Ejercicios: Los modelos atómicos (de Dalton a Bohr)

En clase de Física, la profesora muestra una bola de billar y dice que así imaginaba Dalton los átomos hacia el año $1805$, como se muestra en la figura.

Explique con sus palabras qué es un átomo según el modelo de Dalton y qué dos propiedades tenía esa «bola».

La abuela de Kevin prepara un pudín con pasas, como el de la figura.

Thomson imaginó el átomo como ese postre: explique qué representa la masa del pudín en su modelo y qué representan las pasas.

Aitana ve en un documental el experimento de la lámina de oro de Rutherford: se lanzaban partículas $\alpha$, con carga positiva, contra una lámina de oro finísima, como se muestra en la figura.

¿Qué les pasó a la gran mayoría de las partículas al llegar a la lámina? ¿Qué conclusión sacó Rutherford sobre el interior del átomo?

En la rueda de la fortuna de una feria solo puede viajar sentado en una cabina, nunca colgado en el aire entre dos cabinas. Bohr propuso algo parecido para los electrones, como se muestra en la figura.

Explique qué dijo Bohr sobre las órbitas de los electrones y en qué se diferenciaba su modelo del de Rutherford.

Unos cromos de «científicos del átomo» traen estas fechas: Thomson, $1897$; Bohr, $1913$; Dalton, $1805$; Rutherford, $1911$. Ordene los cuatro modelos atómicos del más antiguo al más moderno.

El juego favorito de Mario se actualiza cada poco para corregir fallos y añadir mejoras. Con los modelos de la ciencia pasa algo parecido: explique por qué los científicos cambian un modelo por otro nuevo.

En un museo de la ciencia, Leo observa un tubo de rayos catódicos como el que usó Thomson en sus experimentos, parecido al de la figura.

¿Qué partícula descubrió Thomson con ese aparato y qué carga eléctrica tiene?

En la exposición «Los detectives del átomo» hay cuatro paneles descolocados. Empareje cada descripción con su científico: Dalton, Thomson, Rutherford o Bohr.

1. a) «El átomo es una esfera maciza e indivisible.»
2. b) «Los electrones están incrustados en una esfera con carga positiva, como las pasas en un pudín.»
3. c) «Casi todo el átomo está vacío y la carga positiva se concentra en un núcleo muy pequeño.»
4. d) «Los electrones solo pueden ocupar ciertas órbitas permitidas.»

En el experimento de la lámina de oro se observaron tres cosas: la mayoría de las partículas $\alpha$ atravesaban la lámina sin desviarse, unas pocas se desviaban y, muy rara vez, alguna rebotaba hacia atrás, como se muestra en la figura.

Escriba la conclusión que Rutherford sacó de cada una de las tres observaciones.

En un debate de clase, Nora defiende que el experimento de la lámina de oro hundió el modelo de Thomson. Si el átomo fuera de verdad una esfera de carga positiva con electrones incrustados, ¿qué debería haberles pasado a las partículas $\alpha$ al llegar a la lámina? ¿Qué observación del experimento no encaja con esa predicción? Justifique la respuesta.

Al modelo de Rutherford se le llama «modelo planetario» porque recuerda al sistema solar, como se muestra en la figura.

Indique una semejanza y una diferencia entre los planetas que giran alrededor del Sol y los electrones que giran alrededor del núcleo (piense en qué fuerza mantiene unido cada sistema).

Para explicar el modelo de Bohr, un profesor compara una escalera con un tobogán, como en la figura: en la escalera solo puede estar sobre un peldaño, pero en el tobogán puede pararse a cualquier altura.

Relacione cada imagen con uno de los dos modelos, el de Rutherford y el de Bohr, y explique qué representa cada peldaño de la escalera.

Estas cuatro descripciones de modelos atómicos están desordenadas:

1. a) «Los electrones giran alrededor de un núcleo central, como los planetas alrededor del Sol.»
2. b) «El átomo es una bola maciza e indivisible.»
3. c) «Los electrones solo pueden estar en ciertas órbitas permitidas.»
4. d) «El átomo es una esfera positiva con electrones incrustados.»

