Historia de los modelos atómicos

Historia de los modelos atómicos
Átomo
MODELO ATÓMICO
Entre los múltiples usos del término modelo, se encuentra aquel que asocia el
concepto a una representación o un esquema. Atómico, por su parte, es lo que
está vinculado al átomo (la cantidad más pequeña de un elemento químico que es
indivisible y que tiene existencia propia). Un modelo atómico, por lo tanto, consiste
en representar, de manera gráfica, la materia en su dimensión atómica. El objetivo
de estos modelos es que el estudio de este nivel material resulte más sencillo
gracias a abstraer la lógica del átomo y trasladarla a un esquema.
HISTORIA
Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la
materia. Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito consideró
que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser
divididas en otras más pequeñas. Por ello, llamó a estas partículas átomos, que en
griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de
ser eternos, inmutables e indivisibles. Sin embargo las ideas de Demócrito sobre
la materia no fueron aceptadas por los filósofos de su época y hubieron de
transcurrir cerca de 2200 años para que la idea de los átomos fuera tomada de
nuevo en consideración.
MODELO DE DEMOCRITO
El ser humado siempre se cuestionó sobre la conformación de la materia, hasta
que aproximadamente en el año 400 años antes de Cristo, Demócrito el
reconocido filósofo griego, quién era discípulo de Leucipo (creador de la teoría
atómica de la materia, la cual dice que la materia se encuentra conformada por
partículas idénticas e indivisibles).
Entonces Demócrito al proponer su modelo atómico dice que la materia se
encuentra formada por diminutas partículas, las cuales no pueden ser divididas,
por tal motivo a estas partículas indivisibles las llamó átomos (palabra griega que
significa indivisible).
Las propuestas de Demócrito no fueron aceptadas por los filósofos de su época,
no fue sino hasta 2200 años luego que el concepto de Demócrito sobre los átomos
pudiera ser tomado en consideración.
Se dice que este filósofo, aparte de seguir los conceptos de Leucipo, también
estudió la materia en base a los conceptos del también filósofo griego Aristóteles,
aunque este último decía que la materia no se encontraba conformada por
partículas sino más bien que esta era continua.
MODELO DE DALTON
Ya a inicios del siglo XIX, el gran químico inglés, John Dalton, se basó en la
hipótesis de Demócrito y pudo así sentar las bases de la teoría atómica.
En resumen la teoría atómica de Demócrito sobre la materia, propone que
absolutamente todas las cosas se encuentran conformadas por partículas
pequeñísimas, invisibles, que no pueden ser divididas ni destruidas, estas
partículas se encuentran en movimiento a través de la eternidad en un espacio
infinito
y
vacío.
El modelo atómico de Dalton surgido en el contexto de la química, fue el primer
modelo atómico con bases científicas, formulado en 1808 por John Dalton.
El modelo permitió explicar por primera vez porque las sustancias químicas
reaccionaban en proporciones estequiometrias fijas (Ley de las proporciones
múltiples), y por qué cuando dos sustancias reaccionan para formar dos o más
compuestos diferentes, entonces las proporciones de estas relaciones son
números enteros. Por ejemplo 14 g de carbono (C), pueden reaccionar con 16 g
de oxígeno (O2) para formar monóxido de carbono (CO) o pueden reaccionar con
32 g de oxígeno para formar dióxido de carbono (CO2).
Postulados de Dalton.
Dalton explicó su teoría formulando una serie de enunciados simples:
1. La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que
son indivisibles y no se pueden destruir.
2. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen su propio peso y
cualidades propias. Los átomos de los diferentes elementos tienen pesos
diferentes.
3. Los átomos permanecen sin división, aun cuando se combinen en las
reacciones químicas.
4. Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones
simples.
5. Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones
distintas y formar más de un compuesto.
6. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos
distintos.
