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FÍSICA Y QUÍMICA 107
Antes de empezar
1. El átomo a través de la historia
Las primeras teorías atomistas
Teoría atómica de Dalton
2. Estructura atómica
Fenómenos eléctricos
El átomo es divisible
El descubrimiento del electrón
El descubrimiento del protón
El descubrimiento del neutrón
3. Modelos atómicos
Modelo de Thomson
Experimento de Rutherford
Modelo de Rutherford
Tamaños atómicos
Ejercicios para practicar
Para saber más
Resumen
Autoevaluación
Actividades para enviar al tutor
Objetivos
En esta quincena aprenderás a:
Conocer la historia del átomo.
Entender la teoría atómica de Dalton.
Conocer los fenómenos eléctricos.
Identificar las partículas subatómicas
y sus características.
Conocer los modelos atómicos de la
materia.
Entender el concepto de ion y
distinguir entre catión, anión y átomo neutro.
Explicar el experimento de
Rutherford y sus consecuencias.
5 El Átomo y los Modelos atómicos
108 FÍSICA Y QUÍMICA
110 FÍSICA Y QUÍMICA
1. El átomo a través de la
historia
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.
FÍSICA Y QUÍMICA 111
Aristóteles 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.
Aristóteles (384 a. C. - 322 a. C.). es uno de los más grandes filósofos de la antigüedad, de la historia de la filosofía occidental y el autor enciclopédico más portentoso que haya dado la humanidad.
Fue el creador de la lógica formal, economía, astronomía, precursor de la anatomía y la biología y un creador de la taxonomía (es considerado el padre de la zoología y la botánica).
Demócrito (460 a. C. - 370 a. C.). Filósofo griego. Demócrito fue tan famoso en su época como otros filósofos de la importancia de Platón o de Aristóteles y debió de ser uno de los autores más prolíficos de la Antigüedad, aunque sólo se conservan fragmentos de algunas de sus obras, en su mayoría de las dedicadas a la ética, pese a que se le atribuyen diversos tratados de física, matemáticas, música y cuestiones técnicas.
Junto con su maestro, Leucipo, Demócrito es considerado fundador de la escuela atomista.
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.
FÍSICA Y QUÍMICA 113
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 Agua sería el producto que se obtiene.
Los símbolos de Dalton
Para Dalton, cada elemento está formado una clase de átomos, distinto en sus propiedades a los átomos de los demás elementos y, justamente, es esta distinción lo que separa un elemento de otro y los hace diferentes.
Así, asignó a cada elemento conocido un símbolo distinto, su símbolo químico que con posterioridad ha ido cambiando hasta llegar a los modernos símbolos químicos actuales.
114 FÍSICA Y QUÍMICA
2. Estructura atómica
Fenómenos eléctricos
Algunos fenómenos de electrización pusieron de manifiesto la naturaleza eléctrica de la materia. Para explicar estos fenómenos, los científicos idearon un modelo según el cual los fenómenos eléctricos son debidos a una propiedad de la materia llamada carga eléctrica.
Las propiedades de los cuerpos eléctricos se deben a la existencia de dos tipos de cargas: positiva y negativa.
Dos cuerpos que hayan adquirido una carga del mismo tipo se repelen, mientras que si poseen carga de distinto tipo se atraen.
En general, la materia es eléctricamente neutra, es decir, tiene la misma cantidad de cada tipo de carga. Si adquiere carga, tanto positiva como negativa, es porque tiene más cantidad de un tipo que de otro.
Fenómenos eléctricos: Electrostática
El fenómeno de la electricidad llamó la atención de las personas desde hace mucho tiempo. Hacia el año 600 a. C., el filósofo griego Tales de Mileto frotó una resina de ámbar con piel de gato y consiguió atraer con ella unos trozos de pluma. ámbar, en griego, se denomina elektron , de ahí que ese fenómeno se conozca con el nombre de electricidad.
A lo largo de la historia de la electricidad se han ideado distintos aparatos para saber si un cuerpo está electrizado o no. Algunos de estos aparatos permiten comprobar que los cuerpos que tienen carga del mismo signo se repelen y si tienen cargas de distinto signo, se atraen. Aquí tenemos como ejemplo un Electroscopio:
116 FÍSICA Y QUÍMICA
El descubrimiento del protón
El físico alemán E. Goldstein realizó algunos experimentos con un tubo de rayos catódicos con el cátodo perforado. Observó unos rayos que atravesaban al cátodo en sentido contrario a los rayos catódicos. Recibieron el nombre de rayos canales.
El estudio de estos rayos determinó que estaban formados por partículas de carga positiva y que tenían una masa distinta según cual fuera el gas que estaba encerrado en el tubo. Esto aclaró que las partículas salían del seno del gas y no del electrodo positivo.
Al experimentar con hidrógeno se consiguió aislar la partícula elemental positiva o protón , cuya carga es la misma que la del electrón pero positiva y su masa es 1837 veces mayor.
Eugen Goldstein (1850 - 1930). Físico alemán. Estudió física en Breslau y Berlín. Trabajó en Berlín y fue nombrado jefe de la sección de Astrofísica del observatorio Postdam.
