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TEORÍAS Y MODELOS ATÓMICOS DE LA MATERIA

Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia.

Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego Leucipo y Demócrito consideraron que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas.

Por ello, llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir "indivisible".

Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles.

1808 John Dalton La imagen del átomo

expuesta por Dalton en su teoría atómica, para explicar las leyes de la Quimica, es la de minúsculas partículas esféricas, indivisibles e inmutables, iguales entre sí en cada elemento químico.

1. TEORÍA DE DALTON

En 1808, Dalton publicó sus ideas sobre el modelo atómico de la materia.

Los principios fundamentales de esta teoría son:

1. La materia está formada por minúsculas partículas indivisibles llamadas átomos.

2. Hay distintas clases de átomos que se distinguen por su masa y sus propiedades. Todos los átomos de un elemento poseen las mismas propiedades químicas. Los átomos de elementos distintos tienen propiedades diferentes.

3.Los compuestos se forman al combinarse los átomos de dos o más elementos en proporciones fijas y sencillas. De modo que en un compuesto los átomos de cada tipo están en una relación de números enteros o fracciones sencillas.

4.En las reacciones químicas, los átomos se intercambian de una a otra sustancia, pero ningún átomo de un elemento desaparece ni se transforma en un átomo de otro elemento.

2. MODELO ATÓMICO DE THOMSON

1897 J.J. Thomson• Demostró que dentro de los

átomos hay unas partículas diminutas, con carga eléctrica negativa, a las que se llamó electrones.

De este descubrimiento dedujo que el átomo debía de ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones.

ÁTOMO DE J.J.THOMSON

La luminosidad producida por los rayos catódicos siempre se produce en la pared del tubo situada frente al cátodo (línea recta).

Los rayos catódicos hacen girar una rueda depalas ligeras interpuesta en su trayectoria.

Los rayos catódicos son desviados por la acción de campos eléctricos y magnéticos. Frente a un campo eléctrico se desvían hacia la placa positiva.

2.1. RAYOS CATÓDICOS

Los rayos catódicos tienen las mismas características independientemente de la sustancia gaseosa que se encuentre en el tubo o del metal que constituya los electrodos.

Con sus experimentos, Thomson demostró que los rayos catódicos estaban formados por partículas negativas que debían formar parte de todos los átomos, átomos que por tanto no eran indivisibles como proponía el modelo de Dalton. Hoy llamamos electrones a estas partículas negativas.

- Los experimentos con los rayos catódicos habían puesto de manifiesto que los átomos no eran indivisibles tal y como había propuesto Dalton, y que había partículas más pequeñas que el átomo y de carga negativa.

- 2.3. LIMITACIONES

Fue incapaz de explicar e interpretar algunas propiedades de los átomos, como el origen de los espectros atómicos o a la emisión de partículas gamma ().

2.2. APORTES

La década de 1895 a 1905 fue particularmente pródiga en descubrimientos que hicieron posible nuestro entendimiento actual de la composición de la materia. El estudio entre la interacción de la materia y las radiaciones abrió nuevas sendas en la investigación.

EN 1895 EL FÍSICO ALEMÁN WILHELM ROENTGEN DESCUBRIÓ LOS RAYOS X, EN 1896 EL FÍSICO FRANCÉS HENRI BECQUEREL DESCUBRIÓ LA RADIACTIVIDAD NATURAL Y AL AÑO SIGUIENTE THOMSON DEMOSTRÓ LA EXISTENCIA DEL ELECTRÓN.

Estos tres hallazgos indican claramente que el átomo era divisible y que de hecho estaba compuesto de partículas aún más pequeñas, una de las cuales era el electrón.

3. GRANDES DESCUBRIMIENTOS

3.1. LOS RAYOS X

Wilhelm Roentgen descubrió accidentalmente los rayos X. Trabajando en su laboratorio en Wurzburg, Alemania, observó que cada vez que encendía un tubo de rayos catódicos, se iluminaba una pantalla cubierta con una sal fluorescente que se encontraba cerca.

Roentgen sabía que los rayos catódicos no atravesaban el vidrio del tubo, pero, sin embargo, se producía un tipo de radiación invisible que afectaba a la pantalla fluorescente.

