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El Átomo y los Modelos atómicos1. El átomo a través de la historia

1. a Las primeras teorías atomistas ¿Qué ocurriría si dividiéramos un trozo de materia muchas veces? ¿Llegaríamos

hasta una parte indivisible o podríamos seguir dividiendo sin parar?

Los filósofos de la antigua Grecia discutieron bastante sobre este tema. El problema

es que estos filósofos no utilizaban ni la medición ni la experimentación para llegar

a conclusiones, por tanto, no seguían las fases del método científico.

De esta forma, se establecieron dos teorías:

Atomista y continuista, que se basaban en la existencia de partes indivisibles o en que siempre se podía seguir dividiendo.En el siglo V a.C., Leucipo pensaba que sólo había un tipo de materia. Sostenía, además, que si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas, acabaríamos encontrando una porción que no se podría seguir dividiendo. Un discípulo suyo, Demócrito, bautizó a estas partes indivisibles de materia con el nombre de átomos, término que en griego significa “que no se puede dividir”.Los atomistas pensaban que:- Todo está hecho de átomos. Si dividimos una sustancia muchas veces, llegaremos a ellos.- Las propiedades de la materia varían según como se agrupen los átomos.- Los átomos no pueden verse porque son muy pequeños.

Leucipo (450 a. C. - 370 a. C.). Nacido en Abdera, de su vida se conoce muy poco.Fue maestro de Demócrito de Abdera y a ellos dos se les atribuye la fundación del atomismo, según el cual la realidad está formada tanto por partículas infinitas, indivisibles, de formas variadas y siempre en movimiento, los átomos, como por el vacío.Leucipo fue el primero que pensó en dividir la materia hasta obtener una partícula tan pequeña que no pudiera dividirse más.

Aristóteles (384 a. C. - 322 a. C.). Rechazó la teoría atomista y estableció que la materia estaba formada por cuatro elementos:Tierra, agua, aire y fuego, esta teoría se llamó continuista. Gracias al prestigio que tenía, se mantuvo vigente en el pensamiento de la humanidad durante más de 2000 años.Los continuistas pensaban que:- Los átomos no existen. No hay límite para dividir la materia.- Si las partículas, llamadas átomos, no pueden verse, entonces es que no existen.- Todas las sustancias están formadas por las combinaciones de los 4 elementos básicos: agua, aire, tierra y fuego.

Demócrito (460 a. C. - 370 a.C.). Filósofo griego.Junto con su maestro, Leucipo, Demócrito es considerado fundador de la escuela atomista.

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Demócrito pensaba y postulaba que los átomos son indivisibles, y se distinguen por forma, tamaño, orden y posición.Para Demócrito, los átomos estuvieron y estarán siempre en movimiento y son eternos. El movimiento de los átomos en el vacío es un rasgo inherente a ellos, un hecho ligado a su existencia, infinito, eterno e indestructible.

1. b Teoría atómica de DaltonEntre 1803 y 1807 Jhon Dalton utilizó las leyes fundamentales de las combinaciones químicas, que se conocían hasta el momento, para publicar una teoría atómica congruente. Son los siguientes:

LEYES PONDERALES (1789)Ley de Lavoisier de la conservación de la masa.En una reacción química, la materia no se crea ni se destruye, tan sólo se transforma.

LEY DE PROUST DE LAS PROPORCIONES DEFINIDAS (1799)Afirma que:Cuando dos elementos se combinan para formar un compuesto, lo hacen siempre en proporciones de peso fijas y definidas.

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En 1808, John Dalton publicó su teoría atómica, que retomaba las antiguas ideas de Leucipo y Demócrito pero basándose en una serie de experiencias científicas de laboratorio.

La teoría atómica de Dalton se basa en los siguientes enunciados:

1.- La materia está formada por minúsculas partículas indivisibles llamadas ÁTOMOS.

2.- Los átomos de un mismo elemento químico son todos iguales entre sí y diferentes a los átomos de los demás elementos.Todos los átomos del elemento Hidrógeno son iguales entre sí en todas las propiedades: masa, forma, tamaño, etc., y diferentes a los átomos de los demás elementos.