Investigó las descargas eléctricas producidas por gases a baja presión o enrarecidos al ser sometidos a una diferencia de potencial elevada. Esto le llevó a descubrir los rayos canales y, además, dio nombre a los rayos catódicos. Trabajó también con espectros atómicos.
Murió en 1930 en Berlín.
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El descubrimiento del neutrón
Mediante diversos experimentos se comprobó que la masa de protones y electrones no coincidía con la masa total del átomo; por tanto, el físico E. Rutherford supuso que tenía que haber otro tipo de partícula subatómica en el interior de los átomos.
Estas partículas se descubrieron en 1932 por el físico J. Chadwick. Al no tener carga eléctrica recibieron el nombre de neutrones. El hecho de no tener carga eléctrica hizo muy difícil su descubrimiento.
Los neutrones son partículas sin carga y de masa algo mayor que la masa de un protón.
3. Modelos atómicos
Modelo de Thomson
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.
James Chadwick (1891 - 1974). Físico inglés. Hijo de John Joseph Chadwick y Anne Mary Knowles. Fue a la Manchester High School, y estudió en la Universidad de Cambridge.
En 1932, Chadwick realizó un descubrimiento fundamental en el campo de la ciencia nuclear: descubrió la partícula en el núcleo del átomo que pasaría a llamarse neutrón, predicción hecha algunos años antes. Esta partícula no tiene carga eléctrica. En contraste con el núcleo de helio (partículas alfa) que está cargado positivamente y por lo tanto son repelidas por las fuerzas eléctricas del núcleo de los átomos pesados, esta nueva herramienta para la desintegración atómica no necesitaba sobrepasar ninguna barrera electrónica, y es capaz de penetrar y dividir el núcleo de los elementos más pesados. De esta forma, Chadwick allanó el camino hacia la fisión del uranio 235 y hacia la creación de la bomba atómica. Como premio por su descubrimiento se le otorgó la Medalla Hughes de la Royal Society en 1932 y el Premio Nobel de física en 1935. También descubrió el tritio.
FÍSICA Y QUÍMICA 119
Experimento de Rutherford
En 1911, E. Rutherford y sus colaboradores bombardearon una fina lámina de oro con partículas alfa (positivas), procedentes de un material radiactivo, a gran velocidad. El experimento permitió observar el siguiente comportamiento en las partículas lanzadas:
La mayor parte de ellas atravesaron la lámina sin cambiar de dirección, como era de esperar. Algunas se desviaron considerablemente. Unas pocas partículas rebotaron hacia la fuente de emisión.
El comportamiento de las partículas no podía ser explicado con el modelo de Thomson, así que Rutherford lo abandonó y sugirió otro basado en el átomo nuclear.
De acuerdo con el Modelo de Thomson, en el cual la carga positiva de cada átomo está distribuida de forma homogénea, las partículas positivas que atraviesan la lámina no deberían ser apreciablemente desviadas de su trayectoria inicial. Evidentemente, esto no ocurría. En el Modelo de Rutherford la carga positiva está concentrada en un núcleo central, de manera que las partículas positivas que pasan muy cerca de él, se desvían bastante de su trayectoria inicial y sólo aquellas pocas que chocan directamente con el núcleo regresan en la dirección de la que proceden.
Ernest Rutherford (1871 - 1937). Físico y químico británico. Rutherford destacó muy pronto por su curiosidad y su capacidad para la aritmética. Sus padres y su maestro lo animaron mucho, y resultó ser un alumno brillante tanto en los estudios como en la experimentación.
Por sus trabajos en el campo de la física atómica, Rutherford está considerado como uno de los padres de esta disciplina. Investigó también sobre la detección de las radiaciones electromagnéticas y sobre la ionización del aire producido por los rayos X. Estudió las emisiones radioactivas descubiertas por H. Becquerel, y logró clasificarlas en rayos alfa, beta y gamma. En 1902 Rutherford formuló la teoría sobre la radioactividad natural asociada a las transformaciones espontáneas de los elementos. Colaboró con H. Geiger en el desarrollo del contador Geiger, y demostró (1908) que las partículas alfa son iones de helio (más exactamente, núcleos del átomo de helio) y, en 1911, describió un nuevo modelo atómico (modelo atómico de Rutherford), que posteriormente sería perfeccionado por N. Bohr.
Ganó el Premio Nobel de Química en 1908 por descubrir que la radiactividad iba acompañada por una desintegración de los elementos.
120 FÍSICA Y QUÍMICA
Modelo de Rutherford
El Modelo de Rutherford establece que:
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.
Representación del Modelo de Rutherford.
Tamaño atómico
Distintas experiencias han permitido medir el tamaño de los átomos. Considerado como una esfera, el átomo tiene un radio de unos 10-10^ m y el núcleo tiene un radio de unos 10 -14^ m. De aquí se puede deducir que el núcleo es unas 10000 veces más pequeño que el átomo.
