elemento dado, estas partículas serían todas iguales entre sí, pero diferentes de las que forman otros elementos. Las partículas se combinan entre sí durante las reacciones químicas, formando compuestos, en los que el número de átomos de cada clase siempre es el mismo.

Descubrimiento del Electrón (Thomson)

El trabajo de J.J. Thomson condujo a la primera modificación del concepto de átomo indivisible.

Experimento de los Rayos Catódicos

1. El aparato utilizado por Thomson consistía en un tubo de vidrio donde se había hecho el vacío y en el que había dos electrodos conectados a un voltaje muy alto. Al conectarlo, en la pantalla al fondo del tubo, aparecía una fluorescencia, procedente de un haz invisible que provenía del cátodo y al que llamó rayos catódicos.
2. Thomson probó con diferentes materiales en el cátodo y distintos gases en el tubo, pero concluyó que los rayos tenían siempre las mismas características.
3. Comprobó, además, que estos rayos tenían carga eléctrica negativa, pues eran desviados por un imán, y que estaban formados por partículas, a las que llamó electrones.

Los electrones son partículas constituyentes de los rayos catódicos, tienen masa y su carga es negativa (-).

Modelo Atómico de Thomson

El átomo es divisible, está formado por otras partículas más pequeñas que poseen carga eléctrica.

• Los electrones son partículas subatómicas que poseen carga negativa y tienen una masa muy pequeña comparada con la del átomo.
• La mayor parte de la masa del átomo posee carga positiva y son los protones.
• Como la materia es normalmente neutra, se debe suponer que el número de cargas negativas y positivas en los átomos que la forman es el mismo.

Descripción del Modelo de Thomson

Thomson imaginó el átomo como una pequeña esfera uniforme de la materia cargada positivamente en la que estaban incrustados los electrones en un número tal que el conjunto era eléctricamente neutro. Los electrones tenían una masa muy pequeña; por tanto, la carga positiva era responsable de casi toda la masa del átomo. Debido a la apariencia que tenía este modelo, se le llamó el “pudin de pasas”.

Descubrimiento del Protón (Rayos Canales)

E. Goldstein (1860-1930) realizó experimentos clave para identificar la carga positiva.

1. Utilizó un aparato similar al de Thomson, pero con el cátodo (el polo negativo) perforado. Descubrió unos supuestos rayos que iban en sentido contrario a los catódicos, a los que llamó rayos canales.
2. Goldstein también midió la relación carga/masa del protón y observó que, al contrario de lo que sucedía con el electrón, esta relación sí dependía del gas que se encontraba en el interior del tubo. Cuando el gas era el hidrógeno, las partículas eran las de menor masa positiva, y las llamó protones.

El protón es una partícula con carga positiva (+) de valor igual a la del electrón, pero con una masa casi 2.000 veces mayor.

Estudio de la Radiactividad y el Modelo de Rutherford

Radiactividad

Marie Sklodowska Curie observó que el elemento uranio emitía radiación. Este fenómeno se estudió mediante:

• Envolver unas placas fotográficas en papel negro y dejar un cristal de pechblenda (mineral que contiene uranio) sobre ellas. Se observó que las placas se velaban, lo que indicaba que el uranio emitía radiación que atravesaba el papel protector.

Tipos de Radiación

• Radiación Alfa ($\alpha$): Partículas de carga positiva y gran masa. Son núcleos de helio (dos neutrones y dos protones). Tienen muy poco poder de penetración: basta una hoja de papel para detenerlas.
• Radiación Beta ($\beta$): Partículas de carga negativa, casi sin masa. En realidad, se trata de electrones a gran velocidad. Son más penetrantes que las partículas $\alpha$; se necesitaría una lámina de aluminio para detenerlas.
• Radiación Gamma ($\gamma$): Se trata de una radiación similar a la de la luz, invisible, con mucha más energía y un alto poder de penetración. Se necesitaría un bloque grueso de hormigón para detenerlas.

Experimento de la Lámina de Oro (Rutherford)

Rutherford diseñó un experimento crucial para determinar la estructura interna del átomo:

1. Bombardeó una lámina muy fina de metal, oro, con partículas $\alpha$, que procedían de un material radiactivo (gran masa, carga positiva y escaso poder de penetración).
2. Los resultados observados fueron los siguientes:
   • Casi todas las partículas atravesaban la lámina de oro sin desviarse.
   • Algunas partículas se desviaban ligeramente.
   • Muy pocas partículas rebotaban en la lámina.
3. Rutherford explicó estos resultados sorprendentes: era como si disparara una bala contra un pañuelo de papel y esta rebotara. La única explicación era que en el interior de los átomos debía de haber algo muy masivo y con carga eléctrica positiva capaz de desviar o hacer rebotar las partículas $\alpha$.

Este ‘algo’ era, además, muy pequeño en comparación con el propio átomo, dado que la inmensa mayoría de las partículas no se desviaban. El hecho de atravesar la lámina significa que una parte buena del átomo está hueca. El hecho de desviarse o rebotar se debe a que la partícula alfa ($\alpha$, positiva) choca con el núcleo, que tiene gran masa y carga positiva (repulsión entre cargas iguales).

Descubrimiento del Neutrón

Rutherford encontró un problema en su propio modelo:

• La masa real de los átomos era mucho mayor (prácticamente el doble) de la que se obtenía al sumar la masa de los protones y los electrones que lo formaban.
• Los protones, con carga positiva, deberían sufrir la repulsión eléctrica entre ellos en el núcleo, de forma que este se desintegraría.

Los neutrones fueron postulados para apantallar las fuerzas de repulsión de los protones del núcleo (efecto pantalla), aportando masa sin carga eléctrica.

Modelo Atómico de Bohr

Una serie de experimentos pusieron en evidencia que el modelo de Rutherford no estaba completo, por 2 motivos principales:

1. Los electrones, al girar en órbitas cercanas al núcleo, perderían energía y caerían hacia él, según decía la física clásica (Maxwell).
2. El modelo no explicaba la manera en que los átomos absorben y emiten energía (espectro discontinuo).

A partir de estas evidencias, Niels Bohr, en 1913, ideó un modelo atómico que solventaba los problemas del modelo de Rutherford (postulado de voz):

1. El electrón gira en órbitas circulares permitidas en las que no emite energía. No puede haber electrones entre dos de estas órbitas, salvando así el problema de Maxwell.
2. Los electrones tienen una cantidad de energía determinada en cada órbita, mayor cuanto más lejos están del núcleo. Por eso, Bohr llamó a cada órbita nivel de energía.
3. Los electrones pueden saltar de unas órbitas a otras, ganando o perdiendo energía.
4. En cada órbita solo puede haber $2n^2$ electrones: en la $1^{ ext{a}}$ órbita solo caben 2 electrones, en la $2^{ ext{a}}$ caben 8 y así sucesivamente.