Todos los átomos del elemento Oxígeno son iguales entre sí en todas las propiedades: masa, forma, tamaño, etc., y diferentes a los átomos de los demás elementos.

3.- Los compuestos se forman al unirse los átomos de dos o más

elementos en proporciones constantes y sencillas.

Todas las moléculas del compuesto Agua son iguales entre sí y están formadas por la unión de 2 átomos del elemento Hidrógeno y 1 átomo del elemento Oxígeno.

Todas las moléculas del compuesto Agua oxigenada son iguales entre sí y están formadas por la unión de 2 átomos del elemento Hidrógeno y 2 átomos del elemento Oxígeno.

4.- En las reacciones químicas los átomos se intercambian; pero,

ninguno de ellos desaparece ni se transforma.En esta reacción química los átomos de Hidrógeno y los átomos de Oxígeno son iguales al principio y al final. Sólo cambia la forma en que se unen entre sí. El Hidrógeno y el Oxígeno serían los reactivos y el AguaSería el producto que se obtiene.

1. c Modelo atómico de Joseph Jhon ThomsonA comienzos del siglo XIX se presentaba la siguiente situación:- Dalton había demostrado que la materia estaba formada por átomos.- Existían experiencias de fenómenos eléctricos que demostraban que la materia podía ganar o perder cargas eléctricas.

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Por tanto, esas cargas eléctricas debían de estar de alguna forma en el interior de los átomos. Si esto era cierto, la teoría de Dalton era errónea, ya que decía que los átomos eran indivisibles e inalterables.Debido a que no podían verse los átomos, se realizaron experimentos con tubos de descarga o tubos de rayos catódicos y así, de esta manera, se observaron algunos hechos que permitieron descubrir las partículas subatómicas del interior del átomo.Los tubos de rayos catódicos eran tubos de vidrio que contenían un gas a muy baja presión y un polo positivo (ánodo) y otro negativo (cátodo) por donde se hacía pasar una corriente eléctrica con un elevado voltaje.

El descubrimiento del electrón y los rayos catódicosEs la primera partícula subatómica que se dete

J. J. Thomson trabajando con los tubos de Croques

Calculó la relación entre la carga eléctrica y la masa de un electrón

“una corriente de algo electrificado emergiendo del cátodo”

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El físico J. J. Thomson realizó experiencias en tubos de descarga de gases. Observó:

El ánodo y el cátodo se hallan conectados a una fuente de alto voltaje (más de 10000 volts). En el tubo de vidrio se encuentra un gas a baja presión (aprox. 0,001 mm de Hg).

Con este experimento Thomson averiguó cómo se desplazaban los rayos. Pudo observar que los mismos se desplazaban en línea recta y producían un destello al llegar a una pantalla formada por una sustancia fluorescente.Interponiendo un objeto metálico opaco, como se muestra en la figura, en el camino de los rayos observó que se formaba una sombra en la pared opuesta al cátodo. Los rayos parten del cátodo. Por eso se les llama RAYOS CATÓDICOS.

Con este experimento Thomson averiguó si los rayos tenían masa. En el camino de los rayos interpuso una pequeña rueda. Observó que la rueda giraba como consecuencia del paso de los rayos. Por lo tanto los rayos poseían masa.

Con este experimento Thomson averiguó qué carga tenían los rayos. Utilizando un campo eléctrico o un campo magnético, comprobó que los rayos se desviaban alejándose del polo negativo del campo y se acercaban al polo positivo. Este comportamiento indicaba que los rayos eran partículas negativas.

Al ser tan pequeña la masa de los electrones, el físico J. J. Thomson propuso, en 1904, que la mayor parte de la masa del átomo correspondería a la carga positiva, que ocuparía la mayor parte del volumen atómico. Thomson imaginó el átomo como una especie de esfera positiva continua en la que se encuentran incrustados los electrones, más o menos como las uvas pasas en un pudin.

