Evolución de los modelos atómicos

Hace más de 2.000 años, un filósofo griego llamado Demócrito propuso la idea de los átomos. Creía que todo lo que nos rodea está hecho de pequeñas partículas llamadas átomos, y que estos átomos no pueden dividirse en partículas más pequeñas. Demócrito tenía parte de razón.

En efecto, todo está formado por átomos; pero gracias al trabajo de muchos científicos, ahora no solo sabemos lo que ocurre dentro de un átomo, sino que también podemos estudiar la estructura atómica.

• En primer lugar, veremos el modelo atómico de Dalton.
• Luego, analizaremos el modelo atómico de Thomson.
• Después, aprenderemos sobre el modelo atómico de Rutherford.
• Posteriormente, sobre el de Bohr.
• Por último haremos un resumen del modelo atómico actual

Antes de empezar a explorar la historia del átomo, vamos a pensar en por qué era tan importante averiguar su estructura. En realidad, es imprescindible conocer la estructura, si queremos entender por qué los átomos reaccionan de cierto modo o para predecir sus propiedades fisicoquímicas. ¡Si no supiéramos cómo es el átomo, la química no podría avanzar!

Al igual que Copérnico y su teoría heliocéntrica, tardaron en averiguar la estructura del átomo. Las primeras concepciones de algo que no se puede ver siempre se encuentran con limitaciones, como veremos en los primeros modelos atómicos. Asimismo, las aproximaciones actuales siguen siendo una teoría, ya que es imposible asegurarlo totalmente.

El modelo atómico de Dalton

En 1808, el científico inglés John Dalton publicó un libro titulado A New System of Chemical Philosophy (Un nuevo sistema de filosofía química). En esta publicación, proponía una teoría sobre los átomos, como forma de resolver el misterio del átomo que propuso Demócrito 2000 años atrás.

Este modelo se conoce hoy como el modelo atómico de Dalton y estaba de acuerdo con Demócrito en varias postulados:

• Toda la materia está formada por partículas indivisibles llamadas átomos.
• Los átomos no pueden ser creados ni destruidos.

Pero, Dalton también vio que los átomos de diferentes elementos tienen características diferentes, por lo que añadió estos postulados:

• Los átomos de un mismo elemento son idénticos en todos los aspectos, pero átomos de diferentes elementos tienen diferentes tipos de átomos, con masas diferentes.
• Cuando los átomos de diferentes elementos se combinan entre sí, forman compuestos químicos.
  • Dalton propuso el principio de la mayor simplicidad, que dice que los átomos se combinan en proporciones numéricas más simples.

Sin embargo, la teoría de Dalton tenía algunos inconvenientes:

• Los átomos son, de hecho, divisibles y pueden subdividirse en partículas subatómicas, llamadas protones, neutrones y electrones (sin meternos en el modelo estándar, que habla de fermiones y bosones).
• La existencia de isótopos también demuestra que los átomos de los mismos elementos pueden diferir en sus masas y densidades, por lo que no todos los átomos del mismo elemento son idénticos.

Dalton creía que los átomos de los distintos elementos eran totalmente diferentes entre sí. Sin embargo, ya hemos visto que esto no es verdad.

A la hora de formar compuestos químicos, las combinaciones no siempre se producían en las proporciones más simples de números enteros. Desde el punto de vista de Dalton, la aplicación de la regla que él llamaba "el principio de la mayor simplicidad" requeriría que cualquier hidrocarburo se presentara en sus proporciones numéricas más simples.

Por último, la teoría de Dalton no explicaba la existencia de los alótropos y sus diferentes propiedades. Pero, hay que tener en cuenta que Dalton fue la primera persona que reconoció la distinción entre la partícula fundamental de un elemento y la de un compuesto. Aun así, 100 años pasaron hasta el siguiente modelo atómico.

El modelo atómico de Thomson

Probablemente ya hayas oído hablar de Sir Joseph John Thomson. Thomson fue el primer científico en proponer un modelo atómico donde el átomo era divisible, lo que llevó al descubrimiento del electrón.

Thomson sugirió que un átomo es una esfera llena de un fluido cargado positivamente, que contiene pequeñas partículas cargadas negativamente, llamadas corpúsculos (posteriormente denominados electrones). Este modelo se conoce como el modelo del pudín de ciruela de Thomson.

