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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!
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.
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.
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.
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.
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 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.
Modelo atómico de Bohr
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:
- Cuanto menor es la energía del electrón, menor es la órbita.
- A medida que los electrones llenan los orbitales, siempre llenarán el nivel de energía más bajo antes de comenzar un nuevo nivel de energía.
- En consecuencia, solo se emitiría radiación electromagnética cuando un electrón pase de un nivel a otro. La cantidad exacta se puede determinar utilizando el constante de Planck.
Pero, al igual que los otros modelos, este nuevo modelo no logró explicar del todo el comportamiento del átomo:
- No podía explicar las propiedades de los átomos que tenían más de un electrón.
- El espectro de hidrógeno cambiaba en presencia de un campo magnético
- No podía predecir las intensidades de las líneas espectrales o, incluso, el espectro de cualquier átomo con mayor número de electrones.
Modelo atómico actual
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.
Evolución de los modelos atómicos - Puntos Claves
- 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 de Thomson se conoce como el Pudín de ciruela de Thomson y fue el responsable del descubrimiento del electrón.
- Robert Millikan cálculo la carga y masa del electrón
- Rutherford descubrió el protón en el núcleo de un átomo: siendo una masa densa de partículas cargadas positivamente con electrones orbitando el núcleo en la corteza.
- Bohr propuso el modelo nucelar de capas, aclarando que aunque los electrones orbitan el núcleo en órbitas, cada órbita tiene un tamaño y una energía fija.
- El modelo atómico actual es el mecano-cuántico.
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Preguntas frecuentes sobre Evolución de los modelos atómicos
¿Cuáles son los modelos atómicos?
Hay 5 modelos atómicos que han sido aceptados durante la historia:
- El modelo atómico de Dalton.
- El modelo del pudín de ciruela de Thomson.
- El modelo atómico de Rutherford.
- El modelo atómico de Bohr.
- El actual modelo mecano-cuántico.
¿Cuál fue el modelo atómico de Dalton?
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.
¿Cuál es el modelo atómico moderno?
El modelo atómico moderno se denomina modelo mecano-cuántico, ya que se basa en la física cuántica.
¿Qué es el modelo de pudín de ciruela?
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.
¿Cuál fue el fallo que presenta el modelo atómico de Rutherford?
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.
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