Teoría atómica División de Ciencias de la Ingeniería Escuela de vacaciones Diciembre 2019 Inga. María Eugenia Díaz La teoría atómica es una teoría científica de la naturaleza de la materia, que afirma que la materia está compuesta de unidades llamadas átomos. • Aparentemente, a principios del siglo XX, a través de varios experimentos con electromagnetismo y radioactividad, los físicos descubrieron que el llamado “átomo indivisible" es en realidad un conglomerado de diferentes partículas subatómicas (principalmente electrones, protones y neutrones). • Estas partículas pueden existir por separado. De hecho, en ambientes extremos como las estrellas de neutrones, la temperatura y la presión extremas dificultan completamente la existencia de los átomos. • Dado que se ha demostrado que los átomos son divisibles, los físicos inventaron posteriormente el término "partículas elementales" para describir las partes "indivisibles", aunque no indestructibles, de un átomo. Atomismo filosófico • La idea de que la materia está formada por unidades discretas es muy antigua y ocurre en muchas culturas antiguas, como Grecia y la India. Sin embargo, estas ideas se basaron en el razonamiento filosófico y teológico, en lugar de en la evidencia y la experimentación. John Dalton • Dalton propuso que cada elemento químico está compuesto de átomos de un solo tipo, y aunque no pueden ser modificados o destruidos por medios químicos, pueden combinarse para formar estructuras más complejas (compuestos químicos). Esto marcó la primera teoría verdaderamente científica del átomo, porque Dalton llegó a sus conclusiones al experimentar y analizar los resultados de una manera empírica. • Dalton estimó las masas atómicas de acuerdo con las relaciones en las que las masas se combinan con el átomo de hidrógeno tomado como una unidad. Sin embargo, Dalton no concibió que, en algunos elementos, hay más átomos similares en las moléculas; por ejemplo, el oxígeno puro existe como O2. También, él cree erróneamente que el compuesto más simple entre dos elementos es siempre uno de cada átomo (por lo tanto, se pensó que el agua HO, no H 2 O). Avogadro • El defecto de la teoría de Dalton fue corregido en principio en 1811 por Amedeo Avogadro. • Avogadro propuso que volúmenes iguales de gases, a temperatura y presión iguales, contienen el mismo número de moléculas (es decir, la masa de partículas de gas no afecta el volumen que ocupa). Movimiento Browniano • En 1827, el botánico inglés Robert Brown notó que las partículas de polvo dentro de los gránulos de polen que flotaban en el agua se agitaban constantemente sin ninguna razón aparente. • En 1905, Albert Einstein teorizó que este movimiento browniano fue causado por constantes choques de perlas de moléculas de agua, y desarrolló un hipotético modelo matemático para describir el fenómeno. • Este modelo fue validado experimentalmente en 1908 por el físico francés Jean Perrin, proporcionando así una validación adicional de la teoría de partículas (y, por extensión, teoría atómica). El descubrimiento de las partículas subatómicas • Se pensaba que los átomos eran la división de materia más pequeña posible hasta 1897, cuando JJ Thomson descubrió el electrón trabajando con rayos catódicos. • Un tubo de Crookes es un recipiente de vidrio sellado en el que dos electrodos se separan del vacío. Cuando se aplica una diferencia de potencial a los electrodos, se generan rayos catódicos, creando un área brillante donde golpean el vidrio en el extremo opuesto del tubo. • Experimentalmente, Thomson descubrió que los rayos podían desviarse de un campo eléctrico (además de los campos magnéticos, que ya se conocen). Llegó a la conclusión de que estos rayos, en lugar de ser una forma de luz, en realidad están compuestos de partículas muy poco cargadas, que él llamó "corpúsculos" (que luego serían llamados “electrones” por otros científicos). • Thomson ha sugerido que los átomos son en realidad divisibles, y que los corpúsculos son sus elementos constituyentes. • Para explicar que el átomo es un todo eléctricamente neutro, ha adelantado la hipótesis de que los corpúsculos están distribuidos en un gran uniforme de cargas positivas; este fue el modelo de pudín de ciruela, en el que los electrones se incrustaron en ciruelas cargadas positivamente en un pudín de ciruela (aunque en el modelo de Thomson no estaban estacionarios). Descubrimiento del núcleo • El modelo de Thomson fue infringido en 1909 por uno de sus antiguos alumnos, Ernest Rutherford, quien descubrió que la mayoría de la masa y la carga positiva del átomo se concentran en una fracción muy pequeña de su volumen en un área que asumió que está en el centro. • Esto llevó a Rutherford a proponer un modelo planetario en el que una nube de electrones rodea un núcleo pequeño y compacto de carga positiva. • Solo tal concentración de carga podría producir campos eléctricos lo suficientemente fuertes como para causar grandes desviaciones. Los primeros pasos hacia un modelo cuántico del átomo • El modelo planetario atómico tenía dos deficiencias significativas. La primera fue que, a diferencia de los planetas que orbitan alrededor de un sol, los