Modelos atómicos clásicos
Cada noche de Carnaval en Santiago de Cuba, el cielo se llena de 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 frotas una regla de plástico con tu pulóver, 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 el haz de partículas que sale del electrodo negativo (el cátodo) de un tubo casi vacío; es lo que, con otro diseño, formaba la imagen de los viejos televisores de tubo. Que son partículas con carga y no luz lo demuestra que un campo eléctrico o un imán desvían el haz, y la luz no se desvía así.
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.
Cuando John Dalton propuso su modelo atómico en $1808$, imaginó los átomos como diminutas esferas macizas. Explica con tus palabras las dos ideas principales de su…
Cuando John Dalton propuso su modelo atómico en $1808$, imaginó los átomos como diminutas esferas macizas. Explica con tus palabras las dos ideas principales de su modelo: qué es un átomo según Dalton y en qué se diferencian los átomos de un elemento de los de otro elemento distinto.
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 $1911$, Rutherford y sus colaboradores bombardearon una lámina de oro finísima con partículas $\alpha$, que tienen carga positiva. ¿Qué les ocurrió a la inmensa…
En $1911$, Rutherford y sus colaboradores bombardearon una lámina de oro finísima con partículas $\alpha$, que tienen carga positiva. ¿Qué les ocurrió a la inmensa mayoría de las partículas al llegar a la lámina? ¿Qué conclusión sacó Rutherford sobre cómo es el interior del átomo?
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?
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) Escribe 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) Calcula 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) Calcula cuántas veces es mayor el diámetro del átomo que el del núcleo.
- b) Si el núcleo tuviera el tamaño de una bola de $1\ \text{cm}$ de diámetro, ¿qué diámetro tendría el átomo a esa escala? Expresa el resultado en kilómetros.
Imagina 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…
Imagina 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? Razona 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) Explica 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.
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.
Según la física clásica, un electrón que gira alrededor del núcleo debería perder energía continuamente emitiendo luz y acabar cayendo sobre el núcleo en una fracción de…
Según la física clásica, un electrón que gira alrededor del núcleo debería perder energía continuamente emitiendo luz y acabar cayendo sobre el núcleo en una fracción de segundo: el modelo de Rutherford hacía los átomos inestables.
- a) ¿Qué postuló Bohr sobre las «órbitas estacionarias» para evitar esa catástrofe?
- b) ¿Qué significa que Bohr introdujera un «postulado» en lugar de deducirlo de las leyes conocidas? ¿Qué justifica aceptar un postulado nuevo en ciencia?
- c) ¿Qué hecho experimental, inexplicable para el modelo de Rutherford, sí explicaba el modelo de Bohr gracias a sus niveles de energía?
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. Explica 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. Explica 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.
Un tubo de descarga lleno de hidrógeno brilla con una luz rosada que, vista a través de un espectroscopio, se separa en unas pocas líneas de colores bien definidas.…
Un tubo de descarga lleno de hidrógeno brilla con una luz rosada que, vista a través de un espectroscopio, se separa en unas pocas líneas de colores bien definidas. Observa el montaje en la figura:
- a) Explica, con ayuda del modelo de Bohr, por qué el hidrógeno emite solo ciertos colores y no un arcoíris continuo.
- b) ¿Qué relación hay entre la energía del salto del electrón y el color de la línea emitida?
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 de la escuela ocurre lo mismo en el ensayo 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 fuegos artificiales deben sus colores a las sales que llevan: el estroncio da luz roja, el sodio, amarilla, y el cobre, azul verde. Cada elemento, al calentarse,…
Los fuegos artificiales deben sus colores a las sales que llevan: el estroncio da luz roja, el sodio, amarilla, y el cobre, azul verde. Cada elemento, al calentarse, emite luz de unos colores característicos que forman su espectro de emisión. Explica qué es el espectro de un elemento y por qué se dice que es como su huella dactilar.
En $1868$, al estudiar el espectro de la luz del Sol durante un eclipse, se observó una línea amarilla que no correspondía a ningún elemento conocido en la Tierra. Se…
En $1868$, al estudiar el espectro de la luz del Sol durante un eclipse, se observó una línea amarilla que no correspondía a ningún elemento conocido en la Tierra. Se propuso que pertenecía a un elemento nuevo, bautizado helio, del griego helios, «Sol».
- a) Explica cómo es posible conocer la composición química de una estrella sin traer muestras de ella.
- b) ¿Qué tiene que ver este descubrimiento con la idea de que cada elemento posee un espectro característico?
El espectro visible del hidrógeno presenta líneas a $656\ \text{nm}$ y $486\ \text{nm}$; el del helio, a $588\ \text{nm}$ y $447\ \text{nm}$. Se analiza la luz de un…
El espectro visible del hidrógeno presenta líneas a $656\ \text{nm}$ y $486\ \text{nm}$; el del helio, a $588\ \text{nm}$ y $447\ \text{nm}$. Se analiza la luz de un tubo de descarga que contiene un gas desconocido y aparecen líneas a $656\ \text{nm}$, $486\ \text{nm}$, $588\ \text{nm}$ y $447\ \text{nm}$. La figura muestra el espectro observado.
- a) ¿Qué gas o gases contiene el tubo? Justifica la respuesta.
- b) ¿Bastaría observar una única línea, por ejemplo la de $588\ \text{nm}$, para afirmar con seguridad que hay helio? Razona qué papel juega el conjunto completo de líneas en la identificación.
- c) Este método permitió descubrir el helio en el Sol antes de encontrarlo en la Tierra: explica por qué el análisis espectral es una herramienta tan potente en astronomía.
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 ($1897$). Ordena los cuatro modelos del más antiguo al más moderno y escribe el nombre popular con el que se conoce el modelo de Thomson.
Una revista de divulgación publica cuatro citas sin decir quién las escribió. Atribuye 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. Atribuye 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.»
Escribe 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),…
Escribe 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), resume su imagen del átomo y el experimento o el hecho que lo motivó.
- b) Señala qué conservó cada modelo del anterior y qué tuvo que cambiar.
- c) Concluye explicando qué papel juegan los experimentos en la evolución de los modelos científicos.
Vuelve al principio: los colores de los fuegos artificiales del Carnaval 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 una viga de acero no se desintegra porque, según Bohr, los electrones en sus niveles estacionarios no pierden energía.