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Modelo atómico

Modelo Atómico Actual

Modelo Atómico Actual

Es una historia de cómo las ideas cambiaron sobre la naturaleza del átomo. Estas son las notas (y diagramas) que utilizo cuando enseño la naturaleza atómica de la materia a los que no son especialistas en ciencias. Lo mejor de esta historia es que es un gran ejemplo de la ciencia. La ciencia (o los científicos) construyen un modelo. Si aparecen nuevas pruebas, el modelo cambia.

Deberá observar en los libros de introducción y, no de ciencias mayores, y probablemente verá una imagen del átomo. Este modelo tiene algunas buenas ideas, pero en general tiene algunos problemas. La clave (y los puntos no incorrectos) de este modelo son:

  • El átomo se encuentra formado por 3 partículas las cuales son electrones, neutrones y protones.
  • Así como también el espacio en su mayoría se encuentra ocupado por el área donde existen los electrones.
  • Aquellos neutrones y también los protones que se encuentran en el núcleo del átomo, llamado núcleo.

Modelo atómico actual

El físico austriaco Erwin Schrödinger (1887-1961) desarrolló un modelo que es conocido como la nube de electrones esto fue  en 1926. Consistía en un núcleo denso rodeado por una nube de electrones en varios niveles en orbitales. Schrödinger y Werner Heisenberg (1901-1976) determinaron matemáticamente las regiones en las cuales los electrones serían más probables.

La probabilidad de encontrar los electrones en los orbitales a veces se denomina “lóbulos”. Usaron las ecuaciones que se representarían según los comportamientos de estas ondas y del trabajo en ondas de Louis de Broglie (1892-1987) un teórico francés.

Nube de electrones

Aún es imposible ver un solo átomo, incluso con los mejores microscopios del mundo, pero podemos ver imágenes de grupos de átomos y los rastros que dejan. A partir de la década de 1950, los experimentos con aceleradores de partículas y detectores de partículas recién inventados abrieron una nueva era de ” física de partículas”.

Durante el último medio siglo, las partículas individuales fueron identificadas por equipos de investigadores solo en ciertas instalaciones en todo el mundo.   Fermilaben Illinois,  Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) en California, Brookhaven en Nueva York, CERN el Laboratorio Europeo cerca de Ginebra, Suiza, y  DESY en Hamburgo, Alemania continuarán refinando las partículas individuales con cada experimento.

Todavía están trabajando en el descubrimiento de partículas que demostrarán completamente un Modelo Estándar, que no solo explica cómo funcionan los átomos, sino también cómo los que forman parte en los átomos y su Teoría Unificadora.

Teoría de Heisenberg

El nombre de Heisenberg siempre estará asociado con su teoría de la mecánica cuántica, publicada en 1925, cuando solo tenía 23 años. Por esta teoría y las aplicaciones de la misma que resultaron especialmente en el descubrimiento de formas alotrópicas de hidrógeno.

Su nueva teoría se basaba solo en lo que se puede observar, es decir, en la radiación emitida por el átomo. No podemos asignar siempre a un electrón una posición en el espacio en un momento dado, ni seguirlo en su órbita, por lo que no podemos asumir que las órbitas planetarias postuladas por Niels Bohr realmente existen.

Las cantidades mecánicas, como la posición, la velocidad, etc. deben representarse, no mediante números ordinarios, sino mediante estructuras matemáticas abstractas llamadas “matrices”, y formuló su nueva teoría en términos de ecuaciones matricial.

Modelo Atómico ActualMás tarde, Heisenberg declaró su famoso y uno de los populares principios como lo es la incertidumbre que se basa en el impulso de una partícula móvil contiene necesariamente errores cuyo producto no puede ser menor que la constante cuántica.

Aunque estos errores son insignificantes en el A escala humana, no pueden ser ignorados en los estudios del átomo.