Para hacernos una idea: si el átomo fuera del tamaño de un campo de fútbol, el núcleo sería como un guisante colocado en su centro, y los electrones se encontrarían en las gradas girando alrededor del campo.
El núcleo es 10.000 veces menor que el átomo.
Entre el núcleo y la corteza, hay espacio vacío, donde no hay absolutamente nada.
122 FÍSICA Y QUÍMICA
Para practicar
- Indicar la opción correcta: Según la teoría atomista, un trozo de hierro …
a) Se puede dividir indefinidamente.
b) Se puede dividir hasta llegar a los átomos.
c) No se puede dividir.
- Selecciona la respuesta correcta: Los electrones son partículas: a) Sin carga, b) Con carga negativa, c) Con carga positiva.
- Indica las frases que son falsas:
a) Dalton predijo la existencia de electrones.
b) Los electrones son más grandes que los átomos.
c) Los electrones tienen carga negativa.
- Indica las frases verdaderas:
a) Goldstein descubre el electrón.
b) Dalton descubre el protón.
c) Thomson descubre el electrón.
- Indica la opción correcta: Si el Modelo de Thomson hubiese sido válido …
a) Las partículas alfa, positivas, se habrían desviado mucho.
b) Las partículas alfa, positivas, habrían rebotado.
c) Las partículas alfa, positivas, no se habrían desviado apenas.
- Al estar la masa del átomo concentrada casi toda en el núcleo, ¿cómo será éste?
a) Poco denso.
b) Muy denso.
c) Igual de denso que el átomo completo.
FÍSICA Y QUÍMICA 123
La televisión
El Tubo de Rayos Catódicos (CRT del inglés Cathode Ray Tube) es un dispositivo de visualización que se emplea principalmente en monitores y televisiones, aunque en la actualidad se están sustituyendo paulatinamente por tecnologías como plasma, LCD, debido al menor consumo energético de estos últimos. Los televisores CRT se han utilizado en nuestros hogares durante 50 años.
En un televisor a color tres diferentes emisores (1) lanzan haces de electrones de distinta energía (2). Existe un sistema complejo de campos magnéticos (3) encargado de enfocar los haces sobre la pantalla (4), donde, en cada punto, hay tres sustancias diferentes, sensibles a cada uno de los haces.
Para saber más
Curiosidades
¿Sabías que si nuestros átomos fueran del tamaño de una naranja, nosotros seríamos tan grandes que el Sistema Solar completo entraría en la palma de nuestra mano? En nuestro cuerpo hay una cantidad enormemente grande de átomos.
En las horas anteriores a una tormenta en el aire predominan los iones positivos o cationes, inquietando a los animales y a los insectos. Cuando ha pasado la tormenta, en el aire predominan los iones negativos o aniones, por lo que se percibe más fresco, limpio y agradable.
Dalton afirmó que los átomos eran pequeñísimos e indestructibles y que todas las sustancias conocidas estaban compuestas por combinaciones de esos átomos. Con sus propias palabras:
"Tan difícil sería introducir un nuevo planeta en el sistema solar, o aniquilar uno ya existente, como crear o destruir una partícula de hidrógeno".
FÍSICA Y QUÍMICA 125
Autoevaluación
- ¿Qué podemos encontrar en el núcleo de un átomo?
- ¿Qué experimento obligó a establecer un modelo nuclear para el átomo?
- Para formar un anión de carga -1, el átomo debe:
- Si colocásemos átomos en fila, ¿cuántos habría que poner para que ocuparan 1 mm?
- ¿Qué científico descubrió el protón?
- Para formar un catión de carga +2, el átomo debe.
- ¿Quién descubrió el electrón?
- Los rayos catódicos están formados por:
- Un átomo con 8 protones, 10 neutrones y 10 electrones es un:
- El modelo en el que los electrones giran en la corteza del átomo y hay un núcleo, es el modelo de:
126 FÍSICA Y QUÍMICA
Soluciones de los ejercicios para practicar
- Agua, Aire, Tierra y Fuego.
- Leucipo y Demócrito.
- En la Teoría Atomista se piensa que la materia sólo se puede dividir hasta cierto punto, esa división llegaba hasta los átomos. En la Teoría Continuista se pensaba que la materia se podía dividir indefinidamente, sin límites.
- A la existencia de dos tipos de cargas: positiva y negativa. Si ambas cargas son iguales, se repelen y si son diferentes, se atraen.
- Estudiando la emisión de rayos catódicos en tubos de descarga. Estos rayos se dirigían desde el cátodo (-) hasta el ánodo (+).
- Estudiando los efectos en tubos de descarga. Aparecieron unos rayos que iban desde el polo positivo o ánodo al negativo o cátodo.
- Las partículas elementales tienen las siguientes cargas: Protón (carga positiva) , Electrón (carga negativa) y Neutrón (sin carga).
- Considera al átomo como una esfera con toda la masa y la carga positiva. Los electrones están incrustados en la esfera. La carga positiva se compensa con la carga negativa de los electrones.
- Considera un núcleo donde están los protones y los neutrones. En la corteza se encuentran los electrones girando a gran velocidad.