El modelo de Thomson fue bastante valorado ya que era capaz de explicar los siguientes fenómenos:La electrización: el exceso o defecto de electrones que tenga un cuerpo es el responsable de su carga negativa o positiva.La formación de iones: Un ion es un átomo que ha ganado o perdido uno o más electrones. Los electrones se pierden o se ganan con relativa facilidad, de manera que su número dentro del átomo puede variar, mientras que el número de protones es fijo siempre para cada átomo.Si un átomo pierde uno ó más electrones adquieren carga neta positiva (catión) y si gana uno ó más electrones adquiere carga neta negativa (anión).

Este modelo del “pudin de pasas” de Thomson era bastante razonable y fue

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aceptado durante varios años, ya que explicaba varios fenómenos, por ejemplo los rayos catódicos y los canales.

Los Rayos x y RadiactividadWilhelm Roentgen (1845-1923) físico alemán (primer premio Nobel en 1901). Descubrió rayos X en 1895 que revoluciono toda la vida deHumanidad.

El científico descubrió que el tubo emite haz de rayos de naturaleza indefinida (por eso los llamó “los rayos X”) que poseen la capacidad de penetrar muchas sustancias y dejar su imagen en pantallas luminiscentes o películas fotográficas.Enseguida se descubrió que los rayos X no son nada más que las ondas electromagnéticas de muy baja longitud de onda.Ocupa su lugar en el espectro electromagnético.

Los rayos X producían radiaciones muy penetrantes capaces de velar placas fotográficas cubiertas y de producir fluorescencia en algunos materiales, aun cuando ante éstos se interponían obstáculos delgados, como hojas de papel.

Henry Becquerel en el año 1896 descubrió accidentalmente una nueva propiedad de la materia que posteriormente se denominó radiactividad. 

Al colocar una cristales con sales de uranio sobre una placa fotográfica en una zona oscura, comprobó que dicha placa se velaba o sea se hachaba a perder. Las sales de uranio de los cristales emitían una radiación capaz de atravesar papeles negros y otras sustancias opacas a la luz ordinaria.Esas radiaciones eran producidas por cualquier sal de uranio, fosforescente o no, con luz o sin ella, por lo que concluyó que el fenómeno estaba directamente relacionado con la presencia de uranio en los compuestos. Becquerel había descubierto la radiactividad.

Poco tiempo después, también en París, la polaca Marie Sklodowska-Curie descubrió que el torio tenía propiedades similares a las del uranio y, junto con su marido, el francés Pierre Curie, descubrió el elemento radio que es millones de veces más activo que el uranio.La física polaca Marie Curie y su esposo, Pierre Curie, realizaron importantísimos trabajos sobre radiactividad basándose en los trabajos del francés Henri Becquerel. 

Marie Curie fue la primera que aplicó el término “radiactividad” a las sustancias con marcada actividad electromagnética.

Wilhelm Roentgen (1845-1923)

Henri Becquerel (1852 - 1908)

marie curie y pierre curie

Ernest Rutherford reveló que estas sustancias emitían tres tipos de radiación: y

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El modelo atómico de RutherfordEn 1906 la Universidad de Manchester ofreció a Rutherford un puesto de investigador y aceptó como ayudantes al joven alemán Hans Wilhelm Geiger (25 años).Geiger, a sugerencia de Rutherford, empezó de inmediato a estudiar la dispersión de rayos a por hojas delgadas de oro.Una muestra de radio se ponía en un contenedor con un pequeño orificio por el que escapaba un haz delgado de rayos alfa que se hacía incidir sobre una placa de sulfato de zinc, la cual tiene la propiedad de emitir luz cuando es alcanzada por un rayo alfa.

