Ciencias naturales básicas



Modelos atómicos de Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr

Los modelos atómicos dan una idea acerca de la estructura de la materia. El tema 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 la cual, 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 afirmación 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.

Principales modelos atómicos

Modelo atómico de Dalton (1803)

El científico inglés John Dalton, no hizo ningún aporte sobre la estructura de los átomos. Pero, destacó que muchas de las observaciones hechas sobre el comportamiento químico de la materia, podían explicarse, solo si se aceptaba su existencia. Con base en dichas observaciones, planteó 5 postulados:

  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.

Un modelo es un sistema figurativo mental, gráfico o tridimensional, que reproduce o representa la realidad en forma esquemática para hacerla más comprensible.

Modelo atómico de Thomson

Para J. J. 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 (figura 1a).

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 los electrones, los protones y algunas de sus características.

Dichos descubrimientos son resultado de experimentos con tubos de vacío (figura 1b).

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 1c).

Modelos atómicos
Figura 1. Modelo de Thomson.

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. Estas partículas son los electrones.

Después de eso, Thomson y Millikan determinaron la masa y la carga del electrón. En la misma línea, Goldstein y Chadwick, descubrieron, respectivamente, el protón y el neutrón. Para 1932, ya se conocían las tres partículas subatómicas.

La tabla 1 resume las características de las partículas subatómicas.

Tabla 1.

Modelo atómico de Rutherford (átomo nuclear)

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. El modelo atómico de Rutherford afirma que el átomo está compuesto por un núcleo muy pequeño cargado positivamente rodeado por una región comparativamente grande donde están los electrones (figura 2a). 

Modelo atómico de Bohr (átomo planetario)

Su modelo atómico es análogo al modelo planetario. En él, cada nivel de energía cuantizada, corresponde a una órbita electrónica específica. En otras palabras, los electrones describen órbitas o trayectoria alrededor del núcleo. Las órbitas con radios grandes, corresponden a niveles de energía altos (figura 2b).

El concepto de cuantización de la energía es importante. Considere la analogía con una escalera. Usted puede permanecer en cada peldaño, pero no entre ellos. Por lo tanto, hay ciertas alturas específicas a partir del suelo para sus pies.  Del mismo modo, la energía de un electrón en un átomo está cuantizada. Esto significa que un electrón no es libre de tener cualquier cantidad de energía, sino solo ciertas cantidades de energía discretas y específicas.

Normalmente, los átomos se hallan en su estado fundamental. Es decir, todos los electrones se encuentran en los niveles de energía, más bajos disponibles. Sin embargo, si el átomo es excitado, los electrones pueden absorber energía y saltar a niveles de energía más altos. Por otro lado, un electrón también puede emitir energía y pasar a un nivel de menor energía. Los niveles de energía se nombran con letras mayúsculas K, L, M… o con números enteros, a partir del nivel más cercano al núcleo. El modelo atómico de Bohr es la base de los modelos atómicos modernos.

Modelos atómicos
Figura 2. Modelos atómicos de Rutherford y Bohr.

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. ¿Qué es un modelo?
  5. ¿En qué consiste el modelo atómico de Thomson?
  6. Dibuje la figura 1
  7. Copie la tabla 1.
  8. ¿Cómo está compuesto el átomo según Rutherford y Nagaoka?
  9. ¿Por qué es importante el concepto de cuantización de la energía?
  10. ¿Qué significa que la energía de un electrón en un átomo esté cuantizada?
  11. ¿Cómo se encuentran los electrones de un átomo en su estado fundamental?
  12. ¿Qué ocurre con los electrones, cuando un átomo es excitado?
  13. Dibuje la figura 2.