Desde la estrella más alejada del sistema solar (aparentemente) hasta el teclado, el ratón o el teléfono que estás utilizando para leer este artículo está formado por átomos. Los átomos han sido objeto de un amplio estudio para comprender cómo componen el universo; los modelos atómicos tratan de entender estas partículas. ¡Vamos a aprender más acerca de los átomos y de los modelos atómicos!
- En este artículo, recordaremos el concepto de átomo, así como su composición.
- A continuación, veremos qué es un modelo atómico.
- Una vez tengamos claro qué es un modelo atómico, distinguiremos los distintos modelos atómicos más relevantes que ha habido a lo largo del tiempo: modelo atómico de Dalton, modelo atómico de Thomson, modelo atómico de Rutherford, modelo atómico de Bohr y, finalmente, el modelo atómico actual.
El concepto de átomo
El concepto de átomo proviene de un antiguo filósofo griego llamado Demócrito. Él afirmó que toda la materia está formada por partículas indivisibles llamadas átomos, rodeadas de espacio vacío. Desde entonces, se postularon otras teorías sobre los constituyentes básicos del universo, hasta que se alcanzó nuestra idea moderna del átomo en los siglos XIX y XX.
La composición del átomo
En el modelo clásico, el átomo está compuesto por partículas más pequeñas, con carga eléctrica, conocidas como electrones y protones. Pero, actualmente se sabe que el átomo también cuenta con un tercer tipo de partícula neutra conocida como neutrón.
De acuerdo con esto, la composición clásica del átomo es la siguiente:
Partícula | Protón | Electrón | Neutrón |
Carga elemental | +1 | -1 | 0 |
Símbolo | p | e | n |
Tabla 1. Composición clásica del átomo.
Los modelos modernos del átomo se basan en que la carga positiva se concentra en un pequeño espacio en el centro, es decir, en el núcleo del átomo. Aquí, los protones y los neutrones se mantienen unidos gracias a la fuerza nuclear fuerte, que impide que los protones se repelan.
¿Qué es un modelo atómico?
Un modelo atómico es el modelo utilizado para describir la estructura y composición del átomo.
Tal y como veremos a continuación, existen distintos modelos atómicos que han ido evolucionando a lo largo del tiempo. Esta evolución se debe, principalmente, a la mejora en los instrumentos empleados para los experimentos y la experiencia y conocimiento adquiridos por los físicos gracias a sus predecesores, lo que les permitía elaborar modelos atómicos cada vez más sofisticados y cercanos a la realidad.
Modelos atómicos
Hay cinco modelos principales del átomo, que se han propuesto a lo largo del tiempo; cada uno de ellos relacionado con la comprensión del átomo en ese momento. Los modelos atómicos, ordenados cronológicamente, son:
- El modelo atómico de Dalton
- El modelo atómico de Thomson
- El modelo atómico de Rutherford
- El modelo atómico de Bohr
- El modelo atómico actual o modelo atómico cuántico.
Modelo atómico de Dalton
John Dalton fue un científico inglés que propuso el primer modelo atómico moderno. Este se basaba en que toda la materia está formada por átomos: entidades indivisibles. Estas son algunas de las propiedades que Dalton asoció al átomo:
Todos los átomos del mismo elemento tienen la misma masa.
Los átomos no pueden dividirse en partículas más pequeñas.
Cuando se produce una reacción química, los átomos se reorganizan.
Las moléculas están compuestas por varios tipos de átomos de cada elemento diferente, y los compuestos químicos tienen diferentes proporciones de elementos.
Fig. 1: El modelo atómico de Dalton proponía que los átomos eran indivisibles y diferentes para cada elemento.
Modelo atómico de Thomson
Con el descubrimiento de los electrones por parte del científico británico J. J. Thomson, quedó claro que el átomo estaba formado por partículas aún más pequeñas que eran las responsables de portar la carga eléctrica. Los científicos de la época de Thomson ya pensaban, sin embargo, que los átomos eran globalmente neutros (los portadores de carga se anulan entre sí, para dar una carga total nula).
El modelo atómico de Thomson se basaba en que los átomos tenían pequeñas partículas negativas que flotaban sobre un fluido de carga positiva. Este modelo también se conoce como el modelo del budín de pasas.
Fig. 2: El modelo atómico de Thomson proponía una sopa cargada positivamente con los electrones flotando en la parte superior.
Modelo atómico de Rutherford
Un científico neozelandés llamado Ernest Rutherford diseñó algunos experimentos, junto con el científico alemán Hans Geiger. En estos experimentos, llevados a cabo por un estudiante llamado Ernest Marsden, disparaban partículas alfa (núcleos de helio) contra una fina lámina de oro.