A partir de 1957, Heisenberg estuvo interesado en trabajar en problemas de física de plasma y procesos termonucleares, y también trabajó en estrecha colaboración que tuvo al momento con la institución en el departamento de  Física Atómica en Ginebra.

Fue durante varios años Presidente de Política Científica de este Instituto y posteriormente siguió siendo miembro de este Comité.

Cuando llegó al gran Alexander von Humboldt en su fundación, hizo mucho para promover la política de esta Fundación, que era invitar a científicos de otros países a Alemania y ayudarlos a trabajar allí.

Teoría atómica moderna

El modelo del átomo de Bohr es importante porque introdujo el concepto del cuanto al explicar las propiedades atómicas. Sin embargo, el modelo de Bohr finalmente necesitó una revisión porque no pudo explicar la naturaleza de los átomos más complicados que el hidrógeno.

Tardó aproximadamente otra década antes de que se desarrollara una nueva teoría atómica más completa. Louis de Brogllie introduce la dualidad onda o partícula de la materia (1921). La física tradicional (clásica) había asumido que las partículas eran partículas y las ondas eran ondas y eso es todo.

Sin embargo, de Broglie sugirió que las partículas a veces podrían comportarse como ondas, y las ondas a veces podrían ser bahave como partículas, la dualidad onda o partícula de la naturaleza. Sugirió una ecuación simple que relacionaría las dos: las partículas tienen momento (p), las ondas tienen longitudes de onda (l) y las dos están relacionadas por la ecuación

l = h / p

h = constante de Planck = 6.634×10-34 Js

p = (masa) x (velocidad)

  • Esta dualidad de onda o partícula de la naturaleza resultó ser una clave para la nueva teoría atómica.

La física clásica siempre había asumido que la ubicación precisa y la velocidad de los objetos siempre era posible. Heisenberg, sin embargo, descubrió que este no era necesariamente el caso a nivel atómico. En particular, afirmó que el acto de observación interfería con la ubicación y además con las velocidades que pudieran tener en la ubicación de los electrones

Este es el caso porque la observación requiere luz y la luz tiene impulso. Cuando la luz rebota, se puede producir un intercambio de momento electrónico entre la luz y el electrón, lo que significa que la ubicación y la velocidad de los electrones se han alterado por el acto de medición.

Modelo griego del átomo

Siempre tiene que volver a los griegos, ¿no? Bueno, ellos hicieron muchas cosas. Sé que eran realmente científicos, pero todavía es un buen lugar para comenzar. Aquí hay una foto del busto de Demócrito.

En la vida real, probablemente tenía color. A Demócrito se le atribuye la creación del átomo. La pregunta era: ¿qué pasaría si sigues tomando algo (como un árbol), los cuales se rompen en pedazos mucho más pequeños? ¿Sería siempre un trozo de árbol?

¿Podrías seguir rompiéndolo en pedazos cada vez más pequeños? Demócrito dijo que si sigues desglosándolo, llegarías a un tamaño que ya no podría romperse. Esta sería la pieza indivisible. En griego, átomos = indivisible. Así, el átomo. (Sé que hay más para los griegos, pero necesito un lugar para comenzar)

Modelo de Dalton

No voy a entrar en la evidencia experimental para el modelo del átomo de Dalton, aunque es algo bueno. Permítanme decir lo que dijo Dalton:

  • Las cosas se pueden dividir en elementos (las cosas que figuran en la tabla periódica).
  • Los elementos son átomos con masas diferentes.
  • Los compuestos son una combinación de elementos. Ya sabes, como el agua, la sal o la pizza.

Básicamente, Dalton acaba de expandir la idea griega del átomo. Un átomo es una cosa pequeña, y hay diferentes masas con diferentes propiedades.

J. Jonah Jameson Thomson

Thomson jugaba con los rayos catódicos. Estos son solo haces de electrones (pero los rayos catódicos suenan más fríos). Al hacer que el haz interactúe con los campos eléctrico y magnético, Thomson. Entonces, de eso supo que el electrón provenía del átomo.

