Nociones de átomo en la Antigüedad.

Desde la antigüedad, los hombres se han preguntado de qué están hechas las cosas. El primero del que tenemos noticias fue un pensador griego, Tales de Mileto, quien en el siglo VII antes de Cristo, afirmó que todo estaba constituido a partir de agua, que enrareciéndose o solidificándose formaba todas las sustancias conocidas. Con posterioridad, otros pensadores griegos supusieron que la sustancia primigenia era otra. Así, Anaxímenes de Mileto, en al siglo VI a. C. creía que era el aire y Heráclito de Éfeso, el fuego.

En el siglo V, Empédocles de Agrigento reunió las teorías de sus predecesores y propuso no una, sino cuatro sustancias primordiales, los cuatro elementos: Aire, agua, tierra y fuego. La unión de estos cuatro elementos, en distinta proporción, daba lugar a la vasta variedad de sustancias distintas que se presentan en la naturaleza.

Aristóteles, añadió a estos cuatro elementos un quinto: el quinto elemento, el éter o quinta esencia, que formaba las estrellas, mientras que los otros cuatro formaban las sustancias terrestres.

Resumiendo la filosofía atómica antigua;

a) Todas las cosas están hechas de átomos sólidos.b) Espacio o vacío, es decir, vacuidad, existe entre los átomos.c) Los átomos son eternos.d) Los átomos, por ser demasiado pequeños no son visibles.e) Los átomos son indivisibles, homogéneos e incomprensibles.f) Los átomos difieren uno de otro por su forma, tamaño, distribución geométrica.g) Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los átomos.

Modelo Atómico de DaltonModelo Atómico de Dalton

En 1803 John Dalton, presentó su teoría atómica con la publicación de su New System of Chemical Philosohy.

John Dalton

La teoría atómica de Dalton puede definirse en los siguientes postulados.

1.- Los elementos químicos están formados por partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos.

2.- Todos los átomos de un elemento químico dado son idénticos en su masa y demás propiedades.

3.- Los átomos de diferentes elementos químicos son distintos, en particular sus masas son diferentes.

4.- Los átomos son indestructibles y retienen su identidad en los cambios químicos.

5.- Los compuestos se forman cuando átomos de diferentes elementos se combinan entre sí, en una relación de números enteros sencilla, formando entidades definidas (hoy llamadas moléculas).

En 1864 William Crookes descubre una radiación luminosa que se produce en un tubo de vidrio que contenía un gas a baja presión, después de una descarga de bajo voltaje. Esta observación origino la curiosidad necesaria para el descubrimiento de otros tipos de radiaciones, tales como los rayos catódicos, rayos canales, rayos X, radio actividad.

Descubrimiento del Electrón.

Hacia finales del siglo XIX, se descubrió que los átomos no son indivisibles, pues se componen de varios tipos de partículas elementales. La primera en ser descubierta fue el electrón en el año 1864 por el investigador Sir Joseph Thomson, quién recibió el Premio Nobel de Física en 1906.

Posteriormente, Hantaro Nagaoka (1865-1950) durante sus trabajos realizados en Tokio, propone su teoría según la cual los electrones girarían en órbitas alrededor de un cuerpo central cargado positivamente, al igual que los planetas alrededor del Sol.

Modelo Atómico de Thomson.Modelo Atómico de Thomson.

En 1904, el Físico británico Joseph John Thompson realizo varios experimentos con los rayos catódicos, de cuyas conclusiones obtuvo las bases para proponer su modeló atómico. En seguida veremos sus experimentos.

Experimento No. 1.Conecto electrodos a un tubo de vidrio

en el que había un gas de baja presión (0.001 mm de Hg). El ánodo y el cátodo se hallaban conectados a una fuente de alto voltaje, con mas de 10 000 voltios.

El paso de la corriente provocaba que la pequeña cantidad de gas emitiera una luz tenue. Los rayos se desplazaban en línea recta y emitían un destello al llegar a una pantalla formada por una sustancia fluorescente.

Experimento No. 2

Al interponer un objeto metálico opaco en el camino de los rayos, como se muestra en la imagen, observo que se formaba una sombra en la pared opuesta al cátodo. Esto indicaba que los rayos partían del cátodo. Por eso se les llamo rayos catódicos.

