Antecedentes.

Átomo, la unidad más pequeña posible de un elemento químico. En la filosofía de la antigua Grecia, la palabra átomo se empleaba para referirse a la parte de materia más pequeño que podía concebirse. Esa partícula fundamental, por emplear el término moderno para ese concepto, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en griego "no divisible". El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo avanzó muy lentamente a lo largo de los siglos ya que la gente se limitaba a especular sobre él.

Cinco siglos antes de Cristo, los filósofos griegos se preguntaban si la materia podía ser dividida indefinidamente o si llegaría a un punto, que tales partículas, fueran indivisibles. Es así, como Demócrito (n. 460 A.C.) formula la teoría de que la materia se compone de partículas indivisibles, a las que llamó átomos Con la llegada de la Ciencia Experimental en los siglos XVI y XVII, los avances en la teoría atómica se hicieron más rápidos. Los químicos se dieron cuenta muy pronto de que todos los líquidos, gases y sólidos pueden descomponerse en sus constituyentes últimos, o elementos. Por ejemplo, se descubrió que la sal se componía de dos elementos diferentes, el sodio y el cloro, ligados en una unión íntima conocida como compuesto químico. El aire, en cambio, resultó ser una mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno.

Algunos modelos atómicos.

El Modelo de DALTON (1808):

John Dalton (1766-1844) fue un químico y físico británico que creó una importante teoría atómica de la materia basada en las leyes de la combinación química. Para Dalton los átomos eran esferas rígidas. Su teoría se puede resumir así:

  • Los elementos químicos están formados por partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos.
  • Todos los átomos de un elemento químico dado son idénticos en su masa y demás propiedades.
  • Los átomos de diferentes elementos químicos son distintos, en particular sus masas son diferentes.
  • Los átomos son indestructibles y retienen su identidad en los cambios químicos.
  • 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).

Dalton, equivocadamente, supuso que la molécula de agua contenía un átomo de oxígeno y otro de hidrógeno. A mediados del siglo XIX, unos años después de que Dalton enunciara se teoría, se desencadenó una serie de acontecimientos que fueron introduciendo modificaciones al modelo atómico inicial.

Fig. 1. Representación del modelo de Dalton.

 El Modelo de THOMSON (1898):

Sir Joseph John Thomson (1856 -1940), fue un físico británico que descubrió la existencia del ELECTRÓN, partícula subatómica cargada negativamente. Según el modelo de Thomson, conocido como "modelo del pastel de pasas", el átomo consistía en una esfera uniforme de materia cargada positivamente en la que se hallaban incrustados los electrones de un modo parecido a como lo están las semillas en una sandía (patilla). Este sencillo modelo explicaba el hecho de que la materia fuese eléctricamente neutra, pues en los átomos de Thomson la carga positiva era neutralizada por la negativa.

Para explicar la formación de iones, positivos y negativos, y la presencia de los electrones dentro de la estructura atómica, Thomson ideó un átomo parecido a un pastel de frutas: una nube positiva que contenía las pequeñas partículas negativas (los electrones) suspendidos en ella. El número de cargas negativas era el adecuado para neutralizar la carga positiva. En el caso de que el átomo perdiera un electrón, la estructura quedaría positiva; y si ganaba, la carga final sería negativa. De esta forma, explicaba la formación de iones; pero dejó sin explicación la existencia de las otras radiaciones.

 Fig. 2. Representación del modelo de Thomson.

El Modelo de Rutherford (1911):

Sir Ernst Rutherford (1871 - 1937), famoso hombre de ciencia inglés que obtuvo el premio Nobel de Química en 1919, fue un físico neozelandés que identificó en 1898 dos tipos de las radiaciones emitidas por el Uranio, a las que llamó alfa y beta.

Rutherford realizó en 1911 una experiencia que supuso en paso adelante muy importante en el conocimiento del átomo, que consistió en bombardear con partículas alfa una finísima lámina de oro. Las partículas alfa atravesaban la lámina de oro y eran recogidas sobre una pantalla de sulfuro de cinc. La importancia del experimento estuvo en que mientras la mayoría de partículas atravesaban la lámina sin desviarse o siendo desviadas solamente en pequeños ángulos, unas cuantas partículas eran dispersadas a ángulos grandes hasta 180º. El hecho de que sólo unas pocas radiaciones sufriesen desviaciones hizo suponer que las cargas positivas que las desviaban estaban concentradas dentro de los átomos ocupando un espacio muy pequeño en comparación a todo el tamaño atómico; esta parte del átomo con electricidad positiva fue llamado NÚCLEO.

