MODELOS ATÓMICOS Abril 2006 EL ÁTOMO DIVISIBLE MODELOS ATÓMICOS Abril 2006

A MEDIADOS DEL XIX, ESTUDIOS RELACIONADOS CON LA NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA Y EN CONCRETO, CON LA NATURALEZA DE LA CHISPA QUE SALTA ENTRE DOS OBJETOS CARGADOS QUE ESTÁN PRÓXIMOS, CUESTIONARON AL ÁTOMO COMO PARTÍCULA INDIVISIBLE. EL DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS CATÓDICOS CONDUJO AL DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRÓN Y POR TANTO A LA IDEA DE UN ÁTOMO DIVISIBLE.

DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS CATÓDICOS 1875 WILLIAN CROOKE ESTUDIANDO LA CHISPA QE SALTA ENTRE DOS ELECTRODOS INTRODUCIDOS EN UN TUBO DE VIDRIO QUE CONTIENE UN GAS, OBSERVÓ QUE CUANDO LA PRESIÓN DEL GAS ES BAJA NO SE PRODUCE CHISPA Y APARECE UNA LUZ CARACTERÍSTICA DEL GAS. SI LA PRESIÓN DEL GAS SE REDUCE AÚN MÁS DESAPARECE LA LUZ DE COLOR EMITIDA POR EL GAS Y APARECE UNA DÉBIL FLUORESCENCIA EN LA PARED DEL TUBO DE VIDRIO FRENTE AL CÁTODO O ELECTRODO NEGATIVO.

ESTA FLUORESCENCIA PROCEDÍA DEL CHOQUE DE UNOS RAYOS PROCEDENTES DEL CÁTODO CON LA PARED DEL TUBO. EUGEN GOLDSTEIN LLAMÓ A ESTOS RAYOS “RAYOS CATÓDICOS”

TUBO DE RAYOS CATÓDICOS

FLUORESCENCIA CÁTODO ÁNODO RAYOS CATÓDICOS ESQUEMA DE TUBO DE VIDRIO CON UN GAS A ALTO VACÍO

DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRÓN 1897 JOSEPH JOHN THOMSON ESTUDIANDO SI LOS RAYOS CATÓDICOS SE DESVIABAN EN PRESENCIA DE CAMPOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS, COMPROBÓ QUE TENÍAN CARGA ELÉCTRICA NEGATIVA Y HALLÓ SU RELACIÓN CARGA/MASA (1,76.1011 C/kg). LA RELACIÓN CARGA/MASA ERA SIEMPRE LA MISMA INDEPENDIENTEMENTE DEL TIPO DE GAS DEL TUBO, DEL TIPO DE METAL DEL CÁTODO…

LAS PROPIEDADES DE LOS RAYOS CATÓDICOS SE PODÍAN EXPLICAR SI ESTUVIERAN FORMADOS POR PARTÍCULAS MÁS PEQUEÑAS QUE LOS ÁTOMOS Y SE LES LLAMÓ ELECTRONES. ROBERT MILLIKAN, CON SU EXPERIMENTO DE LA GOTA DE ACEITE, DETERMINÓ EN 1909 LA CARGA ELÉCTRICA DEL ELECTRÓN (1,602.10-19 C) Y A CONTINUACIÓN SU MASA (9,1.10-31 kg, dos mil veces inferior a la del átomo de H)

J.J. THOMSON 1897

PROBLEMAS QUE PLANTEÓ EL DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRÓN SI LA MATERIA ES NEUTRA, ADEMÁS DE ELECTRONES DEBE HABER CARGA POSITIVA EN LOS ÁTOMOS, PERO ¿CÓMO SE ENCUENTRAN DENTRO DEL ÁTOMO? SI LOS ELECTRONES TIENEN MASA TAN PEQUEÑA,¿DÓNDE SE ENCUENTRA LA MAYOR PARTE DE LA MASA DE LOS ÁTOMOS? ¿POR QUÉ LAS PARTÍCULAS QUE SE OBTENÍAN DE LOS ÁTOMOS ERAN SIEMPRE ELECTRONES Y NUNCA PARTÍCULAS CON CARGA POSITIVA?

MODELOS ATÓMICOS 1.-MODELO DE THOMSON (1904) IMAGINÓ A LOS ÁTOMOS COMO ESFERAS MACIZAS DE CARGA POSITIVA NEUTRALIZADA POR LOS ELECTRONES, QUE ESTARÍAN INCRUSTADOS EN ELLAS. 2.-MODELO DE RUTHERFORD (1911) IMAGINÓ A LOS ÁTOMOS CASI VACÍOS, CON LA CARGA POSITIVA CONCENTRADA EN UNA ZONA LLAMADA NÚCLEO Y LOS ELECTRONES DANDO VUELTAS EN TORNO A ÉL.