Experimento No. 3

Con este experimento, Thomson averiguo que los rayos tienen masa. En el camino de los rayos interpuso una pequeña rueda. Observó que la rueda giraba como consecuencia del paso de los rayos, por esto concluyo que en efecto los rayos tienen masa.

Experimento No. 4

Thomson uso esta modificación para averiguar que carga tenían los rayos catódicos. Mediante un campo eléctrico, o un campo magnético, comprobó que los rayos se desviaban alejándose del polo negativo del campo y se acercaban al positivo. Este comportamiento le indico que los rayos son partículas negativas.

Modelo atómico de Thompson.

En el año 1923, a Millikan le concedieron el premio Nobel por el descubrir la energía de cada electrón; para llevar a cabo este descubrimiento utilizó una cámara cerrada la cual tenía un agujero en uno de sus laterales en la mitad superior para colocar un atomizador, además en la mitad inferior del lateral encontramos otro agujero donde se coloca un microscopio.

Experimento de Millikan para

determinar la carga del electrón.

En el otro lateral de la cámara en la que no encontramos ningún artilugio encontramos una pequeña ventana por donde los rayos X penetran y otra por la que entre la luz que ilumina las gotas. Los rayos X cargan eléctricamente (ionizan) las partículas de las gotitas de aceite.

Donde se sitúa el atomizador y encima del microscopio se encuentra situada una placa metálica horizontal cargada positivamente, y donde el microscopio se encuentra en el lugar donde está el agujero para el microscopio situamos otra placa cargada negativamente.

Llevando a cabo este proceso las gotas de aceite se podrían mantener en el aire suspendidas, contrastando la fuerza de la gravedad con la atracción magnética que habrá al cargar las gotitas de aceite negativamente con las placas que estarán cargadas una positivamente y otra negativamente.

Millikan sabía que al atravesar las moléculas por los rayos x, estas quedarían ionizadas, es decir cargadas de electricidad. Su experimento consistió en dejar caer un elemento gaseoso constituido por gotitas de aceite que caían uniformemente debido a su peso pero contrarrestado por la viscosidad del gas

A éstas gotitas les aplicaba la carga de la que habíamos hablado antes por medio de los rayos x, y las dejaba entre dos placas de metal con distinta carga (positiva y negativa) para que al contrarrestarse y tratar de atraerse, las gotitas quedaran suspendidas en el aire.

De esta forma, Millikan conocía la masa de la gota, la intensidad del campo eléctrico y la fuerza de la gravedad cuando las gotas quedaban suspendidas, por lo que pudo determinar la carga de la gota

En 1886, Eugene Goldstein continuó experimentando en el tubo de Crookes, y al trabajar con distintos gases descubrió que en el átomo había partículas positivas con una masa mayor que las negativas, estas partícula positivas recibieron el nombre de Protones.

Experimentando con tubos de descarga empleó un cátodo con algunas perforaciones, como se puede observar en la siguiente imagen, al producirse los rayos catódicos, se originaba una iluminación situada en el espacio detrás del cátodo, las radiaciones producidas se alejaban del ánodo, Goldstein llamo a este tipo de radiaciones rayos canales o positivos, pues pensaba que se originaban en el ánodo.

En 1895, Wilhelm Roentgen descubrió, mientras experimentaba con un tubo de rayos catódicos en una pieza obscura, observó una incandescencia sobre una pantalla fluorescente colocada a cierta distancia del tubo. Dicha incandescencia era provocada por un tipo de rayo de alta energía y por tanto, altamente penetrante, capaz de pasar a través de madera, papel e incluso tejido humano, pero difícilmente a través del metal y los huesos.

Radiaciones: clave de la era atómica.

Las características que Roentgen encontró en los rayos fueron las siguientes:

a) Ennegrecen las placas fotográficas.

b) Ionizan a los gases, haciéndolos conductores de la electricidad. c) Carecen de carga, pues no se desvían al pasar por un campo electromagnético.

Henri Becquerel.