La materia está formada por partículas pequeñísimas llamadas “átomos”. Estos
átomos no se pueden dividir ni romper, no se crean ni se destruyen en ninguna
reacción química, y nunca cambian. Los átomos de un mismo elemento son
iguales entre sí, tienen la misma masa y dimensiones; por ejemplo, todos los
átomos de hidrógeno son iguales. Por otro lado, los átomos de elementos
diferentes, son diferentes; por ejemplo, los átomos de oxígeno son diferentes a los
átomos de hidrógeno. Los átomos pueden combinarse para formar compuestos
químicos. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno y oxígeno pueden combinarse y
formar moléculas de agua. Los átomos, al combinarse para formar compuestos
guardan relaciones simples. Los átomos de elementos diferentes se pueden
combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto. Por ejemplo,
un átomo de carbono con uno de oxígeno forma monóxido de carbono (CO),
mientras que dos átomos de oxígeno con uno de carbono, forman dióxido de
carbono (CO2)
MODELO DE THOMPSON
El modelo atómico de Thomson, es una teoría sobre la estructura atómica
propuesta en 1904 por Joseph John Thomson, quien descubrió el electrón en
1897, mucho antes del descubrimiento del protón y del neutrón. En dicho modelo,
el átomo está compuesto por electrones de carga negativa en un átomo positivo,
como un pudín de pasas. Se pensaba que los electrones se distribuían
uniformemente alrededor del átomo. En otras ocasiones, en lugar de una nube de
carga negativa se postulaba con una nube de carga positiva. El nuevo modelo
atómico usó la amplia evidencia obtenida del estudio de los rayos catódicos a lo
largo de la segunda mitad del siglo XIX. Si bien el modelo atómico de Dalton daba
debida cuenta de la formación de los procesos químicos, postulando átomos
indivisibles, la evidencia adicional suministrada por los rayos catódicos sugería
que esos átomos contenían partículas eléctricas de carga negativa. El modelo de
Dalton ignoraba la estructura interna, pero el modelo de Thomson aunaba las
virtudes del modelo de Dalton y simultáneamente podía explicar los hechos de los
rayos catódicos.
MODELO DE RUTHERFORD
El modelo atómico de Rutherford es un modelo atómico o teoría sobre la
estructura interna del átomo propuesto por el químico y físico británico-
neozelandés Ernest Rutherford para explicar los resultados de su "experimento de
la lámina de oro", realizado en 1911. El modelo de Rutherford fue el primer modelo
atómico que consideró al átomo formado por dos partes: la "corteza", constituida
por todos sus electrones, girando a gran velocidad alrededor de un "núcleo", muy
pequeño, que concentra toda la carga eléctrica positiva y casi toda la masa del
átomo. Rutherford Llegó a la conclusión de que la masa del átomo se concentraba
en una región pequeña de cargas positivas que impedían el paso de las partículas
alfa. Sugirió un nuevo modelo en el cual el átomo poseía un núcleo o centro en el
cual se concentra la masa y la carga positiva, y que en la zona extra nuclear se
encuentran los electrones de carga negativa. Rutherford pensó que esta fracción
de partículas rebotadas en dirección opuesta podía ser explicada si se suponía la
existencia de fuertes concentraciones de carga positiva en el átomo. La mecánica
newtoniana en conjunción con la ley de Coulomb predice que el ángulo de de
flexión de una partícula alfa relativamente liviana por parte de un átomo de oro
más pesado, depende del "parámetro de impacto" o distancia entre la trayectoria
de la partícula y el núcleo:
MODELO DE BOHR
El modelo atómico de Bohr o de Bohr-Rutherford es un modelo clásico del átomo,
pero fue el primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización a partir
de ciertos postulados (ver abajo). Fue propuesto en 1913 por el físico danés Niels
Bohr, para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor
del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos
(dos problemas que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford). Además el
modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico, explicado por
Albert Einstein en 1905. Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para hacer el
modelo que lleva su nombre. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz de
explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción
discretos que se observan en los gases. Describió el átomo de hidrógeno con un
protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo atómico de
Bohr partía conceptualmente del modelo atómico de Rutherford y de las
incipientes ideas sobre cuantización que habían surgido unos años antes con las
investigaciones de Max Planck y Albert Einstein. Debido a su simplicidad el
modelo de Bohr es todavía utilizado frecuentemente como una simplificación de la
estructura de la materia.
