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Una revisión histórica de los diferentes modelos atómicos propuestos a lo largo de la historia, desde la antigua grecia hasta el modelo atómico de bohr en 1913. Se explica cómo la teoría atómica de demócrito compitió con la teoría de los cuatro elementos de aristóteles, y cómo los experimentos de rutherford llevaron al modelo planetario del átomo. Sin embargo, este modelo presentaba problemas teóricos que fueron resueltos por el modelo atómico de bohr, el cual sentó las bases de la física cuántica. Detalladamente los tres postulados de bohr y cómo estos permitieron explicar el espectro del átomo de hidrógeno, a pesar de contradecir algunas leyes establecidas de la física clásica.
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
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Demócrito (460-370 a.C) Aristóteles (384-322 a.C) En la antigua Grecia dos concepciones compitieron por dar una interpretación racional a cómo estaba formada la materia. Demócrito consideraba que la materia estaba formada por pequeñas partículas indivisibles, llamadas átomos. Entre los átomos habría vacío. Aristóteles era partidario de la teoría de los cuatro elementos, según la cual toda la materia estaría formada por la combinación de cuatro elementos: aire, agua, tierra y fuego. La teoría de los cuatro elementos fue la aceptada durante muchos siglos. Siguiendo la teoría aristotélica los alquimistas (que están considerados como los primeros químicos) intentaban obtener la Piedra Filosofal que les permitiría transmutar los metales en oro, curar cualquier enfermedad y evitar, incluso, la vejez y la muerte. Su incesante trabajo en el laboratorio dio como fruto la invención o perfeccionamiento de muchos procedimientos aún hoy usados en los laboratorios (entre ellos la destilación), la síntesis de numerosos compuestos (como el ácido clorhídrico, sulfúrico o nítrico), el descubrimiento de técnicas metalúrgicas, la producción de tintes, pinturas o cosméticos… etc. En 1808 John Dalton recupera la teoría atómica de Demócrito y considera que los átomos (partículas indivisibles) eran los constituyentes últimos de la materia que se combinaban para formar los compuestos. En 1897 los experimentos realizados sobre la conducción de la electricidad por los gases dieron como resultado el descubrimiento de una nueva partícula con carga negativa: el electrón. Los rayos catódicos, estaban formados por electrones que saltan de los átomos del gas que llena el tubo cuando es sometido a descargas eléctricas. Los átomos, por tanto, no eran indivisibles. J.J Thomson propone entonces el primer modelo de átomo: Los electrones (pequeñas partículas con carga negativa) se encontraban incrustados en una nube de carga positiva. La carga positiva de la nube compensaba exactamente la negativa de los electrones siendo el átomo eléctricamente neutro. John Dalton (1766-1844) J. J. Thomson (1856-1940) Primer modelo de átomo compuesto (Thomson, 1897) Los electrones, diminutas partículas con carga eléctrica negativa, están incrustadas en una nube de carga positiva de forma similar a las pasas en un pastel.
Lámina de oro Fuente de partículas Recubrimiento interior de sulfuro de zinc. Cuando las partículas alfa chocan contra el recubrimiento interior se produce un chispazo E. Rutherford (1871-1937) E. Rutherford realiza en 1911 un experimento crucial con el que se trataba de comprobar la validez del modelo atómico de Thomson. Un esquema del montaje experimental usado se muestra más abajo: Las partículas alfa (procedentes de un material radiactivo, se aceleran y se hacen incidir sobre una lámina de oro muy delgada. Tras atravesar la lámina las partículas chocan contra una pantalla recubierta interiormente de sulfuro de zinc, produciéndose un chispazo. De esta forma era posible observar si las partículas sufrían alguna desviación al atravesar la lámina. ¿Qué es una partícula ? (ver iones) Las llamadas “partículas ” son unas partículas muy pequeñas, con carga eléctrica positiva y con una masa 7.000 veces superior a la del electrón. La mayor parte de las partículas atravesaban la lámina de oro sin sufrir ninguna desviación. Muy pocas (una de cada 10.000 aproximadamente) se desviaba un ángulo mayor de 10 0 (trazo a rayas) En rarísimas ocasiones las partículas rebotaban (líneas de puntos) La interpretación dada por Rutherford fue la siguiente: Si el modelo atómico propuesto por Thomson fuera cierto no deberían observarse desviaciones ni rebotes de las partículas incidentes. Éstas atravesarían limpiamente los átomos sin desviarse. Para que las partículas se desvíen deben encontrar en su trayectoria una zona (núcleo) en la que se concentre carga de signo positivo y cuya masa sea comparable o mayor a la de las partículas La zona en la que se concentra la masa y la carga positiva debería de ser muy pequeña comparada con la totalidad del átomo. Los electrones orbitan en círculos alrededor del núcleo.
Si la partícula golpea contra el núcleo, sale rebotada hacia atrás.
La partícula , que tiene carga positiva, es repelida por el núcleo si pasa cerca de él.
Modelo planetario de átomo propuesto por Rutherford en 1911
Con el fin de resolver los problemas acumulados sobre el modelo de átomo planetario, y para explicar el espectro del átomo de hidrógeno, Niels Bohr propone en 1913 un nuevo modelo atómico sustentado en tres postulados:
1. Cualquiera que sea la órbita descrita por un electrón, éste no emite energía. Las órbitas son consideradas como estados estacionarios de energía. A cada una de ellas le corresponde una energía, tanto mayor, cuanto más alejada se encuentre del núcleo. 2. No todas las órbitas son posibles. Sólo pueden existir aquellas órbitas que tengan ciertos valores de energía, dados por el número cuántico principal, n. Solamente son posibles las órbitas para las cuales el número cuántico principal (n) toma valores enteros: n = 1, 2, 3, 4…. Las órbitas que se correspondan con valores no enteros del número cuántico principal, no existen. 3. La energía liberada al caer un electrón desde una órbita superior, de energía E 2 , a otra inferior, de energía E 1 , se emite en forma de luz. La frecuencia (f ) de la luz viene dada por la expresión: El átomo de Bohr era, simplemente, un síntoma de que la física clásica, que tanto éxito había tenido en la explicación del mundo macroscópico, no servía para describir el mundo de lo muy pequeño, el dominio de los átomos. Posteriormente, en la década de 1920, una nueva generación de físicos (Schrödinger, Heisenberg, Dirac…) elaborarán una nueva física, la Física Cuántica, destinada a la descripción de los átomos, que supuso una ruptura con la física existente hasta entonces. E 2 E 1 h f h (constante de Planck) = 6,62. 10