Modelos atómicos clásicos
Cada diciembre, el Festival de la Luz llena las calles de San José de luces y fuegos artificiales rojos, amarillos y verdes. ¿Por qué cada color es tan puro y específico? Para responderlo hay que mirar dentro del átomo. En poco más de un siglo se pasó de la bolita maciza de Dalton a los niveles de energía de Bohr, y cada cambio lo forzó un experimento que derrumbó el modelo anterior. Al final de la página volveremos a los fuegos artificiales.
Dalton, Thomson y Rutherford
Si frota una regla de plástico con su suéter, atrae pedacitos de papel. La materia neutra esconde cargas eléctricas que pueden separarse. ¿Cómo debe ser un átomo para ser neutro y, aun así, contener cargas?
Dalton explicaba la química de su época: si los átomos no se crean ni se destruyen, solo se reordenan en una reacción, la masa total se conserva. Y si cada compuesto se forma con átomos de cada elemento en cantidades fijas, el agua siempre tiene hidrógeno y oxígeno en la misma proporción.
Los rayos catódicos son un haz de electrones que viaja dentro del tubo, del electrodo negativo (cátodo) al positivo; los antiguos televisores de tubo los usaban para formar la imagen. Thomson usó dos placas cargadas a los lados del tubo: el haz se desviaba hacia la placa positiva, así que sus partículas son negativas. Con gases distintos obtuvo siempre las mismas partículas, así que el electrón es un constituyente de toda la materia. Esto refutó la idea de Dalton de que el átomo es indivisible.
En $1897$, J. J. Thomson experimentó con tubos de rayos catódicos, unos tubos de vidrio casi vacíos con dos electrodos conectados a un voltaje muy alto. El esquema de…
En $1897$, J. J. Thomson experimentó con tubos de rayos catódicos, unos tubos de vidrio casi vacíos con dos electrodos conectados a un voltaje muy alto. El esquema de uno de esos tubos se muestra en la figura.
¿Qué partícula descubrió Thomson gracias a esos experimentos? ¿Qué carga eléctrica tiene esa partícula y de dónde salía, según su interpretación?
En el experimento de la lámina de oro se observaron tres cosas: la mayoría de las partículas $\alpha$ atravesaban la lámina sin desviarse, una fracción pequeña se…
En el experimento de la lámina de oro se observaron tres cosas: la mayoría de las partículas $\alpha$ atravesaban la lámina sin desviarse, una fracción pequeña se desviaba con ángulos grandes y unas poquísimas rebotaban hacia atrás. La figura resume esas tres observaciones.
- a) Escriba la conclusión que Rutherford obtuvo de cada una de las tres observaciones.
- b) ¿Qué habría predicho para este experimento el modelo de Thomson? ¿Por qué no se cumplió esa predicción?
El diámetro de un átomo es del orden de $10^{-10}\ \text{m}$ y el de su núcleo, del orden de $10^{-15}\ \text{m}$. a) Calcule cuántas veces es mayor el diámetro del…
El diámetro de un átomo es del orden de $10^{-10}\ \text{m}$ y el de su núcleo, del orden de $10^{-15}\ \text{m}$.
- a) Calcule cuántas veces es mayor el diámetro del átomo que el del núcleo.
- b) Si el núcleo tuviera el tamaño de una bolinca de $1\ \text{cm}$ de diámetro, ¿qué diámetro tendría el átomo a esa escala? Exprese el resultado en kilómetros.
El problema de estabilidad del átomo de Rutherford
En el modelo de Rutherford los electrones giran alrededor del núcleo como planetas alrededor del Sol. Pero según el electromagnetismo clásico, una carga acelerada emite radiación y pierde energía. Un electrón que gira cambia constantemente de dirección, es decir, acelera.
Imagine que el modelo de Thomson fuera correcto y el átomo fuera una esfera blanda de carga positiva con los electrones incrustados. a) ¿Qué les pasaría a las partículas…
Imagine que el modelo de Thomson fuera correcto y el átomo fuera una esfera blanda de carga positiva con los electrones incrustados.
- a) ¿Qué les pasaría a las partículas $\alpha$ al atravesar la lámina de oro según ese modelo? ¿Podrían llegar a rebotar? Razone la respuesta pensando en cómo está repartida la carga y la masa.
- b) ¿Qué observación del experimento real demuestra que ese modelo es falso?
- c) Explique por qué, para que una partícula $\alpha$ pueda rebotar, la carga positiva y casi toda la masa deben estar concentradas en un espacio muy pequeño.
Bohr: niveles de energía permitidos
En 1913, Niels Bohr resolvió la contradicción con un postulado: una regla nueva que se acepta porque sus consecuencias coinciden con el experimento, aunque todavía no pueda deducirse de principios más profundos.
El segundo postulado resuelve la estabilidad: si el electrón no irradia en su nivel, no cae. El tercero explica por qué los átomos emiten solo ciertos colores: si las energías permitidas son discretas, también lo son sus diferencias, y con ellas la energía (y el color) de los fotones.
