La Teora Atmica se basa en la suposicin (ratificada despus por
datos experimentales) de que la materia no es continua, sino que
est formada por partculas distintas. Esta teora describe una parte
de nuestro mundo material a la que no es posible acceder por
observacin directa, y permite explicar las propiedades de las
diversas sustancias. El concepto de tomo ha ido pasando por
diversas concepciones, cada una de las cuales explic en su momento
todos los datos experimentales de que se dispona, pero con el
tiempo fue necesario modificar cada modelo para adaptarlo a los
nuevos datos. Cada modelo se apoya en los anteriores, conservando
determinados aspectos y modificando otros. La primera aparicin
conocida del concepto de tomo procede de una escuela filosfica
griega (Demcrito, Leucipo), la cual consideraba que la sustancia
esencial de cualquier objeto deba permanecer constante, y trat de
conciliar esa idea con el hecho de que en la materia se puede
observar un cambio constante. Sin embargo, esta primera aproximacin
no puede considerarse una teora cientfica, tal y como la entendemos
hoy en da, ya que le faltaba el apoyarse en experimentos rigurosos
(la idea moderna de que el conocimiento cientfico debe apoyarse
simpre en experimentos que cualquiera pueda reproducir, procede del
Renacimiento, con los trabajos de Copnico, Galileo, Newton...). La
primera teora cientfica sobre el tomo fue propuesta por John Dalton
a principios del siglo XIX, y a partir de ah se fueron proponiendo
diversos modelos:
NOMBRE AUTOR
FOTO AUTOR
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CONCEPTOS BSICOS
Discontinuidad de la materia Los tomos del mismo tipo tienen
igual masa y propiedades (no se incluye el concepto de istopos)
Dalton
Modelo de Dalton
Divisibilidad del tomo El tomo se considera como una esfera de
carga positiva, con los electrones repartidos como pequeos
grnulos.
Thomson
Modelo de Thomson
Rutherford
Modelo de Rutherford
Conceptos de ncleo y corteza Los electrones giran alrededor del
ncleo como los planetas alrededor del Sol (modelo planetario)
Fallos del modelo: 1. No explica los espectros atmicos 2. Se
contradice con las leyes del electromagnetismo de Maxwell.
Conceptos previos: o Espectros atmicos o Teoria cuntica de Planck
Postulados de Bhr Nmeros cunticos: o Correccin de Sommerfeld o
Efecto Zeemann o Espn del electrn Fallos del modelo: es un modelo
semiemprico, en donde se han tenido que introducir unos postulados
cuya justificacin es a posteriori. Conceptos previos: o Dualidad
corpsculoonda: hiptesis de Louis de Broglie o Principio de
incertidumbre de Heisenberg Ecuacin de Schrdinger
Bhr
Modelo de Bhr
Schrdinger
Modelo de la Mecnica Cuntica
DALTON
Introduce la idea de la discontinuidad de la materia, es decir,
esta es la primera teora cientfica que considera que la materia est
dividida en tomos (dejando aparte a precursores de la Antigedad
como Demcrito y Leucipo, cuyas afirmaciones no se apoyaban en ningn
experimento riguroso). Los postulados bsicos de esta teora atmica
son: 1. La materia est dividida en unas partculas indivisibles e
inalterables, que se denominan tomos. Actualmente, se sabe que los
atomos s pueden dividirse y alterarse. 2. Todos los tomos de un
mismo elemento son idnticos entre s (presentan igual masa e iguales
propiedades). Actualmente, es necesario introducir el concepto de
istopos: tomos de un mismo elemento, que tienen distinta masa, y
esa es justamente la caracterstica que los diferencia entre s. 3.
Los tomos de distintos elementos tienen distinta masa y distintas
propiedades. 4. Los compuestos se forman cuando los tomos se unen
entre s, en una relacin constante y sencilla. Al suponer que la
relacion numerica entre los atomos era la ms sencilla posible,
Dalton asign al agua la formula HO, al amonaco la formula NH,
etc.
Thomson
Introduce la idea de que el tomo puede dividirse en las llamadas
partculas fundamentales:
Electrones, con carga elctrica negativa Protones, con carga
elctrica positiva Neutrones, sin carga elctrica y con una masa
mucho mayor que la de electrones y protones.
Thomson considera al tomo como una gran esfera con carga
elctrica positiva, en la cual se distribuyen los electrones como
pequeos granitos (de forma similar a las pepitas de una sanda).
Modelo de ritenfor
En 1911, Rutherford introduce el modelo planetario, que es el ms
utilizado an hoy en da. Considera que el tomo se divide en:
un ncleo central, que contiene los protones y neutrones (y por
tanto all se concentra toda la carga positiva y casi toda la masa
del tomo) una corteza, formada por los electrones, que giran
alrededor del ncleo en rbitas circulares, de forma similar a como
los planetas giran alrededor del Sol.
Los experimentos de Rutherford demostraron que el ncleo es muy
pequeo comparado con el tamao de todo el tomo: el tomo est
practicamente hueco.
