Estructura de la materia: modelos atómicos de Thomson y Rutherford

La estructura de la materia ha inquietado siempre al pensamiento humano. Los antiguos griegos, por ejemplo, se preguntaban acerca de la continuidad de la materia.

La idea de la materia continua, sugiere que cualquier porción de ella, puede romperse indefinidamente en fragmentos cada vez más pequeños. Esta era la opinión de Aristóteles.

Demócrito y Leucipo (400 a. c.)

Ellos defendían la idea de la materia discontinua. Según esta idea, la división sucesiva de un trozo de materia, solo se produce hasta la obtención de gránulos pequeñísimos e indivisibles. A estos gránulos se les dio el nombre de átomos.

Si bien, esta idea fue producto de observaciones cuidadosas, ellos no propusieron nada acerca de la estructura de los átomos. Sin embargo, Demócrito y Leucipo crearon uno de los conceptos más importantes de las ciencias naturales. El concepto de átomo.

John Dalton (1803)

Este científico inglés, destacó que muchas de las observaciones hechas sobre el comportamiento químico de la materia, podían explicarse, solo si se aceptaba la existencia de los átomos. No hizo Ningún aporte sobre su estructura, pero planteó 5 postulados importantes.

  1. Toda la materia está compuesta de pequeñas partículas llamadas átomos.
  2. Los átomos son permanentes e indivisibles y no pueden crearse ni destruirse.
  3. Todos los átomos de un elemento dado, son idénticos en todas sus propiedades. Átomos de elementos diferentes, tienen propiedades también diferentes.
  4. El cambio químico consiste en la combinación, separación o reordenamiento de los átomos involucrados en él.
  5. Los compuestos están constituidos por átomos, de elementos diferentes, en proporciones fijas.

Estos postulados son aceptados hoy día y son ciertos para todos los cambios químicos, exceptuando los que involucran la fusión y fisión nuclear. En estos últimos hay transformación de los átomos.

En otras palabras, los postulados de Dalton constituyen conceptos fundamentales para el estudio y la comprensión de la química.

J. J. Thomson (1897)

Para Thomson, el átomo consistía en una esfera de electricidad cargada positivamente en la que algunos electrones estaban embebidos. La porción positiva contenía la mayor parte de la masa del átomo.

Este modelo atómico fue aceptado por físicos y químicos, hasta que los experimentos de Rutherford y otros, demostraron que no era correcto. Sin embargo, los trabajos de Thomson están relacionados con los descubrimientos de electrones, protones y algunas de sus características. Dichos descubrimientos son resultado de experimentos con tubos de vacío.

estructura de la materia
Figura 1. Estructura de la materia: Modelo atómico de Thomson.

Experimentos con tubos de vacío

estructura de la materia

Figura 2

Los tubos de vacío son conocidos también como tubos de descarga o tubos de Crookes. Son tubos de vidrio cilíndrico cerrados en ambos extremos, equipados con dos electrodos de disco plano. Se conectan a una bomba de vacío mediante un tubo lateral. Los electrodos están conectados a una fuente de alto voltaje (20,000 voltios). Figura 2.

estructura de la materia

Figura 3.

A presión moderada, el tubo emite una luz suave. La luz se produce cuando las partículas emitidas por el cátodo (electrodo negativo) chocan con las moléculas de gas que hay en el tubo. Figura 3.

Figura 4.

Si en el tubo se coloca sulfuro de zinc, el lado del sulfuro de zinc que está frente al electrodo negativo (cátodo), emite una luz brillante. El microscopio revela que esta luz está formada por pequeños destellos brillantes. Además, el sulfuro proyecta su sombra con bordes definidos. Figura 4.

Figura 5.

La luz emitida por el cátodo puede desviarse, por un campo eléctrico o magnético. La dirección del desvío concuerda con lo previsto por las leyes de la física, si se supone que las partículas están cargadas negativamente. Figura 5.

Las partículas componentes de los rayos catódicos tienen siempre la misma carga eléctrica y la misma masa. Como sus propiedades son independientes del material catódico, se puede concluir que están presentes en toda la materia.

En conclusión, Thomson descubrió partículas de carga negativa que están presentes en todos los átomos. Descubrió los electrones.

Con esta información Thomson y Millikan determinaron la masa y la carga del electrón.

Figura 6.

Los protones

Mediante el empleo de un tubo de descarga modificado, Goldstein observó una corriente luminosa que salía del agujero del cátodo y se dirigía al lado opuesto del ánodo. Figura 6.

Por otra parte, al desviar estos rayos mediante un campo eléctrico o magnético, se puede demostrar que son partículas de carga positiva. A estas partículas se les llamó, más tarde, protones. (El descubrimiento del protón se le atribuye a Rutherford, ya que los trabajos de Goldstein fueron ignorados por mucho tiempo)

Chadwick descubrió, posteriormente, unas partículas sin carga, que fueron denominadas protones.

La tabla 1 resume las características de las partículas subatómicas.

Tabla 1.

Átomo de Rutherford

Cuando un material radiactivo se desintegra, produce tres tipos de radiaciones. Rayos alfa (α), o partículas con carga positiva; rayos beta (β), o partículas de carga negativa; y rayos gamma (γ) o rayos de alta energía.
Buscando comprobar la teoría de Thomson, Rutherford bombardeó láminas de oro de 0,01mm de espesor. Él esperaba que las partículas alfa atravesaran la lámina sin dispersión y quizás, algunas pocas, mostrarán pequeños ángulos de dispersión. Sin embargo, el experimento demostró que algunas partículas eran dispersadas en ángulos muy grandes o moderados. Figura 7.

Rutherford razonó que esto solo era posible si los átomos tuvieran zonas de gran concentración de carga. Por esto, retomo la idea propuesta por el físico japonés H. Nagaoka. Según él, el átomo está compuesto por un núcleo muy pequeño cargado positivamente rodeado por una región comparativamente grande donde están los electrones. pero, este modelo fue solo un paso más en el camino al conocimiento de la estructura de la materia.

Tabla 2.

Taller de lectura

  1. Escriba las definiciones de materia continua y materia discontinua.
  2. ¿Cuál fue el aporte de Demócrito y Leucipo al estudio de la estructura de la materia?
  3. Escriba los cinco postulados planteados por Dalton.
  4. ¿En qué consiste el modelo atómico de Thomson?
  5. Dibuje la figura 1.
  6. ¿Qué es un modelo?
  7. ¿Qué son tubos de vacío y con qué otros nombres se conocen?
  8. Copie, con la descripción, las figuras 3, 4, y 5.
  9. Copie la tabla 1 que resume las características de las partículas subatómicas.
  10. Nombre los tres tipos de radiaciones que se generan cuando un material radiactivo se desintegra.
  11. ¿Cómo está compuesto el átomo según Rutherford y Nagaoka?
  12. Dibuje la figura 8.
  13. Copie la tabla 2. Comentarios adicionales.