En el modelo de Rutherford, los electrones se movían alrededor del núcleo como los planetas alrededor del Sol. La carga eléctrica del núcleo y de los electrones se neutralizan entre sí, provocando que el átomo sea eléctricamente neutro. Los electrones no caían en el núcleo, ya que la fuerza de atracción electrostática era contrarrestada por la tendencia del electrón a continuar moviéndose en línea recta. Este modelo fue satisfactorio hasta que se observó que estaba en contradicción con una información ya conocida en aquel momento: de acuerdo con las leyes del electromagnetismo, un electrón o todo objeto eléctricamente cargado que es acelerado o cuya dirección lineal es modificada, emite o absorbe radiación electromagnética.

El modelo de Rutherford tuvo que ser abandonado, pues el movimiento de los electrones suponía una pérdida continua de energía, por lo tanto, el electrón terminaría describiendo órbitas en espiral, precipitándose finalmente hacia el núcleo. Sin embargo, este modelo sirvió de base para el modelo propuesto por su discípulo Niels Bohr, marcando el inicio del estudio del núcleo atómico, por lo que a Rutherford se le conoce como el padre de la Era Nuclear.

Fig. 3. Representación del modelo de Rutherford.

El Modelo de Bohr (1913):

El modelo atómico propuesto por Rutherford presenta dos inconvenientes insalvables. Según la Física clásica, toda partícula eléctrica separada de su posición de equilibrio vibra con frecuencia determinada, lo que origina la emisión de una onda electromagnética. Aceptando para el electrón las órbitas de las mecánicas clásicas, entonces debe emitir energía, lo que origina una disminución de velocidad y, por lo tanto de la fuerza centrífuga. En estas condiciones, el electrón giraría en orbitas cada vez más próximas al núcleo, terminando por caer dentro de el, al tiempo que emitiría una radiación de frecuencia continuamente variable, es decir, un espectro continuo. Para evitar estas y otras dificultades, el físico Danés Niels Bohr, premio Nobel de Física en 1922, introdujo en 1913 los tres postulados siguientes:

Primer Postulado: El producto del impulso o cantidad de movimiento (mv) del electrón por la longitud de la órbita que describe es un múltiplo del cuanto de energía (primer postulado).

Segundo Postulado: Mientras un electrón gira en una orbita fija no emite energía radiante.

Tercer Postulado: Un electrón puede saltar desde una orbita de energía a otra inferior de menor energía. En este salto el átomo emite una cantidad de energía radiante igual a la diferencia de energía de los estados inicial y final.

Propiedades del Átomo de Bohr. Atendiendo a las características estructurales del átomo, las propiedades de éste varían. Así, por ejemplo, los átomos de elementos que tienen el mismo número de electrones de valencia pero distintos números atómicos poseen características similares.

Los átomos están formados por un núcleo que posee una serie de partículas subatómicas. Alrededor del núcleo se hallan en diferentes órbitas los electrones. Las partículas subatómicas de las que se compone el núcleo son los protones y los neutrones. Los átomos son eléctricamente neutros. Luego, si contienen electrones, cargados negativamente, deben contener también otras partículas con carga positiva que corresponden a la carga de aquellos. Estas partículas estables con signo positivo se las llamó PROTONES. Su masa es igual a 1,67x10-27 kg.

Fig. 4. Representación del modelo de Bohr.

Descubrimiento del Neutrón. Con estas dos partículas, se intentó construir todos los átomos conocidos, pero no pudo ser así porque faltaba unas de las partículas elementales del núcleo que fue descubierto por James Chadwick en 1932 y que se llamó NEUTRÓN. Esta partícula era de carga nula y su masa es ligerísimamente superior a la del protón (1,6748x10-27kg). Situados en órbitas alrededor del núcleo se hallan los electrones, partículas estables de carga eléctrica negativa y con una masa igual a 9,1110-31kg. El modelo de Bohr explica el espectro del átomo de hidrógeno, pero no los de átomos mayores.

Modelo Atómico de SOMMERFELD (1916):

Arnold Sommerfeld (1868-1951), físico alemán, con la ayuda de la Teoría de la Relatividad de Einstein, modificó la teoría de Bohr para afirmar que los electrones podían girar en orbitas elípticas. Existe una cantidad determinada de energía asociada con cada electrón al girar una determinada órbita, y estas orbitas se conocen como niveles de energía: mientras más lejos esté la órbita del núcleo, mayor es la energía asociada al electrón. Estas capas a partir de la más cercana del núcleo han sido designadas con las letras K, L, M, N, O, P, Q.

Fig. 5. Representación del modelo de Sommerfeld.