Experimento de Rutherford. Consisti en bombardear una lmina muy
fina de oro (10-3 cm de espesor) con un haz de partculas . (Las
partculas son iones He2+; son uno de los tipos de partculas que se
producen cuando se descompone una sustancia radiactiva.) Segn el
modelo de Thomson, lo que caba esperar es que el haz de partculas
atravesase la lmina, separndose algo ms unas partculas de otras.
Sin embargo, Rutherford obtuvo unos resultados sorprendentes:
algunas partculas sufran desviaciones considerables y una mnima
parte incluso rebotaba en la lmina y volva hacia atrs. El mismo
Rutherford describe su asombro ante tal resultado con estas
palabras: "...Esto era lo ms increble que me haba ocurrido en mi
vida. Tan increble como si un proyectil de 15 pulgadas, disparado
contra una hoja de papel de seda, se volviera y le golpeara a
uno..." Las grandes desviaciones de algunas partculas slo se podan
explicar por choque contra una partcula de gran masa y elevada
carga positiva. Esto hizo suponer a Rutherford que toda la carga
positiva del tomo estaba concentrada en un pequeo grnulo donde
resida adems la casi totalidad de su masa. Los datos experimentales
indicaban que el radio del ncleo era ms de diez mil veces menor que
el del tomo. Como el peso atmico de los elementos tena un valor
mucho mayor que el calculado a base de los protones del ncleo,
Rutherford sugiri que en los ncleos de los tomos tenan que existir
otras partculas de masa casi igual a la del protn, pero sin carga
elctrica, por lo que las llam neutrones. El neutrn fue descubierto
experimentalmente en 1932 por Chadwick, quien, al bombardear el
berilio con partculas , observ que se producan unas partculas que
identific con los neutrones predichos por Rutherford.
Partcul a electr n protn neutrn
Carga elctrica (Coulombs) - 1,6021 10-19 + 1,6021 10-19
Masa (kg)
9,1091 10-31 1,6725 10-27 1,6748 10-27
Teora cuntica de Planck.
Sabemos que la materia est dividida en unas partculas mnimas,
los tomos, de forma que cualquier cantidad de materia ser siempre
un nmero entero de tomos. La teoria cuntica de Planck extiende esta
idea a la energa: cuando una sustancia absorbe o emite energa, no
puede absorberse o emitirse cualquier cantidad de energa, sino que
definimos una unidad mnima de energa, llamada cuanto (que sera el
equivalente en energa a lo que es el tomo para la materia); de esta
forma, cualquier cantidad de energa que se emita o se absorba deber
ser un nmero entero de cuantos. Cuando la energa est en forma de
radiacin electromagntica (es decir, de una radiacin similar a la
luz), se denomina energa radiante y su unidad mnima recibe el
nombre de fotn. La energa de un fotn viene dada por la ecuacin de
Planck: E=h h: constante de Planck = 6.62 10-34 Julios segundo :
frecuencia de la radiacin (es un parmetro que sirve para
diferenciar a unas radiaciones de otras).
POSTULADOS DE BHR.
El modelo atmico de Rutherford llevaba a unas conclusiones que
se contradecan claramente con los datos experimentales. Para evitar
esto, Bhr plante unos postulados que no estaban demostrados en
principio, pero que despus llevaban a unas conclusiones que s eran
coherentes con los datos experimentales; es decir, la justificacin
experimental de este modelo es a posteriori.
Primer postuladoEl electrn gira alrededor del ncleo en rbitas
circulares sin emitir energa radiante.La idea de que "el electrn
gira alrededor del ncleo en rbitas circulares" exista ya en el
modelo de Rutherford, pero Bhr supone que, por alguna razn
desconocida por el momento, el electrn est incumpliendo las leyes
del electromagnetismo y no emite energa radiante, pese a que se
trata de una carga elctrica en movimiento, que debera emitirla
continuamente.
Segundo postuladoSlo son posibles aquellas rbitas en las que el
electrn tiene un momento angular que es mltiplo entero de h/(2
).Puesto que el momento angular se define como L = mvr, tendremos:
mvr = n h/(2 ) > r = a0 n2 m: masa del electrn = 9.1 10-31 kg v:
velocidad del electrn r: radio de la rbita que realiza el electrn
alrededor del ncleo h: constante de Planck n: nmero cuntico = 1, 2,
3... a0: constante = 0,529 As, el Segundo Postulado nos indica que
el electrn no puede estar a cualquier distancia del ncleo, sino que
slo hay unas pocas rbitas posibles, las cuales vienen definidas por
los valores permitidos para un parmetro que se denomina nmero
cuntico, n.
Tercer PostuladoLa energa liberada al caer el electrn desde una
rbita a otra de menor energa se emite en forma de fotn, cuya
frecuencia viene dada por la ecuacin de Planck: Ea - Eb = h As,
cuando el tomo absorbe (o emite) una radiacin, el electrn pasa a
una rbita de mayor (o menor) energa, y la diferencia entre ambas
rbitas se corresponder con una lnea del espectro de absorcin (o de
emisin).
