Modelos atómicos de la Historia

Química. Átomo. John Dalton. Henry Becquerel. Thomson. Rutherford. Desintegración radiactiva. Reacciones nucleares. Bohr. Espectros

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mODELO ATÓMICO DE DALTON

La idea de átomo fue introducida por los filósofos de la antigua Grecia (en griego a = no, tomos = división) como partícula a la que se llega por sucesivas divisiones de la materia, pero que es en sí misma indivisible.

La hipótesis atómica fue introducida en la ciencia moderna de la mano de John Dalton (1766-1844), estableciendo una conexión firme entre el concepto de átomo y el concepto de elemento químico. Para Dalton las sustancias simples o elementos están formados por átomos iguales entre sí, pero diferentes de un elemento a otro, lo que explicaría que sus propiedades sean también diferentes. Las sustancias compuestas están formadas por átomos compuestos (moléculas) formados por la unión de dos o más átomos simples distintos.

La moderna teoría atómica, al aclarar en qué consiste la estructura interna del átomo, ha precisado el concepto de elemento químico propuesto por Dalton. La noción actual de elemento químico es la de una sustancia compuesta por átomos que poseen un número atómico idéntico y característico de cada elemento. Esta definición, que hace referencia a la estructura del átomo, reemplaza a la operacional de Boyle como sustancia que no puede descomponerse en otras más simples y constituye la etapa final de evolución de un concepto científico.

Sin embargo, los diferentes acontecimientos de la física de finales de siglo vinieron a señalar la existencia de partículas aún más pequeñas que los átomos. En 1885 Henry Becquerel (1852-1908) observó, de un modo fortuito, que unos minerales de uranio emitían radiaciones que eran capaces de impresionar las placas fotográficas y de electrizar el aire convirtiéndolo en conductor. Esta propiedad observada inicialmente para las sales de uranio y de torio recibió el nombre de radiactividad. Este fue uno de los indicios del carácter complejo de los átomos.

MODELO ATÓMICO DE THOMSON

Los experimentos de Crookes sobre descargas eléctricas a altas tensiones en tubos conteniendo gases a una presión reducida habían puesto de manifiesto la existencia de unos rayos que salían del cátodo o polo negativo del tubo y se dirigían al ánodo o polo positivo, como si se tratara de partículas cargadas negativamente. Además, estos rayos catódicos eran desviados por el campo magnético de un imán tal y como había sido observado con anterioridad para las corrientes eléctricas en las experiencias de electromagnetismo.

Para resolver algunas contradicciones surgidas en relación con la naturaleza de los rayos catódicos, J. J. Thomson recibió el encargo de analizar con detalle las características de esta nueva radiación. Estudiando cuidadosamente las desviaciones que experimentaban los rayos catódicos al ser sometidos a campos eléctricos y a campos magnéticos, no sólo demostró claramente que se trataba de chorros de partículas negativas, sino que, además, midió la relación entre su carga y su masa.

Los experimentos y razonamientos de Thomson le permitieron concluir que la masa de cada una de esas partículas eran tan sólo una pequeñísima fracción de la del átomo más sencillo, el del hidrógeno. Así surgió el concepto de electrón como partícula subatómica cargada negativamente y constitutiva de los rayos catódicos, y junto con él la idea de que el átomo es divisible y, por tanto, ha de tener una estructura interna.

El propio Thomson fue el primero en proponer un modelo que describiera cómo estaban constituidos internamente los átomos. Según el modelo de Thomson el átomo consistía en una esfera uniforme de materia cargada positivamente en la que se hallaban incrustados los electrones de un modo parecido a como lo están las semillas en una sandía. Este sencillo modelo explicaba el hecho de que la materia fuese eléctricamente neutra, pues en los átomos de Thomson la carga positiva era neutralizada por la negativa. Además, los electrones podrían ser arrancados de la esfera si la energía en juego era suficientemente importante como sucedía en los tubos de descarga. Sin embargo, no fue capaz de explicar el origen de los espectros atómicos y sus características.

modelo atómico de Rutherford:

Interesado por el fenómeno de la radiactividad, Ernest Rutherford (1871-1937) estudió los rayos emitidos por los materiales radiactivos, determinó su naturaleza y estableció una clasificación entre ellos denominándolos rayos Modelos atómicos de la Historia
, rayosModelos atómicos de la Historia
y rayosModelos atómicos de la Historia
. Los rayos Modelos atómicos de la Historia
correspondían a partículas cargadas positivamente, los rayos Modelos atómicos de la Historia
eran chorros de electrones y los rayos Modelos atómicos de la Historia
consistían en ondas electromagnéticas semejantes a la luz, pero mucho más energéticas.