Si el átomo fuese una mancha sólida de carga positiva con algunos electrones en la parte superior, como proponía el modelo atómico de Thomson, la mayoría de las partículas disparadas no llegarían al otro lado de la lámina. Sin embargo, el experimento demostró que Thomson estaba equivocado, pues la inmensa mayoría de partículas alfa atravesó la lámina sin desviarse. Este experimento evidenciaba que el átomo estaba casi vacío por dentro, ya que no muchas partículas disparadas contra la lámina impactaban en los núcleos de los átomos.
El modelo de Rutherford propone que el átomo contiene un núcleo, con todas las cargas positivas concentradas en el centro, y que los electrones orbitan alrededor de este centro. El núcleo concentra casi toda la masa del átomo y es pequeño comparado con la distancia entre núcleos, lo cual lleva a la idea de que la materia, en términos de densidad, está casi vacía.
Fig. 3: El modelo atómico de Rutherford proponía que los electrones se movían alrededor del núcleo, en órbitas.
Modelo atómico de Bohr
El modelo de Rutherford no consiguió una aceptación total: sabiendo que las cargas en movimiento liberan energía en forma de radiación electromagnética, los electrones deberían perder su energía cinética y caer hacia el núcleo. Estas incoherencias del modelo atómico de Rutherford llevaron a un científico danés, llamado Niels Bohr, a proponer uno nuevo.
El modelo atómico de Bohr era similar al de Rutherford; la principal diferencia entre ambos tienen que ver con las propiedades de las órbitas de electrones que rondan el núcleo.
El modelo atómico de Bohr propone una estructura atómica similar a la del modelo atómico de Rutherford: con un núcleo y electrones orbitando alrededor. Sin embargo, los electrones solo pueden desplazarse en determinadas órbitas con valores de energía fijos y discretos, y únicamente pueden cambiar de una órbita a otra variando su energía al emitir o absorber fotones.
Las reglas propuestas por Bohr son las siguientes:
- Los electrones pueden ocupar ciertas órbitas, dependiendo de su nivel de energía. El símil es que en una escalera solo se pueden ocupar los escalones y no los espacios entre medias.
- Cada órbita tiene un determinado nivel de energía.
- Al saltar entre órbitas, los electrones deben absorber o liberar energía.
- La energía emitida, en forma de radiación, puede calcularse por la diferencia de niveles energéticos entre las órbitas. Se dice que esta energía está cuantificada, ya que solo puede tomar ciertos valores determinados por las diferencias de energía de las órbitas permitidas.
Fig. 4: El modelo atómico de Bohr propuso que los electrones se mueven alrededor del átomo en órbitas y también saltan a diferentes órbitas, dependiendo de su nivel de energía. La energía de cada nivel tiene un valor fijo, y los electrones saltan hacia arriba y hacia abajo, absorbiendo o liberando radiación.
El modelo de Bohr, además, podía explicar el átomo de hidrógeno —cuyo electrón es único, al no interactuar con otros electrones que orbitan el átomo—. Sin embargo, no fue capaz de explicar el funcionamiento de otros átomos más complejos.
Modelo atómico actual
El modelo atómico actual, o modelo cuántico, es el más detallado hasta ahora sobre la composición del átomo y su funcionamiento. Fue desarrollado con las aportaciones de Erwin Schrödinger, Werner Karl Heisenberg y Louis de Broglie; es una extensión del modelo de Bohr —al añadir el concepto de dualidad onda-partícula— y es capaz de explicar átomos más complejos que el hidrógeno.
El modelo actual o cuántico se basa en que la materia puede comportarse como ondas y que los electrones se mueven alrededor del átomo en orbitales.
El orbital es una región en la que hay una mayor probabilidad de que un electrón se mueva.
Fig. 5: Un átomo que muestra cuatro orbitales; es decir, nubes en las que podrían estar presentes los electrones,
Modelo atómico - Puntos clave
- El modelo atómico ha pasado por varias etapas de desarrollo con diferentes comprensiones de la estructura y composición del átomo.
- El filósofo griego Demócrito entendía que toda la materia estaba compuesta por los mismos objetos pequeños, a los que llamó átomos.
- El modelo de Dalton sugería que las reacciones químicas eran el resultado de reordenamientos en los átomos que componen el objeto.
- Los modelos atómicos sucesivos, como los propuestos por Thomson y Rutherford, cambiaron la forma de pensar en la carga del átomo, ya que incluían las cargas eléctricas y describían cómo se distribuían en el átomo.
- El modelo de Bohr y el modelo atómico cuántico cambiaron la forma de ver la naturaleza del átomo y cómo interactúan los electrones en él. En el modelo de Bohr, los electrones se mueven entre órbitas, dependiendo de sus niveles de energía.
- El modelo actual o cuántico introdujo incertidumbres al entender que los electrones se mueven en zonas definidas, sin que podamos localizar su posición más allá de la probabilidad de que existan en una determinada.
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