Los modelos atómicos (de Dalton a Bohr)

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

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

En un trabajo, Pablo escribe: «El modelo de Dalton estaba equivocado, así que no sirvió para nada». No estás de acuerdo. Explicá 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.

La abuela de Mateo prepara un budín con pasas de uva, como el de la figura.

Thomson imaginó el átomo como ese postre: explicá qué representa la masa del budín en su modelo y qué representan las pasas de uva.

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?

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: explicá por qué este descubrimiento obligó a cambiar el modelo de Dalton.

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

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

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 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.

Escribí 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? Justificá la respuesta.

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

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

Cuando Rutherford propuso su modelo no pudo ignorar lo que ya se sabía: por ejemplo, que los átomos son eléctricamente neutros. Explicá 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.

Imaginá 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 conocés se parecería más esa conclusión? Razoná 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) Calculá qué porcentaje de las partículas atravesaba la lámina limpiamente.
2. b) ¿Qué fracción de las partículas lanzadas rebotaba?
3. c) Explicá, a partir de estos números, por qué Rutherford afirmó que el átomo está casi vacío y que el núcleo es diminuto.

Las partículas $\alpha$ tienen carga positiva, igual que el núcleo del átomo, como se muestra en la figura.

1. a) Explicá, usando las fuerzas entre cargas eléctricas, por qué una partícula $\alpha$ que pasa cerca del núcleo se desvía de su camino.
2. b) ¿Por qué las partículas que rebotan hacia atrás son precisamente las que se acercan más al núcleo?
3. c) Si la lámina se bombardeara con partículas sin carga, ¿esperarías ver los mismos desvíos? Justificalo.

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) Proponé una hipótesis que explique por qué con este metal rebotan más partículas (pensá en cómo puede ser su núcleo en comparación con el del oro).
3. c) ¿Qué nuevo experimento harías para comprobar tu hipótesis? Razoná las respuestas.

En la noria de una feria solo podés 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.

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

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

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

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) Explicá 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?

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

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

En la exposición «Los detectives del átomo» hay cuatro paneles descolocados. Emparejá 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 budín.»
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.»

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.»

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

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

Tu primo de ocho años te pregunta por qué en los libros de ciencia cambian los dibujos del átomo. Escribile una explicación sencilla (podés 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.