Sus investigaciones sobre las partículas Modelos atómicos de la Historia
le llevaron a identificarlas como átomos de helio que habían perdido sus electrones. Esta idea de relacionar partículas positivas con fracciones de átomos le permitiría más tarde descubrir el protón como la parte positiva (núcleo) del átomo más sencillo, el de hidrógeno.

Después de comprender su naturaleza, Rutherford decidió emplear las partículas Modelos atómicos de la Historia
como instrumentos para la investigación de la materia. Bombardeó una delgada lámina de oro con partículas Modelos atómicos de la Historia
procedentes de materiales radiactivos observando que, en su mayor parte, las partículas atravesaban la lámina sin sufrir desviaciones y sólo una pequeña fracción era fuertemente desviada. Estos resultados hacían insostenible un modelo compacto de átomo como el propuesto por Thomson y apuntaban a otro en el cual predominasen los espacios vacíos sobre los llenos.

Tomando como base los resultados de sus experimentos, Rutherford ideó un modelo atómico en el cual toda la carga positiva y la mayor parte de la masa del átomo estaban situadas en un reducido núcleo central que denominó núcleo atómico. Los electrones atraídos por fuerzas electrostáticas girarían en torno al núcleo describiendo órbitas circulares de un modo semejante a como lo hacen los planetas en torno al Sol, por efecto en este caso de fuerzas gravitatorias.

El átomo nucleado de Rutherford, también llamado modelo planetario por su semejanza con un diminuto sistema solar, consiguió explicar los resultados obtenidos en la dispersión de partículas Modelos atómicos de la Historia
por láminas metálicas. Según este modelo, la mayor parte de las partículas Modelos atómicos de la Historia
atravesarían los átomos metálicos sin colisionar con el núcleo. La poca densidad de materia de la envoltura electrónica sería una barrera despreciable para este tipo de partículas. Sólo en el caso poco probable de que el proyectil encontrase un núcleo de oro en su camino retrocedería bruscamente debido a la mayor masa de éste.

Sin embargo, por su propia definición el modelo de Rutherford estaba en contradicción con las predicciones de la física clásica, según la cual cuando una carga eléctrica en movimiento curva su trayectoria, emite energía en forma de radiación. Tal pérdida de energía haría al átomo inestable y los electrones, moviéndose en espiral, acabarían precipitándose sobre el núcleo en poco más de una millonésima de segundo. El modelo desarrollado con posterioridad por Niels Bohr iniciaría el camino hacia la solución de este importante enigma.

La desintegración radiactiva

Algunos núcleos atómicos son inestables y sufren transformaciones en su interior, transformaciones que van acompañadas de la emisión de uno o más tipos de partículas. Este fenómeno se conoce como desintegración radiactiva o radiactividad. La desintegración radiactiva supone la transformación de núcleos de un tipo en nuevas especies nucleares que pueden a su vez ser inestables, dando lugar así a una sucesión de elementos radiactivos o serie radiactiva. La mayor parte de los isótopos radiactivos presentes en la naturaleza pertenecen a una de las cuatro series conocidas por el nombre del elemento progenitor o cabeza de la serie. Son la serie del torio (90Th232), la serie del neptunio (92Np237), la serie del uranio (92U238) y la serie del actinio (92Ac235).

Estas transformaciones nucleares van acompañadas de la emisión de partículas Modelos atómicos de la Historia
(núcleos de helio 2He4), de partículas Modelos atómicos de la Historia
(electrones -1eo) o de rayos Modelos atómicos de la Historia
. En el primer caso, al pasar de un elemento a otro de la serie, el número másico A se reduce en 4 unidades y el número atómico Z en dos; en el segundo el número másico no sufre cambio alguno, pero en virtud de la conservación de la carga eléctrica el número de protones Z aumenta en una unidad; la desintegración Modelos atómicos de la Historia
puede considerarse como la conversión de un neutrón en un protón y un electrón, de ahí que A no varíe, pues aunque Z aumenta en una unidad, N disminuye en igual cantidad. La emisión de rayos Modelos atómicos de la Historia
, al tratarse de radiación electromagnética, no cambia ni el número másico A ni el número atómico Z del núcleo inicial.

