Desarrollo Histórico de los Modelos Atómicos: De Thomson a la Cuantización de Bohr

Los Primeros Pasos: Rayos Catódicos y el Descubrimiento del Electrón

El Experimento de William Crookes y los Rayos Catódicos

William Crookes observó que si en un tubo de vidrio que contiene gas a muy baja presión se introducen dos electrodos y entre ellos se aplica una diferencia de potencial elevada, aparece una corriente que parte del electrodo negativo o cátodo y viaja hasta el positivo o ánodo. Allí choca con el vidrio, produciendo una luminiscencia. El alemán Eugen Goldstein llamó a estos flujos rayos catódicos.

Se demostró que los rayos catódicos poseen las siguientes propiedades:

• Viajan en línea recta (hacen sombra).
• Tienen carga eléctrica negativa (se desvían por los campos eléctricos).
• Poseen masa (hacen girar un molinete).

La Contribución de J.J. Thomson y la Relación Carga/Masa

Más tarde, Thomson estudió el grado de desviación de los rayos catódicos en presencia de campos eléctricos y magnéticos y demostró que se trataba de partículas cargadas negativamente (electrones). Además, halló su relación carga/masa (e/m).

La relación carga/masa es la misma independientemente del tipo de gas existente en el tubo, la fuente de electricidad empleada o la composición de los electrodos. Esto hizo pensar que los electrones debían estar presentes en todos los átomos.

El Modelo Atómico de Thomson (Modelo del Pudín de Pasas)

Thomson sugirió un modelo que permitiría encajar a los recién descubiertos electrones dentro de un átomo eléctricamente neutro. Imaginó a los átomos como esferas macizas y de carga positiva neutralizada. La adición de nuevos electrones dotaría al átomo de una carga negativa, mientras que la pérdida le proporcionaría una carga positiva.

Eugen Goldstein y los Rayos Canales

Goldstein observó en un tubo de rayos catódicos con un cátodo perforado unos nuevos rayos que atravesaban los orificios. Fueron llamados rayos canales, que viajaban hacia el electrodo negativo. Los rayos canales también se propagan en línea recta y son desviados por la acción de campos magnéticos y eléctricos.

La relación de carga/masa de estos nuevos rayos sí que depende de la naturaleza del gas encerrado en el tubo, lo que hizo pensar que su origen estaba en los choques de los rayos catódicos con los átomos del gas, a los que arrancaban algunos electrones y convertían en iones positivos.

MODELO DE RUTHERFORD: El Átomo Nuclear

El Experimento de la Lámina de Oro

Rutherford realizó un experimento crucial sobre cómo se distribuyen los electrones y los protones en el átomo. Dirigió sobre una lámina de oro fina un haz de partículas alfa procedentes de una fuente radiactiva, las cuales actuaban a modo de proyectil. Al incidir sobre la lámina de oro, la atravesaban y llegaban a una pantalla con sulfuro de Zinc (Zn) donde producían un destello luminoso.

Los resultados fueron sorprendentes:

1. La mayoría de las partículas pasaban a través de la lámina en dirección recta.
2. Otras sufrían desviaciones.
3. Incluso algunas rebotaban.

Rutherford concluyó que si la masa y la carga del átomo estuviesen distribuidas de manera uniforme (como proponía Thomson), las partículas no tendrían por qué desviarse. El átomo, según Rutherford, contenía una zona con carga positiva muy pequeña y extremadamente densa; eso explicaba el rebote. Él lo llamó núcleo.

Estructura del Modelo Atómico de Rutherford

Según el nuevo modelo atómico, este consta de dos partes principales:

• Núcleo

  Ocupa una fracción muy pequeña del volumen total, acapara la mayor parte de su masa y está cargado positivamente con protones.

• Corteza

  Es una extensa zona donde los electrones giran alrededor del núcleo. Dicha zona ocupa la mayor parte del volumen atómico, y la masa de los electrones es tan pequeña que se puede considerar que la corteza es una zona de vacío.

Rutherford sugirió la existencia de una tercera partícula sin carga que tiene una masa parecida a la del protón y que estabiliza el núcleo (el neutrón, descubierto posteriormente por Chadwick).

MODELO DE BOHR: La Cuantización de la Energía

Antecedentes: Espectros y la Hipótesis de Planck

Los espectros de luz fueron estudiados por Isaac Newton, quien denominó al conjunto de los siete colores espectro continuo de luz (obtenido mediante un prisma). Este fenómeno se debe a que las distintas radiaciones o colores que componen cualquier luz compleja no se propagan con la misma velocidad al atravesar los diversos medios transparentes y, por tanto, se desvían con distintos ángulos de refracción.

El alemán Max Planck lanzó una hipótesis revolucionaria que decía que los cuerpos emiten o absorben la energía en forma de paquetes o cuantos de energía. Los átomos no emiten ni absorben cualquier cantidad de energía, sino solo aquellas que sean múltiplos enteros de un valor mínimo.

Postulados de Bohr

Teniendo en cuenta los espectros atómicos y la teoría de Planck, Bohr sugirió que en el átomo los electrones giran en torno al núcleo solo en ciertas órbitas estables donde no pierden energía; les llamó estacionarias.

Las únicas órbitas permitidas son aquellas cuya energía (niveles de energía) adopta valores determinados. Cuanto más alejado esté el nivel del núcleo, mayor será su energía. Un electrón puede saltar de un nivel menor a uno mayor absorbiendo energía, o saltar de un nivel mayor a otro menor, emitiendo ese exceso en forma de radiación (fotón).