La radiación era tan penetrante que incluso se podía colocar entre el tubo y la pantalla pedazos gruesos de madera, vidrio o metal y la pantalla seguía iluminándose.

Cuando puso su mano sobre la pantalla y el tubo pudo ver en la pantalla sus propios huesos. A estos misteriosos rayos los llamó rayos X.

Después de algunos años de investigación, en 1912, Max von Laue determinó la naturaleza de estas radiaciones y demostró que eran ondas electromagnéticas de frecuencia extremadamente alta. Roentgen recibió en 1901 el Premio Noble de Física.

Cuando un electrón de alta energía pasa cerca del núcleo se desvía debido a la interacción electromagnética. Como consecuencia de este proceso de desvío, el electrón pierde energía en forma de un fotón X, cuya energía (longitud de onda) puede tomar cualquier valor.

Un electrón de alta energía puede producir la salida de un electrón cercano al núcleo. La vacante así producida se rellena por el salto de otro electrón de una capa superior, con mayor energía. Esa diferencia de energía entre niveles (característica del átomo) se transforma en radiación X característica, con una longitud de onda (energía) determinada.

3.2. LA RADIACTIVIDAD

En marzo de 1896, Henry Becquerel descubrió también accidentalmente la radiactividad cuando estudiaba un fenómeno llamado fluorescencia (fenómeno que implica la emisión de luz cuando se iluminan algunos tipos de compuestos).

Observó una radiación invisible y penetrante emitida espontáneamente por una sal de uranio. Becquerel demostró que estos rayos impresionaban placas fotográficas, ionizaban el aire y eran desviados por los campos eléctricos y magnéticos, lo que los diferenciaba fundamentalmente de los rayos X.

Se observó que este fenómeno era característico de todas las sales de uranio estudiadas, con lo que se llegó a la conclusión de que era una propiedad del átomo de uranio. Estos rayos se denominaron en un principio rayos B en honor a su descubridor.

Los átomos que constituyen la materia suelen ser generalmente estables, pero alguno de ellos no lo son, se transforman espontáneamente en átomos de otros elementos con emisión de radiaciones que transportan energía. Es lo que se denomina radiactividad.

El descubrimiento de la radiactividad natural cambió la comprensión del universo e influyó fuertemente en la evolución de los conocimientos científicos. Por sus numerosas aplicaciones, este extraordinario descubrimiento también ha influido profundamente en la historia y en la vida de los seres humanos.

En 1898, Pierre y Marie Curie descubrieron otros dos elementos que emitían radiaciones parecidas. Al primero de ellos le dieron el nombre de Polonio (Po) y al segundo lo llamaron Radio (Ra). Este último es el más activo de los radioelementos pues emite 1,4 millones de veces más radiaciones que el uranio.

Por sus descubrimientos, Henry Becquerel, Marie Curie y Pierre Curie recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física en 1903.

Dos físicos británicos, Ernest Rutherford y Fréderick Soddy, demostraron en 1902 que la radiactividad provoca una transformación espontánea de un elemento químico en otro.

En 1911, Marie Curie logró aislar el radio (Ra) y determinar su masa atómica. En reconocimiento a su trabajo, ese año obtuvo su segundo Premio Nobel, esta vez de Química.

Hoy sabemos que los núcleos de los átomos radiactivos son inestables y se desintegran liberando energía y radiaciones. Las radiaciones proceden exclusivamente del núcleo y pueden ser de tres tipos: a)Rayos alfa (): corresponde a núcleos de helio (dos protones y dos neutrones) que por su carga positiva se desvían bajo la acción de un campo eléctrico. Son poco penetrantes.

a)Rayos beta (): son partículas con carga negativa (electrones) y de una gran velocidad (cercana a la de la luz). Se desvían bajo la acción de un campo eléctrico y son casi 100 veces más penetrantes que las radiaciones alfa.

a) Rayos gamma (): al igual que los rayos X, corresponden a radiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia y elevada energía. No se desvían bajo la acción de un campo eléctrico y son mucho más penetrantes que las radiaciones alfa y beta.

4. EL PROTÓN

En 1886 un científico alemán llamado Eugen Goldstein, a través de sus experimentos con gases en tubos de descarga con cátodos perforados, descubrió que además del haz de electrones, se producía una radiación de partículas positivas en dirección opuesta que atravesaban el cátodo perforado.