El periodo de semidesintegración es una magnitud que caracteriza el comportamiento radiactivo de un isótopo. Se define como el tiempo necesario para que el número de núcleos radiactivos de una muestra dada se reduzca a la mitad.

Junto con la radiactividad natural debida a isótopos radiactivos presentes en la naturaleza, es posible generar artificialmente núcleos inestables bombardeando átomos con partículas de elevada energía. Tales partículas pueden romper el núcleo atómico inicialmente estable dando lugar a otros núcleos radiactivos. Estos procesos de transformación nuclear se conocen como reacciones nucleares.

Los isótopos radiactivos tienen un elevado número de aplicaciones en la industria, en la investigación física y biológica y en la medicina. Así se recurre al análisis de un isótopo del carbono C14 para determinar edades de restos fósiles; se utilizan isótopos radiactivos en biología como elementos trazadores, que incorporados a moléculas de interés, permiten seguir su rastro en un organismo vivo. Su empleo en radioterapia hace posible el tratamiento y curación de diferentes tipos de enfermedades cancerosas.

Reacciones nucleares

Las reacciones nucleares son transformaciones de unos núcleos en otros, transformaciones que se consiguen bombardeando un núcleo a modo de blanco con un proyectil, que puede ser una partícula subatómica como el neutrón, un núcleo sencillo como una partícula Modelos atómicos de la Historia
o incluso rayos Modelos atómicos de la Historia
de suficiente energía.

La fisión es un tipo de reacción nuclear en la cual un núcleo pesado, como el de uranio o el de torio, se divide o fisiona, por lo general, en dos grandes fragmentos con una liberación importante de energía.

Un aspecto destacable de las reacciones de fisión es la producción de neutrones que se liberan, bien en el momento de la fisión, bien como consecuencia de la inestabilidad de alguno de los fragmentos producidos. El número medio de neutrones liberado por cada fisión resulta ser superior a dos, lo que sugiere la posibilidad de que estos neutrones producidos puedan dar lugar, a su vez, a una nueva reacción de fisión. Este proceso, que se conoce como reacción en cadena, puede ser controlado como en los reactores nucleares o incontrolado como en la bomba atómica.

La fusión nuclear constituye un proceso de tipo inverso al de la fisión en el cual dos núcleos ligeros se reúnen para formar uno más pesado. Debido a la repulsión electrostática entre los núcleos iniciales, para que se lleve a cabo la fusión es necesario que la energía de aquéllos sea suficiente como para vencer tal repulsión. Dado que la intensidad de ésta aumenta con el número atómico Z, la fusión nuclear sólo se produce en núcleos ligeros, para los cuales la cantidad de energía cinética inicial necesaria es razonable. Aun en tales casos, la fusión requiere energías que implican temperaturas del orden de los 109º K, lo que constituye el principal problema práctico para conseguir controlar el proceso. Las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en estas condiciones se denominan reacciones termonucleares.

MODELO ATÓMICO de Bohr:

En 1911 el joven físico danés Niels Bohr se había desplazado a Inglaterra como investigador visitante, incorporándose finalmente al equipo de Rutherford, en donde tuvo oportunidad de estudiar de cerca el modelo atómico planetario. Sólo unos años más tarde Bohr propondría un nuevo modelo que permitía superar las dificultades del anterior y explicaba, con una excelente precisión, el origen de los espectros atómicos y sus características.

Por aquel entonces los trabajos de Planck y de Einstein, habían introducido en la física la idea de cuantificación. En los fenómenos relacionados con la absorción o la emisión de radiación por la materia la energía variaba de una forma discontinua, como a «saltos» o cuantos. Bohr fue capaz de efectuar la síntesis de ambos esquemas, el modelo planetario de Rutherford y la cuantificación de la energía de Planck-Einstein, construyendo de este modo su teoría del átomo.

Las siguientes ideas fundamentales describen lo esencial de este modelo atómico y se conocen como postulados de Bohr:

1. Las órbitas que describen los electrones en torno al núcleo son estacionarias, es decir, el electrón gira en ellas sin emitir ni absorber energía. A cada órbita le corresponde por tanto una energía definida e igual a la que posee el electrón cuando está en ella.