Correcciones al modelo de Bhr: nmeros cunticos.En el modelo
original de Bhr, se precisa un nico parmetro (el nmero cuntico
principal, n), que se relaciona con el radio de la rbita circular
que el electrn realiza alrededor del ncleo, y tambin con la energa
total del electrn. Los valores que puede tomar este nmero cuntico
son los enteros positivos: 1, 2, 3... Sin embargo, pronto fue
necesario modificar el modelo para adaptarlo a los nuevos datos
experimentales, con lo que se introdujeron otros tres nmeros
cunticos para caracterizar al electrn:
nmero cuntico secundario o azimutal (l) nmero cuntico magntico
(m) nmero cuntico de espn (s)
MODELO ATMICO DE LA MECNICA CUNTICA: ECUACIN DE SCHRDINGER.
La Mecnica Cuntica (1927) engloba la hiptesis de Louis de
Broglie y el Principio de indeterminacin de Heisenberg. El carcter
ondulatorio del electrn se aplica definiendo una funcin de ondas, ,
y utilizando una ecuacin de ondas, que matemticamente es una
ecuacin diferencial de segundo grado, es decir, una ecuacin en la
cual intervienen derivadas segundas de la funcin :
Al resolver la ecuacin diferencial, se obtiene que la funcin
depende de una serie de parmetros, que se corresponden con los
nmeros cunticos, tal y como se han definido en el modelo de Bhr. La
ecuacin slo se cumplir cuando esos parmetros tomen determinados
valores permitidos (los mismos valores que se han indicado antes
para el modelo de Bhr). El cuadrado de la funcin de ondas, 2,
corresponde a la probabilidad de encontrar al electrn en una regin
determinada, con lo cual se est introduciendo en el modelo el
Principio de Heisenberg. Por ello, en este modelo aparece el
concepto de orbital: regin del espacio en la que hay una mxima
probabilidad de encontrar al electrn.(No debe confundirse el
concepto de orbital con el de rbita, que corresponde al modelo de
Bhr: una rbita es una trayectoria perfectamente definida que sigue
el electrn, y por tanto es un concepto muy alejado de la mecnica
probabilstica.)
MODELO ATMICO DE LA MECNICA CUNTICA: ECUACIN DE SCHRDINGER.
La Mecnica Cuntica (1927) engloba la hiptesis de Louis de
Broglie y el Principio de indeterminacin de Heisenberg. El carcter
ondulatorio del electrn se aplica definiendo una funcin de ondas, ,
y utilizando una ecuacin de ondas, que matemticamente es una
ecuacin diferencial de segundo grado, es decir, una ecuacin en la
cual intervienen derivadas segundas de la funcin :
Al resolver la ecuacin diferencial, se obtiene que la funcin
depende de una serie de parmetros, que se corresponden con los
nmeros cunticos, tal y como se han definido en el modelo de Bhr. La
ecuacin slo se cumplir cuando esos parmetros tomen determinados
valores permitidos (los mismos valores que se han indicado antes
para el modelo de Bhr). El cuadrado de la funcin de ondas, 2,
corresponde a la probabilidad de encontrar al electrn en una regin
determinada, con lo cual se est introduciendo en el modelo el
Principio de Heisenberg. Por ello, en este modelo aparece el
concepto de orbital: regin del espacio en la que hay una mxima
probabilidad de encontrar al electrn. (No debe confundirse el
concepto de orbital con el de rbita, que corresponde al modelo de
Bhr: una rbita es una trayectoria perfectamente definida que sigue
el electrn, y por tanto es un concepto muy alejado de la mecnica
probabilstica.) Nmeros cunticos. En este modelo atmico, se utilizan
los mismos nmeros cunticos que en el modelo de Bhr y con los
mismos valores permitidos, pero cambia su significado fsico,
puesto que ahora hay que utilizar el concepto de orbital:
Nmeros cunticos
Significado fsico
Valores permitidos
principal (n)
Energa total del electrn (nivel energtico en quese encuentra el
electrn)
1, 2, 3....
Distancia del electrn al ncleo.
Subnivel energtico en donde est el electrn, dentro del nivel
determinado por n. Forma del orbital:
secundario o azimutal (l)
l = 0: orbital s (esfrico) l = 1: orbital p (bilobulado)(un
orbital p en la direccin de cada eje coordenado: px, py, pz)
0, 1, 2, ..., n-1
l = 2: orbital d -l, ..., 0, ..., + l 1/2
magntico (m) espn (s)
Orientacin del orbital cuando se aplica un campo magntico
externo. Sentido de giro del electrn en torno a su propio eje.
As, cada conjunto de cuatro nmeros cunticos caracteriza a un
electrn:
n determina el nivel energtico l determina el subnivel energtico
m determina el orbital concreto dentro de ese subnivel s determina
el electrn concreto dentro de los que pueden alojarse en cada
orbital(puede haber dos electrones en cada orbital).
Esto se refleja en el Principio de exclusin de Pauli (1925): en
un tomo no puede haber dos electrones que tengan los cuatro nmeros
cunticos iguales, al menos se tendrn que diferenciar en uno de
ellos.
http://inicia.es/de/atomos/
