Modelos Atómicos

Significado de Modelo Atómico

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Es importante darse cuenta de que mucho de lo que sabemos sobre la estructura de los átomos se ha desarrollado durante un largo período de tiempo. Esto es a menudo cómo se desarrolla el conocimiento científico, con una persona desarrollando las ideas de otra persona. Vamos a ver cómo ha evolucionado nuestra comprensión moderna del átomo a lo largo del tiempo.

La idea de los átomos fue inventada por dos filósofos griegos, Demócrito y Leucipo en el siglo quinto antes de Cristo. La palabra griega ατoμoν (átomo) significa indivisible porque creía que los átomos no podían romperse en pedazos más pequeños.

Hoy en día, sabemos que los átomos están formados por un núcleo cargado positivamente en el centro rodeado de electrones cargados negativamente . Sin embargo, en el pasado, antes de que se entendiera correctamente la estructura del átomo, los científicos idearon muchos modelosimágenes diferentes para describir el aspecto de los átomos.

modelos atomicos en la história
Modelos atómicos en la história

Un modelo es una representación de un sistema en el mundo real. Los modelos nos ayudan a entender los sistemas y sus propiedades.

Por ejemplo, un modelo atómico representa lo que la estructura de un átomo podría ser similar, en base a lo que sabemos acerca de cómo se comportan los átomos. No es necesariamente una imagen verdadera de la estructura exacta de un átomo.

Los modelos son a menudo simplificados. Los pequeños carros de juguete con los que puede haber jugado de niño son modelos. Te dan una buena idea de cómo se ve un auto real, pero son mucho más pequeños y mucho más simples. Un modelo no siempre puede ser absolutamente preciso y es importante que nos demos cuenta de esto, para que no creamos una idea incorrecta acerca de algo.


►Modelo Atómico de Dalton

John Dalton propuso que toda la materia está compuesta de cosas muy pequeñas que él llamó átomos. Este no era un concepto completamente nuevo ya que los antiguos griegos (en particular, Demócrito) habían propuesto que toda la materia está compuesta de objetos pequeños, indivisibles (no se pueden dividir). Cuando Dalton propuso su modelo de electrones y el núcleo eran desconocidos.

El átomo según Dalton
El átomo según Dalton

►Modelo Atómico de Thomson

Después de que el electrón fue descubierto por JJ Thomson en 1897, las personas se dieron cuenta de que los átomos estaban formados por partículas aún más pequeñas de lo que habían pensado previamente. Sin embargo, el núcleo atómico aún no se había descubierto y, por lo tanto, el “modelo de pudín de ciruela” se presentó en 1904. En este modelo, el átomo está formado por electrones negativos que flotan en una “sopa” de carga positiva, como las ciruelas. en un pudín o pasas en un pastel de frutas. En 1906, Thomson recibió el Premio Nobel por su trabajo en este campo. Sin embargo, incluso con el Modelo de pudín de ciruela, todavía no se entendía cómo estaban dispuestos estos electrones en el átomo.

El átomo según el modelo de Plum Pudding.
El átomo según el modelo de Plum Pudding.

El descubrimiento de la radiación fue el siguiente paso en el camino para construir una imagen precisa de la estructura atómica. A principios del siglo XX, Marie y Pierre Curie descubrieron que algunos elementos (los elementos radiactivos ) emiten partículas que pueden pasar a través de la materia de manera similar a los rayos X (lea más sobre esto en el Grado 11). Fue Ernest Rutherford quien, en 1911, utilizó este descubrimiento para revisar el modelo del átomo.

Otros dos modelos propuestos para el átomo fueron el modelo cúbico y el modelo saturniano. En el modelo cúbico, se imaginaba que los electrones se encontraban en las esquinas de un cubo. En el modelo de Saturno, los electrones se imaginaron para orbitar un núcleo muy grande y pesado.

►Modelo Atómico de Rutherford

Rutherford realizó algunos experimentos que llevaron a un cambio en las ideas alrededor del átomo. Su nuevo modelo describía al átomo como un núcleo diminuto, denso y cargado positivamente, llamado núcleo rodeado de electrones más ligeros y cargados negativamente. Otra forma de pensar acerca de este modelo era que se veía que el átomo era como un mini sistema solar donde los electrones orbitan el núcleo como planetas que orbitan alrededor del sol. Una imagen simplificada de esto se muestra al lado. Este modelo a veces se conoce como el modelo planetario del átomo.

Modelo de Rutherford del átomo.
Modelo de Rutherford del átomo.

