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Modelos atmicos IES La Magdalena. Avils. Asturias

Demcrito (460-370 a.C)

Aristteles (384-322 a.C)

En la antigua Grecia dos concepciones compitieron por dar una interpretacin racional a cmo estaba formada la materia. Demcrito consideraba que la materia estaba formada por pe-queas partculas indivisibles, llamadas tomos. Entre los tomos habra vaco. Aristteles era partidario de la teora de los cuatro elementos, segn la cual toda la materia estara formada por la combinacin de cuatro elementos: aire, agua, tierra y fuego.

La teora de los cuatro elementos fue la aceptada durante muchos siglos. Siguiendo la teora aristotlica los alquimistas (que estn considerados como los primeros qumicos) intentaban obtener la Piedra Filosofal que les permitira transmutar los me-tales en oro, curar cualquier enfermedad y evitar, incluso, la vejez y la muerte. Su incesante trabajo en el laboratorio dio como fruto la invencin o perfeccionamiento de muchos procedimientos an hoy usados en los laboratorios (entre ellos la destila-cin), la sntesis de numerosos compuestos (como el cido clorhdrico, sulfrico o ntrico), el descubrimiento de tcnicas metalrgicas, la produccin de tintes, pinturas o cosmticos etc.

En 1808 John Dalton recupera la teora atmica de Demcrito y con-sidera que los tomos (partculas indivisibles) eran los constituyentes ltimos de la materia que se combinaban para formar los compuestos.

En 1897 los experimentos realizados sobre la conduccin de la electricidad por los gases dieron como resultado el descubri-miento de una nueva partcula con carga negativa: el electrn. Los rayos catdicos, estaban formados por electrones que saltan de los tomos del gas que llena el tubo cuando es so-metido a descargas elctricas. Los tomos, por tanto, no eran indivisibles. J.J Thomson propone entonces el primer modelo de tomo:

Los electrones (pequeas partculas con carga negativa) se encontraban incrustados en una nube de carga posi-tiva. La carga positiva de la nube compensaba exacta-mente la negativa de los electrones siendo el tomo elctricamente neutro.

John Dalton (1766-1844)

J. J. Thomson (1856-1940)

Primer modelo de tomo compuesto (Thomson, 1897) Los electrones, diminutas partculas con carga elctrica negativa, estn incrustadas en una nube de carga positiva de forma similar a las pasas en un pastel.

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Lmina de oro

Fuente de partculas Recubrimiento interior

de sulfuro de zinc.

Cuando las partcu-las alfa chocan con-tra el recubrimiento interior se produce un chispazo

E. Rutherford (1871-1937)

E. Rutherford realiza en 1911 un experimento crucial con el que se trataba de comprobar la vali-dez del modelo atmico de Thomson. Un esquema del montaje experimental usado se muestra ms abajo: Las partculas alfa (), procedentes de un material radiactivo, se aceleran y se hacen incidir sobre una lmina de oro muy delgada. Tras atravesar la lmina las partculas chocan contra una pantalla recubierta interiormente de sulfuro de zinc, produ-cindose un chispazo. De esta forma era posible observar si las partculas sufran alguna desvia-cin al atravesar la lmina.

Qu es una partcula ? (ver iones)

Las llamadas partculas son unas partculas muy pequeas, con carga elc-trica positiva y con una masa 7.000 veces superior a la del electrn.

La mayor parte de las partcu-las atravesaban la lmina de oro sin sufrir ninguna desvia-cin.

Muy pocas (una de cada 10.000 aproximadamente) se desviaba un ngulo mayor de 10 0 (trazo a rayas)

En rarsimas ocasiones las partculas rebotaban (lneas de puntos)

La interpretacin dada por Rutherford fue la siguiente:

Si el modelo atmico propuesto por Thomson fuera cierto no de-beran observarse desviaciones ni rebotes de las partculas inciden-tes. stas atravesaran limpiamen-te los tomos sin desviarse.

Para que las partculas se desv-en deben encontrar en su trayec-toria una zona (ncleo) en la que se concentre carga de signo posi-tivo y cuya masa sea comparable o mayor a la de las partculas .

La zona en la que se concentra la masa y la carga positiva debera de ser muy pequea comparada con la totalidad del tomo.

Los electrones orbitan en crculos alrededor del ncleo.

+

Si la partcula golpea contra el ncleo, sale rebo-tada hacia atrs. +

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+

La partcula , que tiene carga positiva, es repelida por el ncleo si pasa cerca de l.

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Modelo planetario de tomo propuesto por Rutherford en 1911

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La crisis del modelo de Rutherford.