electrones son partículas cargadas. • La teoría cuántica revolucionó la física a principios del siglo XX, cuando Max Planck y Albert Einstein postuló que la energía luminosa se emite o se absorbe en cantidades discretas conocidas como los cuantos. • En 1913, Niels Bohr incorporó esta idea en modelo de Bohr átomo, los electrones sólo pueden giran alrededor del núcleo en cierta órbita circular con el momento angular y la energía distancia fija desde el núcleo (es decir, alcance) es proporcional a la energía. • En este modelo, un electrón no puede entrar en el núcleo, porque no podía perder energía en una forma continua; en su lugar, sólo podía dar “saltos cuánticos" instantáneos entre niveles de energía fijos. • Cuando esto ocurre, la luz se emite o absorbe a una frecuencia proporcional a la diferencia de energía (de donde la absorción y la emisión de luz en espectros discretos). • El modelo de Bohr no era perfecto. Solo podía predecir las líneas espectrales del hidrógeno; no podía predecir los de los átomos con más electrones. Peor aún, a medida que la tecnología espectrográfica evolucionó, se observaron líneas espectrales adicionales de hidrógeno, líneas que el modelo de Bohr no pudo explicar. • En 1916, Arnold Sommerfeld agregó órbitas elípticas a Bohr para explicar las líneas de emisión adicionales, pero esto hizo que el modelo fuera muy difícil de usar sin poder explicar los átomos más complejos. El descubrimiento de los isótopos • Al experimentar con productos de desintegración radiactiva, en 1913, el radioquímico Frederick Soddy descubrió que parecían ser más de un elemento por posición en la tabla periódica. Descubrimiento de partículas nucleares • El experimento consistió en bombardear con un haz de partículas alfa una fina lámina de oro y observar cómo las láminas de diferentes metales afectaban a la trayectoria de dichos rayos • Rutherford concluyó que el hecho de que la mayoría de las partículas atravesaran la hoja metálica, indica que gran parte del átomo está vacío, que la desviación de las partículas alfa indica que el deflector y las partículas poseen carga positiva, pues la desviación siempre es dispersa. • Y el rebote de las partículas alfa indica un encuentro directo con una zona fuertemente positiva del átomo y a la vez muy densa. Descubrimiento de los protones • El modelo atómico de Rutherford mantenía el planteamiento de Thomson, de que los átomos poseen electrones, pero su explicación sostenía que todo átomo estaba formado por un núcleo y una corteza. • El núcleo debía tener carga positiva, un radio muy pequeño y en él se concentraba casi toda la masa del átomo. La corteza estaría formada por una nube de electrones que orbitan alrededor del núcleo. Descubrimiento de los neutrones • Varios experimentos realizados por Rutherford han demostrado que las masas nucleares de la mayoría de los átomos superan la de los protones que poseen; especuló que este excedente de masa se compone de algunas partículas desconocidas, eléctricamente neutras, que provisionalmente llamó “neutrones”. Modelo cuántico del átomo • En 1924, Louis de Broglie avanzó la hipótesis de que todas las partículas en movimiento, especialmente las partículas subatómicas, como los electrones, exhiben alguna forma de onda. • Erwin Schrödinger, fascinado por esta idea, exploró si el movimiento de un electrón en un átomo podría explicarse mejor como una onda que como una partícula. • La ecuación de Schrödinger, publicada en 1926, describe un electrón como una onda en lugar de una partícula puntual. Este enfoque ha predicho con elegancia muchos de los fenómenos espectrales que el modelo de Bohr no pudo explicar. • Aunque este concepto era matemáticamente conveniente, era difícil de visualizar y enfrentaba oposición. • Uno de sus críticos, Max Born, en cambio sugirió que la función de onda de Schrödinger no describe el electrón, sino todos sus estados posibles, y por lo tanto podría usarse para calcular la probabilidad de encontrar un electrón en cualquier lugar alrededor del núcleo. • Esta interpretación reconcilió las dos teorías opuestas de la naturaleza de las partículas y las ondas, e introdujo la idea de dualidad onda-partícula. • Esta teoría afirma que el electrón puede exhibir tanto propiedades de longitud de onda como de partícula. Por ejemplo, puede refractarse como una onda, y tiene masa como una partícula. • Una consecuencia de la descripción de los electrones como una onda es la imposibilidad matemática de calcular simultáneamente la posición y el impulso de un electrón. • Esto se conoció como el principio de incertidumbre de Heisenberg después del físico Werner Heisenberg, quien lo describió y publicó por primera vez en 1927. Invalidó el modelo de Bohr con sus órbitas circulares claras y claramente definidas. • El modelo moderno del átomo describe las posiciones de los electrones en un átomo en términos de probabilidades. • Se puede encontrar un electrón a cualquier distancia del núcleo, pero, dependiendo de su nivel de energía, ocurre con más frecuencia en algunas regiones alrededor del núcleo que en otras; este patrón de probabilidad se llama orbital atómico. • http://www.falstad.com/qmatom/
