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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…
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Jetzt kostenlos anmeldenHace 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.
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!
El modelo atómico es una representación del átomo que permite explicar sus propiedades y predecir su comportamiento.
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.
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:
Pero, Dalton también vio que los átomos de diferentes elementos tienen características diferentes, por lo que añadió estos postulados:
Sin embargo, la teoría de Dalton tenía algunos inconvenientes:
Dalton creía que los átomos de los distintos elementos eran totalmente diferentes entre sí. Sin embargo, ya hemos visto que esto no es verdad.
Por ejemplo, tanto los átomos de Argón como los de Calcio tienen una masa atómica de 40 unidades atómicas, y ambos están hechas de las mismas partículas elementales.
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 ejemplo, el metano se encontraría en una proporción de 1C:2H, mientras que el etileno se encontraría en una proporción de 1C:1H. La fórmula real del metano es CH4, mientras que la del etileno es C2H4. Además, se descubrió que los compuestos complejos (por ejemplo, C12H22O11) no se combinan según el principio de mayor simplicidad de Dalton.
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.
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.
En 1906, Thomson recibió el Premio Nobel de Física por ello y por su trabajo sobre la conducción de la electricidad en los gases.
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.
¿Está interesado en aprender sobre los isótopos? Consulta nuestros artículos Isótopos y Espectroscopia de masas.
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:
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:
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.
Niels Bohr estaba de acuerdo con el modelo del átomo de Rutherford, pero quedaban por explicar las últimas dos limitaciones. Entonces, utilizando sus conocimientos de física cuántica, perfeccionó dicho modelo.
En 1913, propuso el modelo de capas nucleares, aclarando que aunque los electrones orbitan el núcleo en órbitas, cada órbita tiene un tamaño y una energía fija:
Pero, al igual que los otros modelos, este nuevo modelo no logró explicar del todo el comportamiento del átomo:
La idea más precisa que tenemos hoy de un átomo se basa en una descripción matemática de la mecánica cuántica. Seguimos utilizando la idea de que los electrones se mueven en órbitas específicas y bien definidas. Pero, ahora sabemos que los electrones no viajan en una órbita/trayectoria específica.
En la década de 1920, Erwin Schrödinger determinó que los orbitales eran una región en el espacio donde había una probabilidad alta de encontrar el electrón. El tipo de órbitas probables depende del nivel de energía descrito por Bohr. Pero, con el principio de incertidumbre de Heisenberg vemos que, aunque sabemos la región donde seguramente están, no sabemos la velocidad a la que van; y, si lo supiéramos, no sabríamos dónde están exactamente.
Por lo tanto: ¡todavía nos queda mucho que descubrir en cuanto al modelo atómico! Aunque ahora, incluso, sabemos que los protones no son partículas elementales.
Hay 5 modelos atómicos que han sido aceptados durante la historia:
Dalton postulaba que los átomos eran indivisibles e idénticos. Además propuso el principio de la mayor simplicidad y reconoció la distinción entre la partícula fundamental de un elemento y la de un compuesto.
El modelo atómico moderno se denomina modelo mecano-cuántico, ya que se basa en la física cuántica.
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.
Este modelo tenía varias limitaciones:
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