En el año 1896 descubrió accidentalmente una nueva propiedad de la materia que posteriormente se denominó radioactividad. Este fenómeno se produjo durante su investigación sobre la fosforescencia. Al colocar sales de uranio sobre una placa fotográfica en una zona oscura, comprobó que dicha placa se ennegrecía.

Las sales de uranio emitían una radiación capaz de atravesar papeles negros y otras sustancias opacas a la luz ordinaria. Estos rayos se denominaron en un principio rayos Becquerel en honor a su descubridor. También este personaje gracias a sus valiosas investigaciones y descubrimientos hizo aportes al modelo atómico.

Para comprobar esta hipótesis, colocó cristales sobre una placa fotográfica envuelta en papel opaco, de tal forma que sólo la radiación invisible, correspondiente a los rayos X, pudiera revelar la emulsión contenida en la placa; previamente excitó los cristales mediante exposición a la luz solar. Al cabo de unas horas comprobó que la placa revelaba la silueta perfilada por los cristales.

Matrimonio de químicos franceses. Polaca de nacimiento, Marie Sklodowska, se formó en su país natal y en 1891 marchó a París para ampliar estudios en La Sorbona. Se licenció por dicha universidad en el año 1893, y se doctoró diez años más tarde. Poco después de su llegada a Francia conoció al físico francés Pierre Curie, con quien se casó en 1895. Fruto de esta unión serían sus dos hijas, Éve e Iréne.

Modelo Atómico de Rutherford.

Rutherford también realizo experimentos sobre los elementos radiactivos. Investigo el efecto que produce un campo magnético sobre las radiaciones emitidas sobre dichas partículas Rayos alfa (α): Son partículas de carga eléctrica positiva, y por tanto poco poder penetrante.

Rayos beta (β):Son partículas de carga eléctrica negativa, con una cantidad de energía capaz de atravesar una lámina de Al.

Rayos gamma (у): Estas radiaciones no fueron desviadas por el campo magnético ni por el eléctrico, poseen gran energía y son dañinas para los seres vivos.

El experimento de Rutherford, en 1911, 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 a, cuya carga eléctrica es positiva.

Ernest Rutherford

                          

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.

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.

•Unas pocas sufrían desviaciones tan fuertes que rebotaban.

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, en 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.

En 1908, Rutherford recibió el premio nobel por este hallazgo, pero lo mas curioso es que se le recuerda mas por su modelo atómico que por el descubrimiento de los rayos alfa, beta y gamma.

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.

En 1932 sus experimentos, Chadwick bombardeó átomos de boro con partículas alfa y a partir del incremento en la masa del nuevo núcleo, calculo que la partícula añadida al boro tenia una masa mas o menos igual al protón.

Sin embargo la partícula en sí no puede detectarse.

Chadwick decidió que la explicación debía ser que la partícula no poseía carga eléctrica.

Descubrimiento del Neutrón.

Los átomos no son indivisibles como lo pensó Dalton. Más bien, cada átomo está compuesto por partículas subatómicas: electrones, protones y neutrones. Estas partículas subatómicas tienen dos propiedades importantes que usted debe conocer, la masa y la carga. Usted ya está familiarizado con el concepto de masa. También puede estarlo con el concepto de carga, por las baterías de los automóviles y las domésticas. Asimismo, sabe que una batería tiene una terminal positiva y una negativa. La carga también puede ser negativa o positiva. Es posible medirla de diferentes maneras, pero hablamos en términos de carga relativa +1 o -1, o, por supuesto, no tener carga.

Partículas Subatómicas.

El electrón, abreviado e-, fue descubierto en 1879 por el químico y físico inglés sir William Crookes Durante los 30 años siguientes, el trabajo del físico inglés J.J. Thomson y del físico estadounidense Robert A. Millikan estableció la masa y la carga real del electrón. La carga relativa es de -1, y la masa de un solo electrón es de 9.109 x 10 -28 g (5.468 x 10 -4 uma). De manera que, para fines prácticos, podemos considerar insignificante la masa del electrón.

El protón, que se abrevia p+, fue descubierto en 1886 por el físico alemán Eugen Goldstein (1850-1930). Goldstein demostró que el protón tiene una carga positiva, opuesta a la carga del electrón. Sir J.J. Thomson realizo las mediciones que permitieron calcular la masa del protón. La carga relativa de un protón en +1, y la masa de un solo protón es de 1.6726 x 10 -24 g (1.0079 uma); para la mayor parte de los cálculos la cifra se redondea a 1 uma.