En $1913$, Niels Bohr aplicó las nuevas ideas cuánticas al átomo de hidrógeno. Explique qué postuló Bohr sobre las órbitas de los electrones y qué ocurre, según su…
En $1913$, Niels Bohr aplicó las nuevas ideas cuánticas al átomo de hidrógeno. Explique qué postuló Bohr sobre las órbitas de los electrones y qué ocurre, según su modelo, cuando un electrón salta de una órbita permitida a otra inferior.
Una revista de divulgación publica cuatro citas sin decir quién las escribió. Atribuya cada una a Dalton, Thomson, Rutherford o Bohr: a) «El átomo es una esfera maciza e…
Una revista de divulgación publica cuatro citas sin decir quién las escribió. Atribuya cada una a Dalton, Thomson, Rutherford o Bohr:
- a) «El átomo es una esfera maciza e indivisible.»
- b) «El átomo es una esfera de carga positiva con los electrones incrustados en ella.»
- c) «La carga positiva y casi toda la masa se concentran en un núcleo diminuto.»
- d) «Los electrones solo pueden ocupar ciertas órbitas, con energías bien definidas.»
Los espectros atómicos
Los fuegos artificiales deben sus colores a sales metálicas: el estroncio da rojo, el sodio amarillo y el cobre azul verdoso. En el laboratorio ocurre lo mismo en la prueba a la llama: la sal común tiñe de amarillo la llama de un mechero. ¿Por qué cada elemento da colores tan específicos y no luz blanca?
La explicación es el modelo de Bohr: cada elemento tiene sus propios niveles de energía, así que sus saltos producen fotones de energías (colores) propias. Y como la luz de una estrella también lleva esas líneas, se puede conocer su composición sin traer muestras.
Los antiguos televisores de tubo funcionaban con un cañón que lanzaba un haz de electrones contra la pantalla. a) ¿Qué son los rayos catódicos? b) ¿Qué observación…
Los antiguos televisores de tubo funcionaban con un cañón que lanzaba un haz de electrones contra la pantalla.
- a) ¿Qué son los rayos catódicos?
- b) ¿Qué observación experimental demuestra que están formados por partículas con carga eléctrica y no por una forma de luz?
Los límites del modelo de Bohr y el neutrón que faltaba
Bohr explicaba muy bien el espectro del hidrógeno, con un único electrón. En átomos con más electrones, que además se repelen entre sí, sus predicciones fallaban.
Había otro problema, de masa: hasta 1932 los núcleos pesaban más del doble de lo que pesarían con solo protones. James Chadwick bombardeó berilio con partículas $\alpha$ y obtuvo una radiación muy penetrante, que no se desviaba con campos eléctricos (no tiene carga) y arrancaba protones de una lámina de parafina. Había descubierto el neutrón, partícula sin carga que, junto con los protones, forma el núcleo y explica el exceso de masa.
En una línea del tiempo del aula de Física aparecen estos hitos desordenados: modelo de Rutherford ($1911$), modelo de Dalton ($1808$), modelo de Bohr ($1913$) y modelo…
En una línea del tiempo del aula de Física aparecen estos hitos desordenados: modelo de Rutherford ($1911$), modelo de Dalton ($1808$), modelo de Bohr ($1913$) y modelo de Thomson ($1897$). Ordene los cuatro modelos del más antiguo al más moderno y escriba el nombre popular con el que se conoce el modelo de Thomson.
En $1932$, Chadwick bombardeó berilio con partículas $\alpha$ y obtuvo una radiación muy penetrante que no se desviaba con campos eléctricos y que era capaz de arrancar…
En $1932$, Chadwick bombardeó berilio con partículas $\alpha$ y obtuvo una radiación muy penetrante que no se desviaba con campos eléctricos y que era capaz de arrancar protones de una lámina de parafina: había descubierto el neutrón. El montaje del experimento se muestra en la figura.
- a) ¿Por qué una radiación sin carga no se desvía con campos eléctricos?
- b) Razone por qué el neutrón fue mucho más difícil de detectar que el electrón o que la partícula $\alpha$.
- c) Los núcleos conocidos pesaban más del doble de lo que pesarían si solo contuvieran protones: explique cómo el descubrimiento del neutrón resolvió ese problema del modelo nuclear.
Escriba un breve artículo divulgativo titulado «Del billar al salto cuántico: un siglo de modelos del átomo». a) Para cada modelo (Dalton, Thomson, Rutherford y Bohr),…
Escriba un breve artículo divulgativo titulado «Del billar al salto cuántico: un siglo de modelos del átomo».
- a) Para cada modelo (Dalton, Thomson, Rutherford y Bohr), resuma su imagen del átomo y el experimento o el hecho que lo motivó.
- b) Señale qué conservó cada modelo del anterior y qué tuvo que cambiar.
- c) Concluya explicando qué papel juegan los experimentos en la evolución de los modelos científicos.
Vuelva al principio: los colores del Festival de la Luz salen de átomos de estroncio, sodio o cobre calentados: sus electrones saltan entre niveles propios de cada elemento y devuelven la energía como fotones de colores característicos. Y el acero de una viga no se desintegra porque, según Bohr, los electrones en sus niveles estacionarios no pierden energía.