►Modelo Atómico de Bohr

Sin embargo, hubo algunos problemas con el modelo de Rutherford: por ejemplo, no pudo explicar la observación muy interesante de que los átomos solo emiten luz en ciertas longitudes de onda o frecuencias. Niels Bohr resolvió este problema al proponer que los electrones solo podrían orbitar el núcleo en ciertas órbitas especiales a diferentes niveles de energía alrededor del núcleo.

Modelo de Bohr del átomo
Modelo de Bohr del átomo

►Modelo Atómico de Schrödinger

En cualquier caso, el modelo aún requería refinación. En este punto, muchos científicos estaban investigando e intentando desarrollar el modelo cuántico del átomo. El principal de ellos fue el físico austriaco Erwin Schrödinger, del que probablemente haya escuchado antes ( es el tipo con el gato y la caja ). En 1926, Schrödinger propuso que, en lugar de que los electrones se movieran en órbitas fijas o conchas, los electrones se comportaran como ondas. Esto parece un poco extraño, pero probablemente ya recuerdes que la luz puede comportarse como una onda y una partícula (lo que se conoce como dualidad onda-partícula), y resulta que los electrones también pueden hacerlo.

Schrödinger resolvió una serie de ecuaciones matemáticas para idear un modelo para las distribuciones de electrones en un átomo. Su modelo muestra el núcleo rodeado por nubes de densidad electrónica. Estas nubes son nubes de probabilidad; aunque no sabemos exactamente dónde están los electrones, sabemos que es probable que se encuentren en determinadas regiones del espacio. Estas regiones del espacio se conocen como orbitales de electrones. Tal vez sea comprensible por qué las lecciones de química de la escuela secundaria no son directas con este modelo, aunque es el modelo aceptado hoy en día, ¡porque se necesita un poco más de tiempo para entenderlo!

►Modelo Atómico de James Chadwick

Schrödinger no era la última palabra del átomo. En 1932, el físico inglés James Chadwick (un estudiante de Ernest Rutherford) descubrió la existencia del neutrón, completando nuestra imagen de las partículas subatómicas que forman un átomo. La historia tampoco termina ahí; Desde entonces, los físicos han descubierto que los protones y los neutrones que forman el núcleo son divisibles en partículas llamadas quarks, ¡pero eso está fuera del alcance de esta publicación! En cualquier caso, el átomo nos da un gran ejemplo de cómo los modelos científicos pueden cambiar con el tiempo y muestra cómo las nuevas pruebas pueden conducir a nuevos modelos.

Rutherford predijo (en 1920) que otro tipo de partícula debe estar presente en el núcleo junto con el protón. Predijo esto porque si solo hubiera protones cargados positivamente en el núcleo, entonces debería romperse en pedazos debido a las fuerzas repulsivas entre los protones cargados de forma similar. Para asegurarse de que el átomo permanezca eléctricamente neutral, esta partícula tendría que ser neutral en sí misma. En 1932, James Chadwick descubrió el neutrón y midió su masa.


La historia del átomo – Teorías y modelos

Este gráfico analiza los modelos clave propuestos para el átomo y cómo cambiaron con el tiempo.
Este gráfico analiza los modelos clave propuestos para el átomo y cómo cambiaron con el tiempo.

Puntos clave

  • El físico británico JJ Thomson realizó experimentos en el estudio de los rayos catódicos y descubrió que eran partículas únicas, más tarde llamadas electrones.
  • Rutherford demostró que el núcleo de hidrógeno está presente en otros núcleos.
  • En 1932, James Chadwick demostró que había partículas sin carga en la radiación que estaba usando. Estas partículas, más tarde llamadas neutrones, tenían una masa similar a los protones, pero no tenían las mismas características que los protones.

Términos clave

  • centelleo : Un destello de luz producido en un material transparente por el paso de una partícula.
  • Partícula alfa : Un núcleo cargado positivamente de un átomo de helio-4 (que consta de dos protones y dos neutrones), emitido como consecuencia de la radiactividad.
  • cátodo : un electrodo a través del cual la corriente eléctrica fluye desde un dispositivo eléctrico polarizado.

Aunque originalmente se vio como una partícula que no se puede cortar en partículas más pequeñas, el uso científico moderno denota el átomo como compuesto de varias partículas subatómicas. Las partículas constituyentes de un átomo (cada una descubierta independientemente) son: el electrón, el protón y el neutrón. (Sin embargo, el átomo de hidrógeno-1 no tiene neutrones y un ion hidrógeno positivo no tiene electrones).

modelo atómico antes de la llegada de la mecánica cuántica
modelo atómico antes de la llegada de la mecánica cuántica

Electrón

El físico alemán Johann Wilhelm Hittorf emprendió el estudio de la conductividad eléctrica en gases enrarecidos. En 1869, descubrió un brillo emitido desde el cátodo que aumentó de tamaño con la disminución de la presión del gas. En 1896, el físico británico JJ Thomson realizó experimentos que demostraban que los rayos catódicos eran partículas únicas, en lugar de ondas, átomos o moléculas, como se creía anteriormente. Thomson hizo buenas estimaciones tanto de la carga miy la masa metro, encontrando que las partículas de rayos catódicos (que él llamó “corpúsculos”) tenían tal vez una milésima parte de la masa de hidrógeno, el ion menos masivo conocido. Mostró que su relación carga / masa (e / m) era independiente del material del cátodo.

