Teorías sobre la estructura atómica

C OLEGIO P ARTICULAR
Lord Cochrane
GÓMEZ C ARREÑO – V IÑA DEL M AR
Fuente: http://fai.unne.edu.ar/atomo
Teorías sobre la estructura atómica
A modo de introducción, analicemos que se entiende por teorías y modelos.
Las teorías son explicaciones que interpretan y relacionan hechos por medio de amplias relaciones
lógicas y sirven para predecir nuevos descubrimientos. Las teorías derivan de las hipótesis propuestas como
explicaciones provisionales de una serie limitada de fenómenos.
El carácter provisional de las teorías nunca es totalmente eliminado, ya que deben ser verificadas por
los hechos, y al aumentar el caudal de los mismos, las teorías son modificadas para que correspondan a los
hechos.
Un ejemplo interesante, lo constituye la teoría atómica tal como fue formulada en su momento por
Dalton, la cual se comprobó experimentalmente. Si bien no resultó correcta en todos sus postulados, permitió
promover descubrimientos y otras teorías.
Se habla de modelo, cuando se hace referencia a un modo imaginario (y por tanto arbitrario) de
representar la realidad de un objeto o proceso, para poder realizar un estudio teórico por medio de las
teorías y leyes usuales. Así, un modelo es una imagen particular e incompleta de un sistema usualmente
complejo, ya que sólo algunas características del referente o sistema se encuentran presentes en el modelo.
Modelo Atómico de Joseph Thomson
Cuando Thomson propuso su modelo atómico se sabía que los átomos eran neutros. Ciertos
experimentos lograron determinar que los átomos estaban formados por partículas positivas y partículas
negativas.
Thomson sugirió un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia del electrón, descubierto por él en
1897, y puede describirse diciendo que:
"El átomo se encuentra formado por una esfera de carga
positiva en la cual se encuentran incrustadas las cargas
negativas (electrones) de forma similar a como se encuentran
las pasas de uva en un pastel. Además, como el átomo es
neutro la cantidad de cargas positivas es igual a la cantidad de
cargas negativas".
Su modelo era estático, pues suponía que los electrones estaban en reposo dentro del átomo y que el
conjunto era eléctricamente neutro. Con este modelo se podían explicar una gran cantidad de fenómenos
atómicos conocidos hasta esa fecha. Posteriormente, el descubrimiento de nuevas partículas y los
experimentos llevados a cabo por Rutherford demostraron la inexactitud de tales ideas.
Modelo Atómico de Ernest Rutherford
Para analizar cual era la estructura del átomo, Rutherford diseñó un experimento:
El experimento consistía en bombardear una fina lámina de oro con rayos alfa. Para observar el resultado de
dicho bombardeo, alrededor de la lámina de oro colocó una pantalla fluorescente.
Estudiando los impactos sobre la pantalla
fluorescente observó que:
La mayoría de los rayos alfa atravesaba la
lámina sin desviarse, porque igual que si
tratamos de tirar pequeños bollitos de papel
a través de una reja, la mayor parte del
espacio de un átomo es espacio vacío.
Algunos rayos se desviaban, porque pasan
muy cerca de centros con carga eléctrica del
mismo tipo que los rayos alfa (que poseen
carga positiva).
Muy
pocos
rebotan,
porque
chocan
frontalmente contra esos centros de carga
positiva.
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Lord Cochrane
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Basado en los resultados de su trabajo que demostró la existencia
del núcleo atómico, Rutherford sostiene que casi la totalidad de la
masa del átomo se concentra en un núcleo central muy diminuto de
carga eléctrica positiva. Los electrones giran alrededor del núcleo
describiendo órbitas circulares. Estos poseen una masa muy ínfima y
tienen carga eléctrica negativa. La carga eléctrica del núcleo y de los
electrones se neutraliza entre sí, provocando que el átomo sea
eléctricamente neutro.
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 Neils Bohr, marcando el inicio del estudio del núcleo atómico, por lo que a Rutherford se le
conoce como el padre de la era nuclear.
Modelo Atómico de Niels Böhr
El físico danés Niels Bohr (Premio Nobel de Física 1922), postuló que los electrones giran a grandes
velocidades alrededor del núcleo atómico. En ese caso, los electrones se disponen en diversas órbitas
circulares, las cuales determinan diferentes niveles de energía.