ERNEST RUTHERFORD

MODELOS ATÓMICOS EXPERIMENTO DE RUTHERFORD SI IMAGINAMOS UN ÁTOMO CON LAS DIMENSIONES DE UN ESTADIO DE FÚTBOL, SU NÚCLEO SERÍA DEL TAMAÑO DE UNA CANICA COLOCADA EN EL CENTRO. EXPERIMENTO DE RUTHERFORD Dirigió sobre una lámina de oro muy fina un haz de partículas α (carga +) procedentes de una fuente radiactiva. La mayoría pasaba en línea recta, pero alguna rebotaba. PARTÍCULAS α LÁMINA DE ORO

MODELOS ATÓMICOS LAS PALABRAS DE RUTHERFORD DESPUÉS DE REALIZAR EL EXPERIMENTO FUERON: ”ES LO MÁS INCREIBLE QUE ME HA SUCEDIDO EN MI VIDA. CASI TAN INCREIBLE COMO SI AL DISPARAR BALAS CONTRA UN PAPEL DE SEDA, ALGUNAS SE VOLVIERAN CONTRA USTED”.

DESCUBRIMIENTO DEL PROTÓN EN 1886,GOLDSTEIN UTILIZÓ UN TUBO DE RAYOS CATÓDICOS CON UN CÁTODO PERFORADO Y OBSERVÓ UNOS RAYOS QUE IBAN EN SENTIDO OPUESTO A LOS RAYOS CATÓDICOS, ES DECIR, SALÍAN DEL ÁNODO (+) YSE MOVÍAN HACIA EL ELECTRODO NEGATIVO O CÁTODO. ESTOS RAYOS POSITIVOS ERAN DESVIADOS POR CAMPOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS, LO QUE DEMUESTRA SU NATURALEZA ELÉCTRICA, AUNQUE DE SIGNO CONTRARIO A LA DE LOS RAYOS CATÓDICOS.

LA RELACIÓN CARGA/MASA DE LAS PARTÍCULAS POSITIVAS SÍ DEPENDE DEL TIPO DE GAS ENCERRADO EN EL TUBO. SI EL GAS ERA HIDRÓGENO CADA PARTÍCULA POSITIVA TENÍA UNA MASA 2000 VECES MAYOR QUE LA DEL ELECTRÓN Y POR TANTO PRACTICAMENTE IGUAL A LA DEL ÁTOMO DE H. SU CARGA + IGUAL A LA DEL ELECTRÓN.

DESCUBRIMIENTO DEL PROTÓN LA PARTÍCULA + SE IDENTIFICÓ CON EL IÓN H+ Y ERNEST RUTHERFORD LE LLAMÓ PROTÓN. Rutherford en 1919 a través de reacciones como 7N14 + partícula α → 8O16 + 1H1 Siempre aparecía el núcleo de Hidrógeno (H+). Independiente de si era Nitrógeno (N) u otro núcleo, p.e. Boro, Fluor, Neón, Sodio etc... Se concluyó que el núcleo de Hidrógeno era uno de los componentes fundamentales de todos los núcleos:el protón.

DESCUBRIMIENTO DEL NEUTRÓN CON EL DESCUBRIMIENTO DEL PROTÓN, SURGIÓ LA PREGUNTA: ¿CUÁL ES LA ESTRUCTURA DEL NÚCLEO?¿CÓMO PUEDEN PERMANECER LOS PROTONES, SIENDO CARGAS DEL MISMO SIGNO, EN UN ESPACIO TAN REDUCIDO? EN 1920, RUTHERFORD SUGIRIÓ LA EXISTENCIA DE OTRA PARTÍCULA SIN CARGA A LA QUE LLAMÓ NEUTRÓN. ENTRE PROTONES Y NEUTRONES EXISTIRÍAN FUERZAS ATRACTIVAS DE UNA NUEVA NATURALEZA (FUERZAS NUCLEARES) QUE SUPERASEN A LAS FUERZAS DE REPULSIÓN ELÉCTRICAS.

Descubrimiento del neutrón J. Chadwick, 1932 BOMBARDEÓ BERILIO CON PARTÍCULAS α Y DETECTÓ POR PRIMERA VEZ A LOS NEUTRONES YA PREDICHOS EN 1920 POR RUTHERFORD. LAS PARTÍCULAS FUNDAMENTALES CONSTITUYENTES DEL ÁTOMO DESCUBIERTAS HASTA ESE MOMENTO: partícula Carga (C) Masa (g) Masa (U) electrón -1,6.10-19 9,1.10-28 0,00055 protón 1,6.10-19 1,673.10-24 1,0076 neutrón 1,675.10-24 1,0090

MODELOS ATÓMICOS 3.- MODELO DE BOHR (1913)                                                                                3.- MODELO DE BOHR (1913) EL DANÉS NIELS BOHR ELABORA UN NUEVO MODELO ATÓMICO PARA SUPERAR LOS FALLOS DEL MODELO NUCLEAR DE RHUTERFORD, A SABER: 1.- CUALQUIER CARGA EN MOVIMIENTO EMITE ENERGÍA, POR TANTO EL ELECTRÓN TERMINARÍA CHOCANDO CON EL NÚCLEO.