En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo,
ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana posible al
núcleo. El electromagnetismo clásico predecía que una partícula cargada
moviéndose de forma circular emitiría energía por lo que los electrones deberían
colapsar sobre el núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este
problema Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas
específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada
órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma
valores desde 1 en adelante. Este número "n" recibe el nombre de Número
Cuántico Principal.
Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado
y sólo podía variar en fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al
número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba del núcleo
cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno.
Estos niveles en un principio estaban clasificados por letras que empezaban en la
"K" y terminaban en la "Q". Posteriormente los niveles electrónicos se ordenaron
por números. Cada órbita tiene electrones con distintos niveles de energía
obtenida que después se tiene que liberar y por esa razón el electrón va saltando
de una órbita a otra hasta llegar a una que tenga el espacio y nivel adecuado,
dependiendo de la energía que posea, para liberarse sin problema y de nuevo
volver a su órbita de origen.
Sin embargo no explicaba el espectro de estructura fina que podría ser explicado
algunos años más tarde gracias al modelo atómico de Sommerfeld.
Históricamente el desarrollo del modelo atómico de Bohr junto con la dualidad
onda-corpúsculo permitiría a Erwin Schrödinger descubrir la ecuación fundamental
de la mecánica cuántica.
MODELO DE SOMMERFELD
El Modelo atómico de Sommerfeld es un modelo atómico hecho por el físico
alemán Arnold Sommerfeld (1868-1951) que básicamente es una generalización
relativista del modelo atómico de Bohr (1913). Insuficiencias del modelo de Bohr El
modelo atómico de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno, sin
embargo, en los espectros realizados para átomos de otros elementos se
observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía,
mostrando que existía un error en el modelo. Su conclusión fue que dentro de un
mismo nivel energético existían subniveles, es decir, energías ligeramente
diferentes. Además desde el punto de vista teórico, Sommerfeld había encontrado
que en ciertos átomos las velocidades de los electrones alcanzaban una fracción
apreciable de la velocidad de la luz. Sommerfeld estudió la cuestión para
electrones relativistas.
Características del modelo
Órbitas elípticas en el modelo de Sommerfeld.
En 1916, Sommerfeld perfeccionó el modelo atómico de Bohr intentando paliar los
dos principales defectos de éste. Para eso introdujo dos modificaciones básicas:
Órbitas casi-elípticas para los electrones y velocidades relativistas. En el modelo
de Bohr los electrones sólo giraban en órbitas circulares. La excentricidad de la
órbita 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. Las órbitas con:
l = 0 se denominarían posteriormente orbitales s o Sharp
l = 1 se denominarían p o principal.
l = 2 se denominarían d o diffuse.
l = 3 se denominarían f o fundamental.
Para hacer coincidir las frecuencias calculadas con las experimentales,
Sommerfeld postuló que el núcleo del átomo no permanece inmóvil, sino que tanto
el núcleo como el electrón se mueven alrededor del centro de masas del sistema,
que estará situado muy próximo al núcleo al tener este una masa varios miles de
veces superior a la masa del electrón.
Para explicar el desdoblamiento de las líneas espectrales, observando al emplear
espectroscopios de mejor calidad, Sommerfeld supone que las órbitas del electrón
pueden ser circulares y elípticas. Introduce el número cuántico secundario o
azimutal, en la actualidad llamado l, que tiene los valores 0, 1, 2,…(n-1), e indica el
momento angular del electrón en la órbita en unidades de , determinando los
subniveles de energía en cada nivel cuántico y la excentricidad de la órbita.
Resumen
En 1916, Arnold Sommerfeld, con la ayuda de la relatividad de Albert Einstein,
hizo las siguientes modificaciones al modelo de Bohr:
Los electrones se mueven alrededor del núcleo, en órbitas circulares o elípticas.
A partir del segundo nivel energético existen dos o más subniveles en el mismo
nivel.
