Evolución de los Modelos Atómicos: De Dalton al Modelo Cuántico

Modelo Atómico de Dalton

Postulados principales:

• Los átomos de un mismo elemento son idénticos.
• Los átomos de elementos diferentes son diferentes.
• Los compuestos se forman por la unión de átomos en proporciones definidas.
• Las reacciones químicas implican un reordenamiento de átomos.

Modelo Atómico de Thomson

Thomson postuló que el átomo era una esfera compacta cargada positivamente, en la cual se incrustaban los electrones con carga negativa. Este modelo es conocido popularmente como el "budín de pasas".

Descubrimiento del Electrón

En 1897, J.J. Thomson demostró, utilizando un tubo de descarga (tubo de rayos catódicos), la existencia de partículas mucho más pequeñas que el átomo y cargadas negativamente, a las que llamó electrones. Determinó la relación entre la carga y la masa (e/m) de esta partícula, demostrando que era constante e independiente del metal del que estuviera hecho el cátodo.

Modelo Atómico de Rutherford

Ernest Rutherford, junto con Hans Geiger y Ernest Marsden, realizó el famoso experimento de la lámina de oro, observando lo siguiente:

• La mayoría de las partículas alfa atravesaban la lámina de oro sin desviarse.
• Una pequeña fracción era desviada formando ángulos muy grandes.
• Algunas partículas incluso rebotaban en la lámina hacia la fuente radiactiva.

Postulados del Modelo de Rutherford

Basado en su experimento, estableció que el átomo estaba formado por:

• Una región central muy pequeña llamada núcleo, donde se concentran las cargas positivas (protones) y la mayor parte de la masa del átomo.
• El resto del átomo está prácticamente vacío, y en este espacio giran los electrones.
• El átomo es eléctricamente neutro (igual número de protones y electrones).

Descubrimiento del Neutrón

Las observaciones de Rutherford afirmaron la presencia de cargas positivas llamadas protones en el núcleo. Sin embargo, este modelo no explicaba completamente la masa de los átomos (la diferencia entre la masa atómica y la masa debida a los protones). Se sospechaba la existencia de otra partícula en el núcleo. En 1932, James Chadwick bombardeó una lámina de Berilio con partículas alfa y comprobó la emisión de partículas de muy alta energía y eléctricamente neutras, a las que llamó neutrones.

Modelo Atómico de Bohr

Niels Bohr, basándose en la teoría cuántica de Max Planck, el efecto fotoeléctrico explicado por Einstein y los estudios del espectro atómico del hidrógeno, propuso un nuevo modelo:

• El átomo está formado por un núcleo positivo y una envoltura donde giran los electrones.
• Los electrones solo pueden describir órbitas circulares estables (niveles de energía) alrededor del núcleo, sin irradiar energía.
• Mientras un electrón esté girando en su nivel permitido, no absorbe ni emite energía. Los niveles más cercanos al núcleo tienen menor energía.
• Si un electrón absorbe suficiente energía (un cuanto de energía), puede pasar a un nivel de mayor energía (el átomo se encuentra en un estado excitado).
• Cuando un electrón de un átomo excitado regresa a un nivel de menor energía, emite la diferencia de energía en forma de radiación electromagnética (un fotón).

Fundamentos: Teoría Cuántica y Efecto Fotoeléctrico

Max Planck planteó en 1900 que los átomos y las moléculas emitían o absorbían energía solo en cantidades discretas (paquetes), a las que llamó cuantos (quantum en singular). Cinco años después, Albert Einstein utilizó esta idea para explicar el efecto fotoeléctrico, propiedad que presentan algunos metales de emitir electrones cuando incide sobre ellos una luz de determinada frecuencia mínima.

Modelo Atómico Actual (Mecánico-Cuántico)

El modelo actual se basa fundamentalmente en dos principios de la mecánica cuántica:

• El principio de dualidad onda-corpúsculo.
• El principio de incertidumbre de Heisenberg.

Principio de Dualidad Onda-Corpúsculo

En 1924, Louis de Broglie propuso que, así como las ondas (luz) pueden comportarse como partículas (fotones), las partículas (como los electrones) también muestran propiedades ondulatorias.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

En 1927, Werner Heisenberg, considerando el carácter dual (ondulatorio y corpuscular) del electrón, planteó el principio de incertidumbre. Este principio indica que es imposible conocer simultáneamente y con precisión absoluta la posición y el momento lineal (cantidad de movimiento) de una partícula, como el electrón. Mientras más exacta sea la determinación de una de estas variables, más inexacta será la determinación de la otra. Esto llevó a abandonar la idea de órbitas definidas (como en el modelo de Bohr) y a introducir el concepto de orbitales atómicos (regiones del espacio donde la probabilidad de encontrar al electrón es máxima).