En 1911, Rutherford introduce el modelo planetario. Considera que el átomo se divide en:El átomo tiene una zona central o núcleo donde se encuentra la carga total positiva (la de los protones) y la mayor parte de la masa del átomo, aportada por los protones y neutrones. Además presenta una zona externa o corteza donde se hallan los electrones, que giran alrededor del núcleo. (Realmente, las partículas del núcleo (protones y neutrones) se descubrieron después de que Rutherford estableciera su modelo. El experimento de Rutherford sólo informaba de un núcleo pequeño y positivo, no aclaraba nada más).La carga positiva de los protones es compensada con la carga negativa de los electrones, que se hallan fuera del núcleo. El núcleo contiene, por tanto, protones en un número igual al de electrones de la corteza.El átomo estaba formado por un espacio fundamentalmente vacío, ocupado por electrones que giran a gran velocidad alrededor de un núcleo central muy denso y pequeño.

En el modelo atómico de Rutherford los electrones no pueden estar inmóviles los electrones deben estar en movimiento alrededor del núcleo en órbitas dinámicas estables, parecidas a las que forman los planetas alrededor del sol.

Ernest Rutherford( 1871 –1937)

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Inicios de la teoría cuánticaOndas Electromagnéticas

La radiación electromagnética es un tipo

de campo electromagnético variable, es

decir, una combinación de campos

eléctricos y magnéticos oscilantes, que se

propagan a través del espacio

transportando energía de un lugar a

otro. Desde el punto de vista clásico la

radiación electromagnética son las ondas

electromagnéticas generadas por las fuentes del campo electromagnético y que se

propagan a la velocidad de la luz. La generación y la propagación de estas ondas

obedecen a las ecuaciones de Maxwell.

La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como calor

radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma. A diferencia de otros tipos de onda, como

el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética

se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia

indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las

ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se

denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo.

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Teoría cuántica de Max PlankLa radiación del Cuerpo NegroHacia fines del siglo XIX era claro que la absorción y emisión de luz por los cuerpos se debía a la interacción de la radiación electromagnética con los electrones del medio, al hacerlos vibrar.

La intensidad de la radiación de emisión del cuerpo negro puede ser medida como función de la frecuencia, o sea se obtiene el espectro del cuerpo negro.

Distribución de PlankCurva que representa la variación de la potencia de la radiación en función de la longitud de onda a cada temperatura para el cuerpo negro.

Los Cuantos de PlanckPero hasta ese momento no se sabía la relación entre la temperatura y la intensidad y longitud de onda.En 1900 Max Planck (1858-1947) resolvió el problema con una hipótesis audaz: Propuso que la energía sólo puede ser liberada (o absorbida) por los átomos en "paquetes" de cierto tamaño mínimo.h, llamada constante de Planck, vale de 6, 63 10-34 Joule-segundos (J-s)El electrón no puede tener una energía por debajo de la del modo fundamental, así que una vez allí no puede perder más y precipitarse al núcleo. Si, estando en este estado, de pronto llega un fotón, el electrón puede absorberlo aumentando su energía y pasando a un estado excitado, como un pájaro que salta de una rama de un árbol a otra más alta.

También como un pájaro baja saltando a una rama más baja, el electrón puede despedir un fotón y caer en un estado de menor energía. Estos brincos son siempre entre estados de energías fijas, y por tanto la luz emitida corresponde a frecuencias también bien definidas, y no son posibles saltos entre ramas intermedias.

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El Efecto FotoeléctricoLa luz, o mejor, la radiación electromagnética, provocan efectos sobre la materia.Uno en especial, llamado efecto fotoeléctrico, fue ya descubierto por Hertz en 1887, y descrito por Lenhard (1905) como que:"la luz de la región visible puede producir emisión de electrones (fotoelectrones) pero en la mayoría de los metales es necesaria luz ultravioleta”.

Las leyes del efecto fotoeléctrico se resumen en:

1º-.El número de fotoelectrones emitidos por segundo es proporcional a la intensidad de la radiación incidente.Los fotones con energía suficiente (frecuencia umbral), consiguen arrancar electrones, reflejándose o transformándose en otras formas de energía.Generan corriente eléctrica.