2. La emisión o la absorción de radiación por un átomo va acompañada de saltos electrónicos de una órbita a otra de diferente energía. La radiación emitida o absorbida tiene una frecuencia Modelos atómicos de la Historia
tal que verifica la ecuación:

E2 - E1 = hModelos atómicos de la Historia

donde E2 y E1 representan las energías correspondientes a las órbitas entre las cuales se produce la transición, siendo h la constante de Planck.

Como se pone de manifiesto en los anteriores postulados, Bohr admite la utilidad de la física clásica para explicar algunos aspectos de su modelo y a la vez la rechaza para explicar otros. El problema de la inestabilidad del átomo planteado con anterioridad para el modelo planetario de Rutherford, lo resuelve Bohr imponiendo el carácter estacionario de las órbitas, lo cual equivale a negar, en ese punto, la validez de la física clásica y aceptar la idea de cuantificación.

Órbitas, niveles de energía y espectros:

El modelo de Bohr fue desarrollado esencialmente para el átomo más sencillo, el de hidrógeno, que consta de un protón y un solo electrón. Sobre la base de sus postulados es posible determinar el radio de las órbitas permitidas, deducir la expresión de la energía que posee el electrón en ellas y explicar la fórmula de Rydberg de los espectros de líneas.

La energía del electrón varía de una forma discontinua. Cada valor En define un nivel o estado energético del electrón. El nivel E1, correspondiente al primer valor del número cuántico n, recibe el nombre de nivel o estado fundamental y los sucesivos E2, E3... se denominan estados excitados. El nivel fundamental corresponde al estado de mínima energía. A medida que crece n, decrece su valor absoluto En, pero debido a su carácter negativo, su valor real aumenta, de ahí que los estados excitados correspondan a niveles energéticos superiores.

El desarrollo de espectroscopios más potentes reveló que las líneas del espectro del hidrógeno no son sencillas, sino que constan de una serie de componentes muy próximas entre sí. A pesar de sus éxitos iniciales, el modelo de Bohr no pudo explicar esta estructura fina de las rayas espectrales del hidrógeno. Para conseguirlo Sommerfeld y Wilson debieron modificar su teoría admitiendo que las órbitas electrónicas eran elipses cuya excentricidad, podía variar, y con ella la energía del electrón.

A pesar de este ajuste teórico, el modelo de Bohr no fue capaz de explicar satisfactoriamente los espectros de átomos complejos. Los físicos de la época tomaron entonces conciencia de que no podían eliminarse los defectos de este modelo introduciendo retoque tras retoque en la teoría. Era necesario renovar los propios fundamentos e idear una nueva mecánica capaz de describir el átomo y explicar completamente sus manifestaciones. Esa nueva teoría, que permite estudiar los sistemas microscópicos como el átomo y la molécula, se conoce como mecánica cuántica.

Niveles de energía y números cuánticos:

La cuantificación de la energía, tal y como se refleja en los espectros atómicos, fue incorporada a la mecánica ondulatoria recurriendo a la noción de ondas estacionarias de De Broglie.La descripción del estado del electrón, definido por las características de su orbital o por la magnitud de su nivel energético correspondiente, resulta depender de cuatro números cuánticos sucesivos:

  • El número cuántico principal se representa por la letra n y da idea de la distancia media que separa el electrón del núcleo. Es el número que en una primera aproximación determina la energía de los posibles estados cuánticos del electrón. Toma valores enteros n = 1, 2, 3 ...

  • El número cuántico secundario se representa por la letra l y está relacionado con la forma geométrica de los orbitales. Desde un punto de vista energético, el número cuántico l describe el estado del electrón en un segundo nivel de refinamiento. Así, cada nivel n se desdobla en otros tantos subniveles l definidos por los valores enteros comprendidos entre 0 y n-1. Este número cuántico permite explicar la llamada estructura fina de los espectros atómicos. En ausencia de campos magnéticos, la energía de un electrón queda determinada por los números cuánticos n y l.

  • El número cuántico magnético se representa por la letra m y da cuenta de las posibles orientaciones espaciales del movimiento orbital del electrón cuando se le somete a la acción de un campo magnético externo. En tales circunstancias el movimiento electrónico es perturbado por la influencia del campo y cada subnivel se desdobla en tantos otros como valores puede tomar m, que son todos los números enteros, incluido el cero, comprendidos entre +l y -l; en total son 2l + 1 valores.