El modelo de tomo planetario propuesto por Rutherford mostr pronto algunos inconvenientes tericos que lo hacan inviable:

Contradeca la teora electro-magntica de Maxwell. Segn esta teora una carga elctrica acelerada debera de emitir on-das electromagnticas. Un electrn al girar en crculos alre-dedor del ncleo debera emitir, por tanto, ondas electromagnti-cas. Dicha emisin provocara una prdida de energa que hara que el electrn describiera rbi-tas de radio decreciente hasta caer sobre el ncleo. El modelo atmico de Rutherford era, por tanto, invia-ble desde el punto de vista de la fsica clsica.

No daba una explicacin satisfactoria a los espectros atmicos. Si encerramos en un tubo hidrgeno o helio y sometemos el gas a voltajes elevados, el gas emite luz. Si hacemos pasar esa luz a travs de un prisma, los colores que la constituyen se separan dndonos el espectro de la luz analizada.

Pronto se concluy que la emisin de luz podra deberse a que los electrones absorban energa de la co-rriente elctrica y saltaban a rbitas superiores para, a continuacin, volver a caer a las rbitas ms prxi-mas al ncleo emitiendo el exceso de energa en forma de energa luminosa.

Esta interpretacin conduca, sin embargo, a afirmar que los espectros deberan de ser continuos, ya que al existir rbitas de cualquier radio (y energa) todos los saltos son posibles. La experiencia, por el contrario, mostraba que los espectros de los tomos son discontinuos. Constan de rayas de diversos colores sobre un fondo negro (ver imagen).

J.C. Maxwell (1831 -1879)

Maxwell, apoyndose en trabajos anteriores de Oersted, Faraday y Ampere, que relacionaban electrici-dad y magnetismo, dio forma ma-temtica a la teora electromagnti-ca durante la dcada de 1860.

Dicha teora predeca la existencia de ondas electromagnticas.

Hertz confirm en 1888 la prediccin de Maxwell al generar y recibir ondas electromagnticas en el laboratorio.

Espectro continuo. Se observan todos los colores que el ojo puede percibir.

Espectros de emisin de H (arriba) y del He (abajo). No son continuos. Constan de rayas de diversos colores separadas por amplias zonas negras en las que no se observa luz.

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El inicio de la Fsica Cuntica. Modelo atmico de Bohr (1913)

Con el fin de resolver los problemas acumulados sobre el modelo de tomo planetario, y para explicar el espectro del tomo de hidrgeno, Niels Bohr pro-pone en 1913 un nuevo modelo atmico sustentado en tres postulados:

1. Cualquiera que sea la rbita descrita por un electrn, ste no emite energa. Las rbitas son consideradas como estados estacionarios de energa. A cada una de ellas le corresponde una energa, tanto mayor, cuanto ms alejada se encuentre del ncleo.

2. No todas las rbitas son posibles. Slo pueden existir aquellas rbitas que tengan ciertos valores de energa, dados por el nmero cuntico principal, n. Solamente son posibles las rbitas para las cuales el nme-ro cuntico principal (n) toma valores enteros: n = 1, 2, 3, 4. Las rbitas que se correspondan con valores no enteros del nmero cuntico princi-pal, no existen.

3. La energa liberada al caer un electrn desde una rbita superior, de energa E2, a otra inferior, de energa E1, se emite en forma de luz. La frecuencia (f ) de la luz viene dada por la expresin:

El tomo de Bohr era, simplemente, un sntoma de que la fsica clsica, que tanto xito haba tenido en la ex-plicacin del mundo macroscpico, no serva para describir el mundo de lo muy pequeo, el dominio de los tomos.

Posteriormente, en la dcada de 1920, una nueva generacin de fsicos (Schrdinger, Heisenberg, Dirac) elaborarn una nueva fsica, la Fsica Cuntica, destinada a la descripcin de los tomos, que supuso una rup-tura con la fsica existente hasta entonces.

2 1E E h f =

h (constante de Planck) = 6,62. 10 34 J.s

Niels Bohr (1885-1962)

Los clculos basados en los postulados de Bohr daban exce-lentes resultados a la hora de interpretar el espectro del tomo de hidrgeno, pero hay que tener en cuenta que con-tradecan algunas de las leyes ms asentadas de la Fsica:

El primer postulado iba en contra de la teora electro-magntica de Maxwell, ya que segn esta teora cualquier carga elctrica acelerada debera de emitir energa en forma de radiacin electromagntica.

El segundo postulado era an ms sorprendente. En la fsica clsica era inaceptable suponer que el electrn no pudiera orbitar a determinadas distancias del ncleo, o que no pudiera tener determinados valores de energa. La afirmacin era equivalente a suponer que un objeto que describe circunferencias atado a una cuerda, no puede describir aquellas cuyo radio no sea mltiplo de dos (por ejemplo).

El tercer postulado afirmaba que la luz se emita en forma de pequeos paquetes o cuantos, lo cual a pesar de que ya haba sido propuesto por Planck en 1900, no dejaba de sorprender en una poca en la que la idea de que la luz era una onda estaba firmemente arraigada.

Modelo atmico de Bohr (1913) Fuente: Wikimedia Commons