El neutrón, abreviado n°, fue descubierto en 1932 por el físico inglés Sir James Chadwick (1891-1974). El neutrón no tiene carga, y la masa de un solo neutrón es de 1.6748 x 10 -24 g (1.0087 uma). Nuevamente, la cifra se redondea a 1 uma en la mayoría de los cálculos.

Partículas subatómicasPartícu

laSímbol

o Masa (g) Masa (uma) Carga Ubicación

Protón p+ 1.6726 x 10 -

24 g1.0079 uma + Núcleo

Neutrón

n %1.6748 x 10 -

24 g1.0087 uma ° Núcleo

Electrón

e- 9.109 x 10 -28 g

5.468 x 10 -4 uma

-Fuera del

núcleo

Podemos comprar el tamaño entre

los planetas para hacernos una idea de la diferencia de

tamaño entre protones,

neutrones y electrones.

Para comprender la teoría cuántica de Planck es necesario tener cierto conocimiento acerca de la naturaleza de las ondas. Podemos pensar en una onda como una alteración vibrátil mediante la cual se transmite la energía. Las propiedades básicas de una onda se ilustran con un tipo muy conocido de ondas: las del agua. La variación regular de las crestas y los valles hace posible percibir la propagación de las ondas.

Energía Radiante

La rapidez (u) de una onda es el producto de su longitud y frecuencia:

Existen muchos tipos ondas, como las del agua, del sonido y de la luz, en 1873, James Clerk Maxwell propuso que la luz visible se compone de ondas electromagnéticas. De acuerdo con esta teoría, una onda electromagnética tiene un componente de campo eléctrico y un componente de campo magnético. Ambos tienen la misma longitud de onda y frecuencia, y por tanto, igual rapidez, pero viajan en planos perpendiculares entre sí. La trascendencia de la teoría de Maxwell estriba en que aporta una descripción matemática del comportamiento general de la luz.

En particular, el modelo de Maxwell describe con exactitud cómo se puede propagar la energía en forma de radiación a través del espacio como una vibración de campo magnético y eléctrico. La radiación electromagnética es la emisión y transmisión de energía en forma de ondas electromagnéticas.

Las ondas electromagnéticas viajan a 3.00 x 10 8 metros por segundo. Esta rapidez varía según el medio, pero no lo suficiente para modificar de manera sustancial los cálculos. Por convención, la rapidez de las ondas electromagnéticas, que comúnmente se llama rapidez de la luz, se expresa con el símbolo c. la longitud de onda de las ondas electromagnéticas se expresa normalmente en nanómetros (nm).

A continuación presentamos los distintos rangos de fotones que contiene el espectro electromagnético: Los fotones con más energía que se conocen son los Fotones gamma, son aquellos asociados a las longitudes de onda más corta y son llamados rayos gamma. Si se sigue incrementando la longitud de onda, continúan los rayos x, y luego los rayos ultravioleta.

Si seguimos aumentando la longitud de onda pasamos a la luz infrarroja; luego las, las microondas y finalmente las ondas de radio. Entre los rayos gamma y las ondas de radio tenemos un muy amplio espectro de luz y solo una muy pequeña zona de ese espectro es directamente perceptible a la visión.

Cuando los sólidos se someten a calentamiento emiten radiación electromagnética que abarca una amplia gama de longitudes de onda, la luz rojiza tenue de un calentador eléctrico o la luz blanca brillante de una lámpara de tungsteno son ejemplos de la luz que emiten los sólidos calentados.

Teoría cuántica de Planck.

Las mediciones hechas en la última parte del siglo XIX mostraron que la cantidad de energía radiante que emitía un objeto a cierta temperatura dependía de su longitud de onda. Sin embargo, la explicación de esta dependencia con la teoría ondulatoria establecida y con las leyes de la termodinámica no era del todo satisfactoria.

Una de las teorías explicaba la dependencia de la longitud de onda corta pero no la de longitudes de onda más largas. Otra teoría explicaba la dependencia de longitudes de onda larga, pero no la de las cortas. Era como si faltara algo fundamental en las leyes de la física clásica.

