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Primer Modelo, Primer Paso: John Dalton
Propuesto en varios pasos entre 1803 y 1808, el modelo de Dalton supuso un paso crucial en la historia de la ciencia. Tenía, resumidamente, los siguientes postulados:
1. La materia está hecha de partículas indivisibles: átomos, que ni se crean ni se destruyen.
2. Dado un elemento, todos sus átomos tienen misma masa y propiedades.
3. Átomos de elementos distintos se pueden mezclar en distintas proporciones y dar lugar a compuestos diferentes.
4. Átomos se mezclan en relaciones numéricas simples. -
Primera Tabla Periódica: Dmitri Mendeléyev
Mendeléyev dispuso todos los elementos que se conocían en aquella época (60) en función de la masa atómica, dejando huecos que no sabía cómo rellenar. Por supuesto, faltaban elementos, había masas atómicas mal calculadas y modificó el orden de algunos elementos sin explicar por qué; sin embargo, eso no impide que sea un evento histórico de gran relevancia gracias al descubrimiento de la Ley Periódica: si se ordenan los elementos de acuerdo a su masa atómica, ciertas propiedades se repiten. -
Eugen Goldstein Vislumbra el Protón en los Rayos Canales
Aunque no se le acredite este descubrimiento, Goldstein había estado estudiando rayos catódicos (descubiertos entre 1858 y 1859) compuestos por cationes. Utilizando rayos canales (es decir, rayos formados por el choque de los electrones con un gas encerrado en un tubo), calculó la razón carga/masa. Esta cambiaba en base a los gases de los tubos. Aún así, lo que Goldstein vio no fueron protones como tal, sino simplemente cationes. Aún así, este estudio fue vital para el modelo atómico de Thomson. -
El Tubo de Crookes que Desembocaría en el Descubrimiento del Electrón por Parte de Thomson
El tubo de Crookes es una versión más desarrollada del tubo de Geissler. Se trata de un cono hecho de vidrio que posee un ánodo y dos cátodos. Dentro hay gases que, al aplicarles electricidad, adquieren fluorescencia. Crookes resolvió que esto se debía a rayos catódicos (es decir, electrones en movimiento). Además, al colocar una cruz frente a los rayos, se proyectaba una sombra, lo que mostraba que los rayos tenían masa; y puso imanes que retocaban su trayectoria, luego, tenían carga negativa. -
Descubrimiento del Efecto Zeeman: 20 Años Después, Aparecerá el Número Cuántico Magnético
Al aplicar un campo magnético a un espectro atómico, las líneas se desdoblan incluso más: la orientación de los orbitales se modifica en función del subnivel. 20 años más tarde, se introduce el número cuántico magnético, "m", cuyos valores son: - L ... , 0 , ... L. Por ejemplo, para L = 2, tenemos m = - 2, - 1, 0, 1, 2.
Los orbitales están orientados, entonces, en diferentes ejes de acuerdo a los subniveles de energía. Pero, como se ha dicho antes, esto será importante más adelante. -
Descubrimiento Formal del Electrón por Joseph John Thomson
En 1896, Thomson y sus colegas realizaron una serie de experimentos que pusieron en evidencia que los rayos catódicos no eran ni átomos, ni moléculas, ni ondas, sino partículas únicas que, en base a las mismas estimaciones de Thomson, tenían una milésima parte de la masa del ion hidrógeno. También demostró que la proporción carga/masa era independiente al material del cátodo empleado.
En un principio, Thomson denominó a estas partículas "corpúsculos". -
Pastel de Pasas Atómico: Joseph John Thomson y el Segundo Modelo
Thomson decidió crear su propio modelo atómico al observar los errores en el de Dalton, introduciendo el electrón que él mismo había descubierto gracias al tubo de Crookes. Según Thomson, el átomo era una esfera cargada positivamente que tenía electrones incrustados. Estos se distribuían uniformemente en el interior del átomo.