  • El número cuántico de espín se representa por la letra s y puede tomar dos únicos valores: +1/2 y -1/2. El electrón se comporta como si efectuase un movimiento de giro interno (en inglés spin = giro) con dos posibles sentidos de rotación, a derecha y a izquierda; o más exactamente, el electrón se manifiesta como un minúsculo imán cuya orientación, al aplicar un campo magnético externo, sólo puede ser o paralela (s = + 1/2) o antiparalela (s = - 1/2) a la dirección del campo.

  • CONCLUSIÓN

    Tras el descubrimiento del protón, efectuado por Rutherford en 1914, se llegó a la conclusión de que el núcleo atómico estaba formado por protones. El desarrollo de precisas técnicas de medida de masas de átomos y de núcleos atómicos puso de manifiesto que la masa de un núcleo es siempre mayor que la masa de un número de protones igual al número de electrones del átomo correspondiente. Este exceso notable de masa indicaba que otras partículas pesadas, junto con los protones, constituían el núcleo atómico.

    Por sí sola, la presencia de electrones en el núcleo no podía justificar tan importante diferencia de masa, ya que la masa del electrón es más de mil ochocientas veces menor que la del protón, sin embargo podrían neutralizar la carga de los protones de modo que el número de cargas positivas en el núcleo resultase igual al de cargas negativas en la corteza electrónica. De este modo se conseguía explicar la emisión de partículas Modelos atómicos de la Historia
    , identificadas como electrones, en los fenómenos de desintegración radiactiva. El núcleo estaría formado entonces por protones en exceso y electrones.

    En 1932 J. Chadwick descubre el neutrón, una nueva partícula de masa ligeramente superior a la del protón, pero sin carga eléctrica. Sobre esta base experimental Heisenberg propone su teoría del núcleo actualmente en vigor, según la cual el núcleo atómico estaba formado por protones y neutrones. El número de protones coincide con el de electrones y se representa por la letra Z; el número N de neutrones es aproximadamente igual al de protones en los átomos ligeros, pero crece a medida que Z.

    Un átomo cualquiera se representa en la forma ZXA, donde X es el símbolo químico del átomo correspondiente, Z es el número de protones, también llamado número atómico y A es el número másico suma de Z y N. Dos núcleos que teniendo el mismo número de protones difieran en su número de neutrones se denominan isótopos. El hidrógeno 1H1, el deuterio 2H1 y el tritio 3H1 son ejemplos de isótopos. Dado que las propiedades químicas dependen sólo de la composición de la corteza atómica, los isótopos de un elemento dado poseen las mismas propiedades químicas.

    La carga eléctrica no es una propiedad física decisiva para las partículas componentes del núcleo; de ser así la repulsión electrostática entre los protones lo disgregaría instantáneamente. En el interior del núcleo tiene lugar una fuerza de atracción protón-protón, protón-neutrón o neutrón-neutrón, indistintamente, cien veces más intensa que la de repulsión electrostática entre los protones y que se conoce como fuerza nuclear. Debido a que este tipo de fuerzas no dependen de la carga eléctrica, a las partículas constituyentes del núcleo, ya sean protones, ya sean neutrones, se les denomina genéricamente nucleones. La fuerza nuclear es, por tanto, una fuerza de interacción nucleón-nucleón.

    La primera estimación del tamaño del núcleo atómico fue efectuada por Rutherford. Según sus cálculos, el núcleo debía tener un diámetro del orden de 10-15 m frente a los 10-10 m del átomo completo, es decir, unas cien mil veces más pequeño. Ello significa que si un átomo creciese hasta alcanzar el tamaño de la Tierra, su núcleo no sobrepasaría el de un balón de balonmano.

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    Modelos atómicos de la Historia

    ÍNDICE

  • MODELO ATÓMICO DE DALTON

  • MODELO ATÓMICO DE THOMSON

  • MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD:

    • La disgregación radiactiva

    • Reacciones nucleares

  • MODELO ATÓMICO DE BOHR:

    • Órbitas, niveles de energía y espectros

    • Niveles de energía y números cuánticos

  • CONCLUSIÓN