Eugen Goldstein (1850-1930). Físico alemán que descubrió el protón.

Los electrones de los rayos catódicos chocan con los átomos del gas residual desalojando electrones y convirtiendo a estos átomos en partículas con carga positiva. Estos son atraídos hacia el cátodo perforado formando los rayos canales o positivos.

Más tarde, estudiando la desviación de estas partículas frente a un campo magnético, se encontró que la masa de las mismas no era constante, es decir, distintos gases producían partículas positivas de distinta masa. A estos rayos se les llamó rayos canales. Las partículas más livianas de los rayos canales correspondían al elemento de menor masa, el hidrógeno.

La carga de estas partículas y la del electrón eran iguales en valor absoluto aunque sus masas fuesen muy diferentes. Su masa era aproximadamente 2000 veces mayor que la del electrón. A esta partícula positiva que se obtenía cuando se usaba gas hidrógeno se le dio el nombre de protón y su carga es igual a la del electrón, pero con signo contrario.

La importancia del descubrimiento de Goldstein radica en que demostró experimentalmente la existencia de partículas con carga positiva formando parte de la materia. A esta carga positiva la llamó PROTÓN.

Carga del protón (H+) = +1,6 · 10–19 CMasa del protón (H+) = 1,6726 · 10–27 kg

La carga solo puede ser positiva o negativa y es una convención o acuerdo histórico la asignación del signo negativo a la carga del electrón y del signo positivo a la carga del protón.

1911 E. Rutherford Demostró que los átomos

no eran macizos, como se creía, sino que están vacíos en su mayor parte y en su centro hay un diminuto núcleo.

Dedujo que el átomo debía estar formado por una corteza con los electrones girando alrededor de un núcleo central cargado positivamente.

5. MODELO ATÓMICO DE E. RUTHERFORD

El experimento de Rutherford, que pretendía comprobar la validez del modelo de atómico de Thomson, consistió en bombardear una lámina muy fina de oro (10-3 cm de espesor) con un haz de partículas , cuya carga eléctrica es positiva.

En la experiencia de Rutherford los elementos radiactivos servían como “cañones de partículas”. Si se coloca una porción de material que contenga algún elemento radiactivo en una caja forrada de plomo con un orificio, dado que el plomo absorbe la radiación, casi todas las partículas que salen despedidas quedan absorbidas por el plomo, pero algunas atravesarán el agujero y formarán un delgado flujo de partículas muy energéticas que pueden dirigirse contra un blanco.

                                            

                                                                        

                           

                                                   

- Unas pocas sufrían desviaciones tan fuertes que rebotaban

Al realizar este experimento observó que: -La mayoría de las partículas alfa pasaban sin ser afectadas ni desviadas.

-Algunas atravesaban la lámina sufriendo desviaciones considerables.

Observe que sólo cuando el rayo choca con el núcleo del átomo hay desviación.

Para poder explicar las grandes desviaciones que sufrían algunas partículas α Rutherford supuso que toda la carga positiva del átomo estaba concentrada en un pequeño núcleo donde residía además la casi totalidad de su masa.

En el átomo se pueden distinguir dos zonas:•El núcleo, es su parte central, que contiene toda la carga positiva y casi la totalidad de la masa del átomo. •La corteza, zona que rodea al núcleo, donde están los electrones cargados negativamente. Estos electrones girarían en torno al núcleo y mantendrían grandes distancias entre sí.

Rutherford sugirió que en los núcleos de los átomos tenían que existir otras partículas de masa casi igual a la del protón, pero sin carga eléctrica, por lo que las llamó neutrones. El neutrón no fue descubierto experimentalmente hasta 1932 por Chadwick.

5.1. APORTES

5.2. LIMITACIONES

Este modelo considera el núcleo con carga positiva y sin presencia de neutrones, partículas que hasta ese momento no habían sido descubiertas.

El problema central de esta teoría es la idea de que los electrones emiten energía al girar en torno al núcleo; la emisión de energía se debe a que se mueven a gran velocidad, proceso que da como resultado el colapso de los electrones sobre el núcleo debido a la pérdida de energía.

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