2º-.Los fotoelectrones son emitidos con un intervalo de velocidad entre cero y un máximo. La velocidad aumenta con la frecuencia pero no con la intensidad de la radiación.Si mantenemos la polaridad y el tipo de luz (la misma frecuencia) pero utilizamos más potencia de iluminación (bombilla más potente o varias bombillas) el nº de electrones extraído es mayor y llegan más al amperímetro.Mayor intensidad de luz (I) significa mayor flujo de fotones y la corriente en el circuito externo (i).

3º-.Para un metal dado existe un cierto valor de la frecuencia de la radiación "frecuencia umbral" por debajo de la cual no se produce emisión de fotoelectrones por muy elevada que sea la intensidad de la radiación incidente.Los fotones con energía insuficiente (frecuencia inferior al umbral), no consiguen arrancar electrones, reflejándose o transformándose en otras formas de energía.No generan corriente eléctrica.

COMO EXPLICAR EL EFECTO FOTOELÉCTRICOEn 1905 Albert Einstein (1879-1955) usó la teoría cuántica de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico.

Cuando la luz llega a la superficie del metal la energía no se reparte equitativamente entre los átomos que componen las primeras capas en las que el haz puede penetrar, sino que por el contrario sólo algunos átomos son impactados por el fotón que lleva la energía y, si esa energía es suficiente para extraer los electrones de la atracción de los núcleos, los arranca del metal.

La energía cinética de los electrones emitidos depende de la frecuencia de la radiación incidente y de la posición que ocupa ese electrón en el metal.

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Modelo Atómico de BohrNiels Bohr, físico Danés, (1913) primer modelo de un átomo basado en la cuantización de la energía. Supera el modelo atómico de Rutherford suponiendo, simplemente, que la física clásica estaba equivocada.

El modelo de Bohr explica la estructura del átomo de hidrógeno y su espectro. Se observan las órbitas de energía definida. La absorción y emisión de energía en las subidas y bajadas de

nivel. El modelo de Bohr explica la estructura del átomo de

hidrógeno y su espectro discontínuo.

Pero antes que Bohr lograra explicar las líneas espectrales del hidrógeno, el suizo Johann Jacob Balmer, logró establecer en 1885, el mismo año en que naciera Bohr una simple relación numérica, que ligaba las longitudes de onda de las rayas espectrales del átomo de hidrógeno.

Balmer demuestra que las líneas se ajustan a una fórmula simple:

Su fórmula permitió prever, no sólo la sucesión de las líneas en el espectro visible, sino también series de ellas en el espectro invisible –ultravioleta e infrarrojo– del hidrógeno.

Todo esto implicó que en el espectro del más sencillo de los átomos, el caos había dado paso a un orden físico regido por la ley de Balmer-Ritz:

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POSTULADOS DE BOHR1.- El electrón gira alrededor del núcleo en órbitas circulares sin emitir energía radiante.2.-Sólo son posibles aquellas órbitas en las que el electrón tiene un momento angular que es múltiplo entero de h/(2 . p).Una órbita tiene un estado estacionario de energía. El estado de menor energía se llama estado fundamental. Si absorben engría adicional pasan a un estado excitado3.-El electrón no radia energía cuando está en un estado estacionario. Si cambia de estado lo hace intercambiando una cantidad de energía proporcional, según la ecuación de Plank

Hipótesis de Debroglie. Dualidad onda-corpúsculo del electrónLouis de Broglie pensó que, al igual que la luz, pese a ser de naturaleza ondulatoria, presentaba muchas veces una componente corpuscular, podía ser que la materia normal, tratada siempre como partícula, tuviese también una naturaleza ondulatoria.De Broglie en 1924 predijo que “Toda partícula en movimiento lleva asociada una onda cuya longitud de onda vale

En lugar de tener una pequeña partícula girando al rededor del núcleo en una ruta circular, tendríamos un tipo de onda tejida alrededor de todo el círculo.Ahora, la única forma de que tal onda pudiera existir es si un número exacto de sus longitudes de onda encajaran exactamente al rededor del círculo.Plank y Einstein habían demostrado la naturaleza dual del electrón que al ser una partícula, que se comportaba como onda.