2.- EL Nº DE PROTONES, ELECTRONES Y NEUTRONES NO EXPLICABA QUE HUBIERA ÁTOMOS CON PROPIEDADES MUY DIFERENTES (Li y He) Y OTROS CON PROPIEDADES MUY PARECIDAS (Li y Na). NO EXPLICABA CÓMO ESTABAN DISTRIBUIDOS LOS ELECTRONES. 3.- TAMPOCO SE EXPLICA EL HECHO DE QUE CADA ELEMENTO QUÍMICO GENERA UN ESPECTRO DE EMISIÓN CARACTERÍSTICO.

Los átomos de gases calientes emiten y absorben luz a ciertas longitudes de onda. En el gráfico de arriba, se demuestran tres espectros de emisión y uno de absorción.

MODELOS ATÓMICOS MODELO DE BOHR ( COMPAGINÓ EL ÁTOMO NUCLEAR DE RUTHERFORD CON LA NUEVA FÍSICA QUE ESTABA SURGIENDO, FÍSICA CUÁNTICA): 1.- MIENTRAS EL ELECTRÓN ESTÁ EN UNA ÓRBITA DETERMINADA NO IRRADIA ENERGÍA (ÓRBITA ESTACIONARIA). 2.- UN ELECTRÓN NO PUEDE ENCONTRARSE A CUALQUIER DISTANCIA DEL NÚCLEO (EL RADIO DE LA ÓRBITA ESTÁ CUANTIZADO), POR LO TANTO LA ENERGÍA DEL SISTEMA HA DE TENER UNOS VALORES DETERMINADOS. 3.- ES SÓLO CUANDO EL ELECTRÓN PASA DE UNA ÓRBITA A OTRA CUANDO EMITE O ABSORBE LA DIFERENCIA DE ENERGÍA ΔE EN FORMA DE RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA (FOTONES).

Representación de las órbitas ÁTOMO DE HIDRÓGENO Representación de las órbitas n distancia                                                                                  1 0,53 Å 2 2,12 Å 3 4,76 Å 4 8,46 Å 5 13,22 Å 6 19,05 Å 7 25,93 Å

                                                 Diagrama del modelo atómico de Bohr. Niels Bohr s

FALLOS DEL MODELO DE BOHR SÓLO PODÍA EXPLICAR EL ESPECTRO DE EMISIÓN DEL HIDRÓGENO. NO PODÍA EXPLICAR POR QUÉ EN UN MISMO ESPECTRO HABÍA UNAS RAYAS MÁS INTENSAS QUE OTRAS. EN EL ENLACE QUÍMICO, NO PODÍA EXPLICAR POR QUÉ UNAS MOLÉCULAS SON LINEALES ( CO2) Y OTRAS ANGULARES (H2O).

MODELO CUÁNTICO ACTUAL EL FRANCÉS LOUIS DE BROGLIE (1924) PROPUSO QUE LOS ELECTRONES POSEEN NO SÓLO PROPIEDADES COMO PARTÍCULAS SINO QUE TAMBIÉN SE COMPORTAN COMO ONDAS. UN AÑO DESPUÉS, DAVISSON Y GERMER LO COMPROBARON EXPERIMENTALMENTE AL OBTENER LA DIFRACCIÓN DE ELECTRONES. ENTRE 1925 Y 1930, CIENTÍFICOS COMO EL ALEMAN WERNER HEISENBERG, EL AUSTRIACO ERWIN SCHRÖDINGER Y EL INGLÉS PAUL DIRAC DESARROLLARON LA MECÁNICA CUÁNTICA.

CON ESTE NUEVO MODELO YA NO SE HABLA DE ÓRBITA (SINO DE ORBITAL), LOS ELECTRONES NO SON COMO PEQUEÑAS BOLITAS DESCRIBIENDO TRAYECTORIAS DETERMINADAS …… UN ORBITAL ATÓMICO ES UNA ZONA EN LA QUE HAY MAYOR PROBABILIDAD DE ENCONTRAR U N ELECTRÓN

Quarks Fueron predichos teóricamente en 1961 por M. Gell-Mann y Y. Ne´eman. Serían los constituyentes fundamentales del protón y neutrón. Hay seis tipos distintos de quarks que los físicos han denominado de la siguiente manera: "up" (arriba), "down" (abajo), "charm" (encanto), "strange" (extraño), "top" (cima) y "bottom" (fondo). Fuerón observadas experimentalmente en colisiones electrón-protón en DESY (Hamburgo) hacia 1968.

1970 1910 1897 1932 1808 1919