El electrón es una corriente eléctrica minúscula.
En consecuencia el modelo atómico de Sommerfeld es una generalización del
modelo atómico de Bohr desde el punto de vista relativista, aunque no pudo
demostrar las formas de emisión de las órbitas elípticas, solo descartó su forma
circular.
MODELO DE SCHRÖDINGER
El modelo atómico de Schrödinger (1924) es un modelo cuántico no relativista. Se
basa en la solución de la ecuación de Schrödinger para un potencial electrostático
con simetría esférica, llamado también átomo hidrogenoide. En este modelo los
electrones se contemplaban originalmente como una onda estacionaria de materia
cuya amplitud decaía rápidamente al sobrepasar el radio atómico.
El modelo de Bohr 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 energías ligeramente diferentes. Esto no tenía explicación
en el modelo de Bohr, y sugería que se necesitaba alguna corrección. La
propuesta fue que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles. La
forma concreta en que surgieron de manera natural estos subniveles, fue
incorporando órbitas elípticas y correcciones relativistas. Así, en 1916, Arnold
Sommerfeld modificó el modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones sólo
giraban en órbitas circulares, al decir que también podían girar en órbitas elípticas
más complejas y calculó los efectos relativistas. El modelo atómico de Schrödinger
concebía originalmente los electrones como ondas de materia. Así la ecuación se
interpretaba como la ecuación ondulatoria que describía la evolución en el tiempo
y el espacio de dicha onda material. Más tarde Max Born propuso una
interpretación probabilística de la función de onda de los electrones. Esa nueva
interpretación es compatible con los electrones concebidos como partículas
cuasipuntuales cuya probabilidad de presencia en una determinada región viene
dada por la integral del cuadrado de la función de onda en una región. Es decir, en
la interpretación posterior del modelo, éste era modelo probabilista que permitía
hacer predicciones empíricas, pero en el que la posición y la cantidad de
movimiento no pueden conocerse simultáneamente, por el principio de
incertidumbre. Así mismo el resultado de ciertas mediciones no está determinado
por el modelo, sino sólo el conjunto de resultados posibles y su distribución de
probabilidad. El modelo atómico de Schrödinger predice adecuadamente las líneas
de emisión espectrales, tanto de átomos neutros como de átomos ionizados. El
modelo también predice adecuadamente la modificación de los niveles energéticos
cuando existe un campo magnético o eléctrico (efecto Reman y efecto Stark
respectivamente). Además, con ciertas modificaciones semiheurísticas el modelo
explica el enlace químico y la estabilidad de las moléculas. Cuando se necesita
una alta precisión en los niveles energéticos puede emplearse un modelo similar al
de Schrödinger, pero donde el electrón es descrito mediante la ecuación relativista
de Dirac en lugar de mediante la ecuación de Schrödinger. El átomo reside en su
propio eje. Sin embargo, el nombre de "modelo atómico" de Schrödinger puede
llevar a una confusión ya que no explica la estructura completa del átomo. El
modelo de Schrödinger explica sólo la estructura electrónica del átomo y su
interacción con la estructura electrónica de otros átomos, pero no explica como es
el
núcleo
atómico
ni
su
estabilidad.
MODELO DE DIRAC-JORDAN
En 1928 el físico ingles Dirac (1902-1984) y el físico-matemático alemán Jordán
(1902-1980) propusieron desde un punto de vista matemático y considerando la
teoría de la relatividad de A. Einstein, una ecuación que incluye una nueva
propiedad de las partículas, el spin (s) propiedad estrictamente cuántica que
complementa la descripción fundamental de magnetismo. Esta ecuación establece
con mayor exactitud la localización de los electrones. Dirac logro una descripción
cuanti-relativista del electrón, prediciendo la existencia de la antimateria. En las
ecuaciones de Dirac y Jordán aparece el cuarto parámetro con característica
cuántica, denominado s, además de los ya conocidos n, l, y m.
Tomado:
http://adarfi.blogspot.com/2012/10/atomo.html