La Evolución del Átomo: Historia y Descubrimiento de las Partículas Subatómicas

Los Orígenes del Concepto Atómico

Los filósofos griegos Leucipo y Demócrito, en el siglo IV a.C., pensaban que si se dividía la materia de forma sucesiva se obtendría una porción indivisible. A esta unidad última e indivisible de materia le dieron el nombre de Átomo (del griego, "que no se puede cortar").

Aristóteles rechazó la teoría atómica de Leucipo y Demócrito y postuló que la materia estaba formada por 4 elementos: tierra, agua, aire y fuego. Su prestigio como filósofo hizo que su teoría, conocida como continuista, prevaleciese en el pensamiento de la humanidad durante más de 2000 años.

La Teoría Atómica de John Dalton (1808-1810)

Entre 1808 y 1810, John Dalton propuso un nuevo sistema de filosofía química: la Teoría Atómica de Dalton, que establece:

• La materia está formada por átomos indivisibles.
• Los átomos son invariables.
• Átomos iguales tienen la misma masa y propiedades químicas.
• Átomos diferentes tienen diferentes masas y propiedades químicas.

Descubrimiento de la Electricidad y la Crisis del Modelo de Dalton

Tales de Mileto decía que si frotabas un trozo de ámbar y un paño, ambos eran capaces de atraer a la zona frotada pequeñas partículas o materiales muy ligeros. A este fenómeno lo llamaron electricidad.

C.F. de Cisternay du Fay y Benjamin Franklin estudiaron que había dos clases de fenómenos eléctricos: atracción y repulsión, y que al frotarse dos cuerpos la electricidad pasa de uno a otro. El modelo de Dalton dejó de ser válido debido a los fenómenos de electrización.

Identificación de Partículas Subatómicas

Una serie de experimentos sirvieron para identificar la carga positiva (protón) y negativa (electrón):

• En 1897, J.J. Thomson descubrió los electrones cuando investigaba la conducción de la electricidad en los gases contenidos en los tubos de descarga. Posteriormente, R. Millikan averiguó que la carga del electrón es 1,602 x 10⁻¹⁹ C.
• En 1886, E. Goldstein ya había observado unas partículas positivas en los tubos de descarga de gases. Cuando el gas dentro del tubo era el hidrógeno, cada una de las partículas tenía la misma carga, en valor absoluto, que el electrón. Se las llamó protones.

Modelos Atómicos Posteriores

Modelo Atómico de Thomson (Pudín de Pasas)

Thomson imaginó el átomo como una especie de esfera positiva continua en la que se encuentran incrustados los electrones, más o menos como un pudín de pasas. Este modelo fue aceptado durante varios años y proporcionaba la explicación a fenómenos como la formación de iones y la electrización de la materia.

Definición de Ion

Un ion es un átomo que ha ganado o ha perdido uno o más electrones:

• Cuando un átomo pierde uno o más electrones, adquiere carga neta positiva y se convierte en un CATIÓN.
• Cuando un átomo gana uno o más electrones, adquiere carga neta negativa y se convierte en un ANIÓN.

Modelo Atómico de Rutherford (1911)

En un experimento realizado en 1911, al bombardear una lámina de oro muy fina con partículas positivas a gran velocidad, se observó que:

1. La mayor parte de ellas atravesaron la lámina (como se esperaba según el modelo de Thomson).
2. Algunas se desviaron considerablemente.
3. Unas pocas rebotaron hacia la fuente de emisión.

Este comportamiento no coincidía con el modelo atómico de Thomson, por lo que Rutherford lo abandonó y propuso otro basado en el átomo nuclear.

El Descubrimiento del Neutrón

La masa de los protones y los electrones no coincidía con la masa total del átomo. Rutherford supuso que en el núcleo tenía que existir otro tipo de partículas subatómicas a las que llamó neutrones. Posteriormente, J. Chadwick descubrió estas partículas, que no tenían carga eléctrica (son partículas eléctricamente neutras) y tienen una masa un poco mayor que la del protón, localizándose en el núcleo.

Estructura del Átomo Nuclear

El átomo tiene un núcleo con protones y neutrones. Los electrones giran a gran velocidad alrededor del núcleo:

• Protones: Carga positiva (+).
• Neutrones: Neutros, sin carga.
• Electrones: Carga negativa (-).

Modificaciones al Modelo de Rutherford: El Modelo de Bohr (1913)

Rutherford pensaba que el electrón se movía en forma de espiral. Pero en 1913, el danés Niels Bohr formuló una nueva hipótesis sobre la estructura atómica:

• El electrón se mueve en órbitas circulares definidas.
• El electrón, dependiendo de la órbita, tiene más o menos energía.

Las capas de electrones se designan con letras, con un número máximo de electrones:

• K (2)
• L (8)
• M (18)
• N (32)

Isótopos

Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen igual número atómico (mismo número de protones) pero distinto número másico (diferente número de neutrones).

Ejemplo: Isótopos del Hidrógeno

• Protio: 1 protón (+), 1 electrón (-). (0 neutrones)
• Deuterio: 1 neutrón (n), 1 protón (+), 1 electrón (-).
• Tritio: 2 neutrones (n), 1 protón (+), 1 electrón (-).