Tenía insuficiencias (por ejemplo, no explicaba la Ley Periódica de Mendeléyev, y las cargas positivas no se distribuían así), pero fue, nuevamente, otro paso crucial. -
El Experimento de la Lámina de Oro de Rutherford
En este experimento, se emitió un rayo de partículas alfa contra una lámina de oro muy delgada. La mayor parte de las partículas atravesaron la lámina y contactaron con una pantalla luminiscente que destellaba cuando las partículas impactaban contra ella, pero unas pocas se desviaron levemente y un número todavía más pequeño se desvió 90º o más de su trayectoria inicial. Este experimento no se podía explicar con el modelo de Thomson: la carga positiva debía estar concentrada en una región densa. -
Espectros Atómicos: Precedentes de otro Modelo que Haría Historia
Si hacemos pasar una corriente eléctrica por un tubo que contiene gas caliente de un determinado elemento a baja presión, obtenemos su espectro de emisión. También tenemos el espectro de absorción, que aparece cuando un determinado elemento en estado gaseoso (gas frío) es atravesado por una luz que luego se refracta en un prisma. Los espectros de emisión y absorción son complementarios y característicos de cada elemento, Bohr los explicaría más adelante. No hay año concreto. -
Sistema Planetario de Partículas: el Modelo Atómico de Ernest Rutherford
Basado en su experimento de la lámina de oro, Rutherford dedujo que había "vacío" en los átomos: la carga positiva estaba concentrada en una pequeña región densa llamada "núcleo", que contenía la mayoría de la masa. Los electrones, de carga negativa, orbitaban alrededor del núcleo positivo. Había cosas que el modelo no explicaba, como, ¿por qué los electrones no caían hacia el núcleo? ¿Qué mantenía unido al núcleo? De todos modos, el modelo de Rutherford fue un gran avance. -
Carga del Electrón en una Gota de Aceite: Robert Millikan y Harvey Fletcher
En 1912, Millikan y Fletcher idearon un experimento para determinar la carga de un único electrón: suspendían gotas de aceite cargadas (cuya densidad conocían) entre dos electrodos acelerados. Empleando un campo magnético y repitiendo el experimento, confirmaron que todas las cargas eran múltiplos de un valor fundamental.
Se dice que Millikan (que sale como único autor del experimento tras un trato injusto con Fletcher) seleccionó ciertos datos y omitió otros. -
Postulados del Modelo Atómico de Niels Bohr
Gracias a los espectros atómicos, Bohr propuso los siguientes postulados:
1. Electrones giran en orbitales estables alrededor del núcleo.
2. Órbitas cuantizadas: radio fijo y energía fija.
3. Si un electrón pasa de una órbita a otra, absorbe o emite energía en forma de fotón. De nivel exterior a interior, emite un fotón, pierde energía, gana estabilidad. De interior a exterior, absorbe un fotón, gana energía, pierde estabilidad. Diferencia entre niveles es la energía correspondiente al tránsito. -
Relatividad y el Átomo: Ampliación de Arnold Sommerfeld
Como hemos visto, el átomo tiene niveles de energía representados con números enteros crecientes (n = 1,2,3...). Pero Sommerfeld añade subniveles, pues el modelo de Bohr se queda escaso para átomos que no sean del H; así explica, además, los desdoblamientos de las líneas de los espectros. También aplicó cálculos relativistas para la velocidad del electrón. Concluimos que los electrones pueden girar en órbitas elípticas, como bien expresa el número cuántico azimutal. -
Definición del Primer Número Cuántico: Modelo de Bohr-Sommerfeld
Como hemos visto, el electrón puede girar en órbitas elípticas, en subniveles de energía (a partir de n = 2). Estos subniveles se representan con la letra "L", cuyos valores varían desde L = 0 hasta L = n - 1. Luego, si estamos en el nivel 3, L puede valer 0, 1 o 2.
Cada subnivel tiene un nombre: si L = 0, entonces es un orbital "s" o "sharp"; si L = 1, entonces "p" o "principal"; si L = 2, entonces "d" o "diffuse; y si L = 3, entonces "f" o "fundamental": el átomo tiene niveles y subniveles. -
El Descubrimiento Acreditado a Rutherford: el Protón
En 1918, Rutherford disparó partículas alfa contra nitrógeno en estado gaseoso. Los detectores que rodeaban el nitrógeno centellearon mostrando signos de que núcleos de hidrógeno habían impactado contra ellos. Según Rutherford, estos núcleos debían venir del mismo nitrógeno; por consiguiente, el núcleo de hidrógeno debía ser otra partícula fundamental presente, a su vez, en el resto de elementos. Se trataba, pues, del protón. -
Introducción del Spin por Ralph Kronig: Cuarto Número Cuántico
En 1925, Kronig introdujo la idea de que los electrones giran sobre sí mismos en uno de dos sentidos (+ 1/2, - 1/2), convirtiéndolo en un imán diminuto. Esto explicaba por qué al aplicar un campo magnético y al mejorar la resolución, las líneas de los espectros se desdoblaban todavía más. Hablábamos, entonces, del spin, representado por la letra "s". Como hemos dicho antes, sus valores son + 1/2 o - 1/2.
Gracias al spin, el modelo atómico que nosotros estudiamos, se completó. -
Descubrimiento del Neutrón: James Chadwick
Aunque fue concebida primeramente por Rutherford, fue Chadwick quien demostró su existencia a través de unos experimentos en los que bombardeaba berilio con partículas alfa, experimentos cuyos resultados no encajaban con aquellos predichos por las fórmulas físicas: la masa de protones y electrones no coincidía con la masa total y, además, la energía producida por la radiación de las colisiones era demasiado elevada. Como el momento se conserva en las colisiones, debía haber otra partícula.