A Thomson también se le atribuye el descubrimiento de los isótopos y la invención del espectrómetro de masas.

El experimento de los tubos de rayos catódicos

El experimento de Thomson que llevó al descubrimiento del electrón consistía pasar corriente por un tubo de cristal que estuviera casi totalmente a vacío. Este tubo de cristal tenía electrodos a cada lado, el cátodo unido al potencial negativo y el ánodo conectado al potencial positivo. En un campo electromagnético, partículas van desde el cátodo hasta el ánodo; pero, al poner placas de cargas opuestas, se ve que las partículas son atraídas a la placa cargada positivamente. Ya que sabemos que las cargas opuestas se atraen, se pudo deducir que las partículas están cargadas negativamente. Además, mediante el uso de un campo magnético, se pudo observar que la masa de la partícula era despreciable en comparación a la masa del átomo. Pero, aunque había descubierto la relación carga/masa del electrón, no fue sino hasta pasados unos años que se pudo calcular por separado.

A Robert Millikan se le atribuye el descubrimiento de la masa del electrón, tras averiguar con éxito el valor de la carga de un electrón. Esta carga se midió mediante el experimento de la gota de aceite, conocido como La gota de Millikan. Consistió en dejar caer gotas de aceite a una región de un campo eléctrico y medir la velocidad a la cual caían, para conocer su masa. Posteriormente, por irradiación con rayos X y un campo eléctrico, consiguió que la gota (en vez de caer,) se quedara en reposo, debido a la carga.

Con esto, pudo calcular que:

• La carga de un electrón es de 1,602 x 10^-19 C.
• La masa de un electrón es ser de 9,10 x 10^-28 g.

El modelo atómico de Rutherford

A Ernest Rutherford no le convencía el modelo atómico de Thomson. Así que, en 1910, Rutherford puso en marcha su famoso experimento: el experimento de la lámina de oro.

¿Cómo funcionó este experimento? Averigüémoslo.

En primer lugar, disparó partículas alfa con carga positiva (partículas formadas por dos protones y dos neutrones) a una lámina de oro. Rutherford esperaba que todas las partículas alfa atravesaran la lámina. Pero, no fue así: la mayoría de las partículas pasaron sin apenas desviación. Unas pocas partículas alfa, al salir por el otro lado, se dispersaron (o se desviaron) en ángulos grandes. En algunos casos, una partícula se desviaba hasta el detector!

Rutherford teorizó que algunas partículas rebotaban porque las partículas alfa chocaban con algo que también estaba cargado positivamente. Así, sugirió que la lámina de oro tenía un centro positivo, al que llamó núcleo. También sugirió que la mayoría de las partículas no se desviaban porque los átomos están hechos, en su mayoría, de espacio vacío.

Basándose en sus descubrimientos, Rutherford propuso su modelo nuclear del átomo. Este consistía en que el núcleo de un átomo es una masa densa de partículas cargadas positivamente (los protones) y con electrones orbitando el núcleo en la corteza (como las planetas orbitando al sol.

Pero este modelo tenía varias limitaciones:

• Según este modelo, la carga del átomo determina su estructura; mientras que, hasta ese momento, se había visto que la masa era responsable por la estructura y comportamiento químico.
• Un núcleo formado por protones sería inestable, ya que (como ya sabemos) las cargas se repelen.
• La masa del átomo no coincidía con la cantidad de protones que hay en el elemento. Como Thomson ya había visto que la masa del electrón era despreciable, tendría que coincidir el tamaño del átomo con el número de protones.
• No explicaba las bandas de absorción o emisión de los espectros atómicos.
• Si los electrones giran en órbitas, tendrían que emitir energía en forma de ondas electromagnéticas; tras un tiempo, caerían sobre el núcleo, al quedarse sin energía. Ahora sabemos que esto no ocurre.

Modelo atómico de Chadwick

Para poder explicar las primeras limitaciones, la estabilidad del núcleo y la masa de los elementos, había que descubrir el neutrón. Esto ocurrió en 1932 cuando James Chadwick introdujo polonio en una caja que estaba al vacío. Al irradiar Berilio con partículas alfa, se produjo una radiación, pero los neutrones no fueron afectados por un campo electromagnético. Por tanto, dedujo que eran partículas neutrales que interaccionaba con los protones, y determinó su masa.