En 1905, solo cinco años después de que Planck presentara su teoría cuántica, Albert Einstein la utilizó para resolver otro misterio en la física, el efecto fotoeléctrico, un fenómeno en el que los electrones son expulsados desde la superficie de ciertos metales que han sido expuestos a la luz de al menos determinada frecuencia mínima, y que se conoce como frecuencia umbral. El número de electrones liberados, no su energía, era proporcional a la intensidad (o brillantez) de la luz. No importaba que tan intensa fuera la luz. Los electrones no se liberaban cuando la frecuencia no llagaba al umbral.

Efecto Fotoeléctrico.

La teoría de la onda de luz no podía explicar el efecto fotoeléctrico, pero Einstein partió de una extraordinaria hipótesis al considerar que un rayo de luz es, en realidad, un torrente de partículas. Tomando como punto la teoría cuántica de Planck, Einstein dedujo que cada uno de estas partículas de luz, que ahora se conocen como fotones

Modelo Atómico de Bohr.

El físico danés Niel Bohr adopta el modelo planetario y propone que las orbitas en la que se mueven los electrones son niveles de energía. Explica que los electrones, cuando están estables, ocupan el nivel de energía y permaneces en un estado basal, pero que, al ser excitados, su energía cambia, lo que puede alterar el radio de su órbita y, en consecuencia, cambiar su nivel energético.

El modelo atómico de Bohr se sustenta en cuatro postulados:

1.Los electrones en los átomos están localizados en orbitas o niveles de energía, alrededor del núcleo.

2. Los electrones de las orbitas más cercanas al núcleo tienen menor energía que los de las más alejadas.

3. En un átomo, cualquier electrón puede tener solo ciertos valores de energía permitidos. Esta energía determina la órbita que ocupa el electrón.

4. Los electrones pueden moverse de una órbita a otra, para lo cual deben ganar o perder una cantidad exacta de energía, un cuanto de energía (concepto creado por el físico Max Planck).

 

Bohr propuso también que el número de electrones que podía contener cada nivel de energía u órbita se calculaba con la expresión matemática 2n2, donde n representa el nivel de energía. De esta manera, el primer nivel podía contener solamente dos electrones, ya que:

2 ( 1 )2 = 2,

El segundo nivel tendría ocho electrones, porque:

2 ( 2 )2 = 8

Y así sucesivamente.

En 1916, Sommerfeld perfeccionó el modelo atómico de Bohr intentando paliar los dos principales defectos de éste. Para eso introdujo dos modificaciones básicas: Órbitas cuasi-elípticas para los electrones y velocidades relativistas. En el modelo de Bohr los electrones sólo giraban en órbitas circulares. La excentricidad de la órbita dio lugar a un nuevo número cuántico: el número cuántico azimutal, que determina la forma de los orbitales, se lo representa con la letra l y toma valores que van desde 0 hasta n-1. Las órbitas con:

Modelo de Sommerfeld

En 1916 Arnold Sommerfeld le hizo las siguientes modificaciones al modelo atómico de Bohr;

1. Los electrones se mueven alrededor del núcleo en orbitas circulares o elípticas.

2. A partir del segundo nivel energético, existen dos o mas subniveles en un mismo nivel.

3. El electrón es una corriente eléctrica minúscula.

En 1926, el Físico alemán Weber Heisenberg , después de diseñar varios experimentos hipotéticos para determinar con precisión la posición y velocidad del electrón , llego a la conclusión de que esta determinación era imposible, de su conclusión propuso el siguiente principio: Principio de incertidumbre de Heisenberg:Es imposible determinar con precisión y simultáneamente la posición y velocidad de un electrón, ya que al precisar su velocidad, su posición se altera y viceversa.

El siguiente modelo atómico fue el propuesto por el físico austriaco Erwin Schrödinger en 1924, el cual presenta las siguientes ideas principales;

Este modelo no describe orbitas o trayectorias del electrón alrededor del núcleo, sino que describe regiones o espacios cercanos al núcleo donde existe una alta probabilidad de encontrar uno o dos electrones en él .Estas regiones se denominan orbitales.