Para realizar su modelo atómico utilizó el átomo de hidrógeno. Describió el átomo
de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón.
En éste modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo;
ocupando la órbita de menor energía posible, o sea la órbita más cercana posible
al núcleo.
Cada órbita se corresponde con un nivel energético que recibe el nombre de número cuántico
principal, se representa con la letra "n" y toma valores desde 1 hasta 7.
De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba cada una de las
órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno, respecto del núcleo.
Representación de las órbitas
n
1
2
3
4
5
6
distancia
0,53 Å
2,12 Å
4,76 Å
8,46 Å
13,22 Å
19,05 Å
7
25,93 Å
Nota: Con Å se designa la unidad de longitud Angstrom (en el sistema SI) y equivale a 1.0x10-10 metros.
El electrón puede acceder a un nivel de energía superior pero para ello necesita "absorber" energía. Cuando
vuelve a su nivel de energía original, el electrón necesita emitir la energía absorbida (por ejemplo en forma
de radiación).
Modelo Atómico Mecánico – Cuántico
El modelo de Böhr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno. En los espectros realizados para otros
átomos se observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía. Algo andaba mal.
La conclusión fue que dentro de un mismo nivel energético existían
subniveles.
En 1916, Arnold Sommerfeld modifica el modelo atómico de Bohr, en el cual
los electrones sólo giraban en órbitas circulares, al decir que también podían
girar en órbitas elípticas.
Todavía Chadwick no había descubierto los neutrones, por eso en el núcleo
sólo se representan, en rojo, los protones.
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Este conocimiento dio lugar a un nuevo
número cuántico: "el número cuántico
azimutal", que determina la forma de los
orbitales, se lo representa con la letra " l "
y toma valores que van desde 0 hasta n-1.
Valor
0
1
2
3
Subnivel " l "
s
p
d
f
Nombre
sharp
principal
diffuse
fundamental
Se inicia con los estudios del físico francés Luis De Broglie, quién recibió el Premio
Nobel
de
Física
en
1929.
Según De Broglie, una partícula con cierta cantidad de
movimiento
se
comporta
como
una
onda.
En
tal
sentido,
el electrón tiene un
comportamiento dual de onda y corpúsculo, pues tiene masa y se mueve a velocidades elevadas.
Esta propuesta constituyó la base de la "MECÁNICA CUÁNTICA".
A consecuencia de este comportamiento dual de los electrones (como onda y como partícula), surgió
el principio enunciado por WERNER HEISENBERG, conocido también como "PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE",
que dice:
”Es imposible determinar simultáneamente y con exactitud, la posición y la velocidad del electrón"
Pero, ¿por qué? Si queremos observar la posición de un electrón deberíamos usar una luz que posee mucha
energía, con lo cual la velocidad del electrón cambiaría mucho.
En cambio, si la luz utilizada no posee la energía citada en el caso anterior, la velocidad del electrón no
cambaría mucho, y podría medirse, pero no podríamos observar la posición del electrón.
Para solucionar
este problema surge un nuevo concepto: ORBITALES ATÓMICOS
¿Cómo podemos describir la ubicación del electrón en el modelo atómico actual?
Si queremos observar la posición de un electrón deberíamos usar una luz que posee mucha energía, con
lo cual la velocidad del electrón cambiaría mucho.
En cambio, si la luz utilizada no posee la energía citada en el caso anterior, la velocidad del electrón no
cambaría mucho, y podría medirse, pero no podríamos observar la posición del electrón.
Para solucionar este problema y describir la ubicación del electrón en el átomo, debe proponerse otra
idea alternativa. Entonces surge un nuevo concepto: " El ORBITAL ATÓMICO”
ORBITAL ATÓMICO: es la región del espacio en
la cual existe mayor probabilidad de encontrar al
electrón (debido a su comportamiento como
onda, es difícil conocer en forma simultánea su
posición exacta y su velocidad), por lo tanto,
sólo existe la probabilidad de encontrarlo en
cierto momento y en una región dada en el
átomo.
Representación de un
orbital
donde
se
encuentra
al
electrón. En ellos existe un 9099%
de
probabilidad
de
encontrar al electrón.
En la
figura
se
representa
un
ORBITAL "s"