Ordénelas cronológicamente, del modelo más antiguo al más reciente, y escriba el nombre del científico que propuso cada uno.

Los televisores antiguos de tubo funcionaban con rayos catódicos, los mismos con los que Thomson descubrió el electrón en $1897$. El electrón es una partícula que sale de dentro del átomo: explique por qué este descubrimiento obligó a cambiar el modelo de Dalton.

Cuando Rutherford propuso su modelo no pudo ignorar lo que ya se sabía: por ejemplo, que los átomos son eléctricamente neutros. Explique cómo encaja la neutralidad del átomo en el modelo de Rutherford (núcleo positivo y electrones) y por qué un modelo nuevo debe explicar también los hechos que el anterior ya explicaba bien.

Imagine que en el experimento de la lámina de oro la mayoría de las partículas $\alpha$ hubieran rebotado hacia atrás en lugar de atravesar la lámina. ¿Qué habría concluido Rutherford sobre el interior del átomo en ese caso? ¿A qué modelo de los que conoce se parecería más esa conclusión? Razone las respuestas.

En el experimento de la lámina de oro, de cada $8000$ partículas $\alpha$ lanzadas, unas $7992$ atravesaban la lámina sin desviarse, unas $7$ se desviaban y solo $1$ rebotaba.

1. a) Calcule qué porcentaje de las partículas atravesaba la lámina limpiamente.
2. b) ¿Qué fracción de las partículas lanzadas rebotaba?
3. c) Explique, a partir de estos números, por qué Rutherford afirmó que el átomo está casi vacío y que el núcleo es diminuto.

Para explicar los modelos, un grupo de estudiantes usa una sandía con semillas como imagen del modelo de Thomson.

1. a) Explique qué representa cada parte de la sandía en ese modelo.
2. b) Proponga usted un objeto o una situación cotidiana que represente el modelo de Rutherford y explique qué es cada elemento.
3. c) Ninguna comparación es perfecta: señale un fallo de la imagen de la sandía como modelo del átomo.

En un trabajo, Pablo escribe: «El modelo de Dalton estaba equivocado, así que no sirvió para nada». Usted no está de acuerdo. Explique dos cosas que el modelo de Dalton sí explicaba bien (por qué hay elementos distintos y cómo se combinan sus átomos) y una cosa que no podía explicar y que obligó a cambiarlo.

Escriba una breve entrada de enciclopedia titulada «La historia del átomo en cuatro modelos». Para cada científico (Dalton, Thomson, Rutherford y Bohr) indique qué aportó su modelo y qué observación o experimento lo apoyaba.

Unos científicos repiten el experimento con una lámina de otro metal distinto del oro y observan que ahora rebota el doble de partículas $\alpha$, aunque siguen siendo muy pocas.

1. a) ¿Sigue siendo válida la idea de que el átomo está casi vacío? ¿Por qué?
2. b) Proponga una hipótesis que explique por qué con este metal rebotan más partículas (piense en cómo puede ser su núcleo en comparación con el del oro).
3. c) ¿Qué nuevo experimento haría para comprobar su hipótesis? Razone las respuestas.

El modelo de Rutherford tenía un problema: según la física de la época, un electrón girando alrededor del núcleo debería ir perdiendo energía y acabar cayendo sobre él, como se muestra en la figura, y entonces los átomos no serían estables.

1. a) Explique qué propuso Bohr para evitar esa caída del electrón.
2. b) ¿Por qué decimos que Bohr añadió una «regla nueva» en lugar de limitarse a dibujar mejor las órbitas de Rutherford?

Su primo de ocho años le pregunta por qué en los libros de ciencia cambian los dibujos del átomo. Escríbale una explicación sencilla (puede compararlo con actualizar un mapa cuando se descubre un camino nuevo) contándole cómo se pasó del modelo de Dalton al de Bohr y qué papel jugaron los experimentos en esos cambios.