Evolución de la Estructura Atómica: Descubrimientos y Partículas Fundamentales

La Carga Eléctrica y sus Propiedades

La carga eléctrica puede manifestarse en forma de fuerzas de atracción y repulsión. Cargas eléctricas de igual signo se repelen, mientras que las de distinto signo se atraen. Es una magnitud física cuya unidad en el Sistema Internacional (SI) es el culombio (C).

Modelos Atómicos y Descubrimientos Fundamentales

El Modelo Atómico de Dalton

En 1808, John Dalton se basó en leyes descubiertas por Lavoisier y otros científicos del siglo XVIII, como la ley de conservación de la masa y la ley de las proporciones constantes, para proponer su modelo atómico. Sus postulados principales fueron:

• Los elementos químicos están formados por átomos, que son partículas pequeñas e indivisibles.
• Los átomos de un mismo elemento son iguales en masa y en el resto de sus propiedades.
• Los átomos de elementos distintos son diferentes.
• Los átomos de elementos diferentes se unen para formar compuestos.

El Descubrimiento del Electrón (J.J. Thomson)

A finales del siglo XIX, J.J. Thomson realizó un experimento que demostró la existencia del electrón. El aparato que utilizó consistía en un tubo de vidrio donde había hecho el vacío y había dos electrodos conectados a un voltaje muy alto. Al conectarlo, aparecía una fluorescencia (los rayos catódicos).

• Probó con diferentes materiales en el cátodo y diferentes gases en el tubo, y concluyó que los rayos tenían las mismas características.
• Comprobó que tenían carga eléctrica negativa y estaban formados por partículas, los electrones.

Los electrones son partículas constituyentes de los rayos catódicos; tienen masa y su carga es negativa.

El Descubrimiento del Protón (E. Goldstein)

A finales del siglo XIX, se confirmó la existencia del protón con un experimento similar al del descubrimiento del electrón. E. Goldstein utilizó un aparato similar al de Thomson, pero con el cátodo (polo negativo) perforado. Descubrió rayos que iban en sentido contrario a los catódicos (los rayos canales).

• También se desviaban en presencia de campos eléctricos y magnéticos, lo que confirmó que estaban formados por partículas con carga positiva porque se desviaban hacia la placa negativa.
• También midió la relación carga/masa de estas partículas y observó que esta relación dependía del gas que se encontraba en el interior del tubo. Cuando el gas era hidrógeno, las partículas eran de menor masa, y las llamó protones.

El protón es una partícula con carga positiva de valor igual a la del electrón, pero con una masa casi 2000 veces mayor.

Estructura Atómica Básica

• El átomo es divisible, formado por otras partículas más pequeñas que poseen carga eléctrica.
• Los electrones son partículas subatómicas que poseen carga negativa y tienen una masa muy pequeña.
• La mayor parte de la masa del átomo se debe a los protones, que poseen carga positiva.
• El número de cargas negativas y positivas es el mismo en un átomo neutro.

Thomson fue el primero en idear un modelo para explicar la estructura interna del átomo, lo que contradecía el modelo de Dalton.

Iones: Carga y Formación

Un ion es un átomo o grupo de átomos cargado eléctricamente. Si un átomo o grupo pierde algún electrón, queda cargado positivamente; es un catión. Si un átomo o grupo gana un electrón, queda cargado negativamente; es un anión.

La Radiactividad y sus Tipos

El Descubrimiento de la Radiactividad (A.H. Becquerel)

A.H. Becquerel descubrió la radiactividad. Envolvió unas placas fotográficas en un papel negro que no dejaba traspasar la luz y dejó un cristal de pechblenda sobre ellas. Observó que las placas se velaban y pensó que el uranio emitía una radiación que atravesaba el papel protector y estropeaba las fotografías.

Tipos de Radiación

• Radiación alfa (α): Partículas con carga positiva y gran masa (núcleos de helio). Tienen poco poder de penetración; basta una hoja de papel para detenerlas.
• Radiación beta (β): Carga negativa y casi sin masa. Se trata de electrones a gran velocidad. Son más penetrantes que las partículas alfa, pero no atraviesan una lámina de aluminio.
• Radiación gamma (γ): Similar a la de la luz, invisible, con mucha más energía y alto poder de penetración. Se necesita un bloque de hormigón grueso para detenerla.

El Modelo Atómico de Rutherford y el Neutrón

El Experimento de Rutherford

Ernest Rutherford, en 1911, realizó un experimento crucial:

• Bombardeó una lámina muy fina de oro con partículas alfa. Estas tienen una gran masa, carga positiva y escaso poder de penetración.
• Resultados observados:
  • Casi todas las partículas atravesaban la lámina de oro sin desviarse.
  • Algunas se desviaban ligeramente.
  • Muy pocas rebotaban en la lámina.

El Modelo Nuclear o Planetario

El modelo atómico de Rutherford resultaba análogo a un sistema planetario en el que el núcleo se correspondería con el Sol y los electrones serían los planetas. Por ello, se le llamó modelo nuclear o planetario.

La Hipótesis del Neutrón y su Descubrimiento (J. Chadwick)

A pesar del éxito del modelo de Rutherford, surgieron dos problemas:

• La masa real de los átomos era mucho mayor de la que se obtenía al sumar la masa de los protones y electrones que lo formaban.
• Los protones deberían sufrir repulsión eléctrica entre ellos en el núcleo, de forma que este se desintegraría.

Rutherford supuso que en el núcleo debía haber otras partículas de masa similar a los protones que lo harían estable, y que no se podían detectar por no tener carga, a las que llamó neutrones. En 1932, el físico inglés J. Chadwick logró identificar el neutrón, una partícula sin carga eléctrica y masa similar al protón.