Un haz de electrones desviados en un círculo por un campo magnético.
Un haz de electrones desviados en un círculo por un campo magnético.

Protón

En 1917 (en experimentos informados en 1919), Rutherford demostró que el núcleo de hidrógeno está presente en otros núcleos, un resultado generalmente descrito como el descubrimiento del protón. Anteriormente, Rutherford aprendió a crear núcleos de hidrógeno como un tipo de radiación producida como rendimiento del impacto de las partículas alfa en el gas de hidrógeno; estos núcleos fueron reconocidos por su firma de penetración única en el aire y su aparición en detectores de centelleo. Estos experimentos comenzaron cuando Rutherford notó que cuando las partículas alfa se disparaban al aire (principalmente nitrógeno), sus detectores de centelleo mostraban las firmas de núcleos de hidrógeno típicos como un producto. Después de la experimentación, Rutherford rastreó la reacción del nitrógeno en el aire y descubrió que el efecto era mayor cuando se producían alfas en gas nitrógeno puro. Rutherford determinó que la única fuente posible de este hidrógeno era el nitrógeno y, por lo tanto, el nitrógeno debe contener núcleos de hidrógeno. Un núcleo de hidrógeno fue eliminado por el impacto de la partícula alfa, produciendo oxígeno-17 en el proceso. Esta fue la primera reacción nuclear reportada,14norte+α→17O+pag.

Neutrón

En 1920, Ernest Rutherford concibió la posible existencia del neutrón. En particular, Rutherford examinó la disparidad encontrada entre el número atómico de un átomo y su masa atómica. Su explicación para esto fue la existencia de una partícula con carga neutra dentro del núcleo atómico. Consideró que el neutrón es un doble neutro que consiste en un electrón que orbita un protón. En 1932, James Chadwick mostró partículas sin carga en la radiación que usó. Estas partículas tenían una masa similar a los protones, pero no tenían las mismas características que los protones. Chadwick siguió algunas de las predicciones de Rutherford, el primero en trabajar en este entonces desconocido campo

Primeros modelos del átomo

Dalton creía que la materia está compuesta de unidades discretas llamadas átomos: partículas indivisibles y últimas de materia.

Puntos clave

  • El átomo es una unidad básica de materia que consiste en un núcleo central denso rodeado por una nube de electrones cargados negativamente.
  • El conocimiento disperso descubierto por los alquimistas durante la Edad Media contribuyó al descubrimiento de los átomos.
  • Dalton estableció su teoría atómica basándose en el hecho de que las masas de reactantes en reacciones químicas específicas siempre tienen una proporción de masa particular.

Términos clave

  • Fuerza electromagnética : una fuerza fundamental de largo alcance que actúa entre cuerpos cargados, mediada por el intercambio de fotones.
  • Número de Avogadro : el número de partículas constituyentes (generalmente átomos o moléculas) en un mol de una sustancia dada. Tiene dimensiones de mol recíproco y su valor es igual a $ 6.02214129 \ cdot 10 ^ {23} \ text {mol} ^ {- 1} $
  • núcleo : la parte central masiva y cargada positivamente de un átomo, formada por protones y neutrones

El átomo es una unidad básica de materia que consiste en un núcleo central denso rodeado por una nube de electrones cargados negativamente. El núcleo atómico contiene una mezcla de protones cargados positivamente y neutrones eléctricamente neutros (excepto en el caso del hidrógeno-1, que es el único nucleido estable sin neutrones). Los electrones de un átomo están unidos al núcleo por la fuerza electromagnética. Ahora tenemos un modelo detallado (y preciso) del átomo, pero nos llevó mucho tiempo encontrar la respuesta correcta.

Ilustración del átomo de helio : esta es una ilustración del átomo de helio, que representa el núcleo (rosa) y la distribución de la nube de electrones (negro). El núcleo (arriba a la derecha) en el helio-4 es en realidad simétricamente esférico y se asemeja mucho a la nube de electrones, aunque para núcleos más complicados no siempre es así. La barra negra es un angstrom ( 10 – 1010-10 m, o 100 pm).