Thomson tomó la idea del átomo e intentó incorporar la evidencia del electrón. En este modelo, los electrones son las cosas pequeñas y el resto es algo positivo.

Dispersión de Rutherford

Dijo un día “hey, creo que dispararé algunas cosas a los átomos”. Estoy seguro de que su esposa dijo “oh, Ernie” (probablemente ella lo llamó Ernie) “si te hace feliz jugar con tus pequeñas cosas de física, adelante. Sé lo que te gusta”.

Modelo Atómico de Rutherford
Modelo Atómico de Rutherford

Así lo hizo. Disparó algunas partículas alfa (que en realidad son solo el núcleo de un átomo de helio) en una lámina de oro muy delgada. Aquí hay un diagrama de su experimento.

Si disparas estas partículas alfa positivas a este átomo de pudín positivo, deberían rebotar, ¿verdad? Bueno, eso no es lo que pasó. Rutherford descubrió que la mayoría pudieran atravesar cualquier papel incluyendo el aluminio. Algunos de ellos se recuperaron. ¿Cómo podría ser eso si el modelo de pudín vertical era correcto? El experimento de Rutherford provocó un cambio en el modelo atómico.

Si las partículas alfa positivas pasaron en su mayoría a través de la lámina, pero algunas se recuperaron. Y si ya sabían que el electrón era pequeño y negativo, entonces el átomo debe tener un pequeño núcleo.

Modelo Bohr

El modelo propuesto por Niels Bohr es el que verá en muchos textos de introducción a la ciencia. Hay muchas buenas ideas en este modelo, el modelo intenta hacer una conexión entre la luz y los átomos.

Supongamos que tomas un poco de luz y dejas que diferentes colores doblen diferentes cantidades (piensa en el arco iris). De esta manera, podría ver qué colores están presentes para diferentes fuentes de luz. Aquí hay tres fuentes de luz diferentes.

Modelo atómico de Bohr

Entonces, Bohr dijo que estos colores de luz en el gas que puede tener el electrón en el hidrógeno. Y esta es la clave del modelo de Bohr: los electrones SÓLO pueden estar en ciertos niveles de energía en el átomo. Esto es una locura (al menos fue una locura para su época). Puede estar en cualquier nivel de energía. En este caso, hay una fuerza gravitacional que atrae al planeta y produce un movimiento orbital.

Los primeros físicos pensaron en el electrón en un átomo muy parecido a un planeta que orbita alrededor del Sol.

La diferencia clave es que el electrón (en el modelo de Bohr) órbita debido a una interacción eléctrica y no a una interacción gravitacional. Bueno, la otra diferencia en el modelo de Bohr es que el electrón no puede orbitar (si lo hace, que no lo hace) a cualquier distancia y cualquier energía. Aquí está la esencia del modelo de Bohr.

El modelo de Bohr puede ser bastante confuso para los estudiantes de introducción, pero el punto importante es que este modelo está de acuerdo con la siguiente evidencia.

  • Los protones en el núcleo son pequeños en comparación con el tamaño del átomo.
  • Para un elemento en particular, solo se absorben o emiten ciertas frecuencias (colores) de luz.

Modelo de Schrödinger y Heisenberg

Modelo Atómico Actual

Hay un punto clave sobre el modelo de Bohr que ya no se acepta en los modelos actuales del átomo. En el modelo de Bohr, todavía se piensa que los electrones orbitan el núcleo al igual que los planetas orbitan el sol. En realidad, esto es algo que no podemos decir es verdad.

El problema con los átomos y los electrones es que los humanos, excepto ellos, obedecemos las mismas reglas que las bolas de béisbol y los planetas. En realidad, las reglas son las mismas, pero las pelotas de béisbol y los planetas siguen las reglas de la mecánica cuántica sin que los humanos nos demos cuenta.