Modelos Atómicos: De Thomson a la Mecánica Cuántica, Números Cuánticos y Espectros

Evolución del modelo atómico

Modelo de Thomson

Thomson propuso que el átomo está formado por una esfera maciza con carga eléctrica positiva (protones), dentro de la cual se encuentran electrones en número suficiente para neutralizar la carga.

Modelo de Rutherford

Rutherford bombardeó con partículas láminas metálicas delgadas y observó que la mayoría atravesaba la lámina sin desviarse, pocas sufrían desviación y muy pocas rebotaban hacia atrás. Dedujo que el átomo posee un núcleo central (carga positiva), donde reside la mayoría de la masa, y que tiene un volumen muy pequeño.

Dificultades del modelo de Rutherford

Al ser un electrón que gira alrededor del núcleo, está sometido a una aceleración y, como cargas en movimiento, emitiría radiación electromagnética de forma continua, precipitándose sobre el núcleo. Esto no explica los espectros observados, ya que debería producir espectros de emisión continuos. Además, la masa de los electrones y de los protones no daba la masa total del átomo, por lo que se supuso que existiría otra partícula.

Conceptos fundamentales del átomo

• Número atómico (Z): indica el número de protones del núcleo y determina el elemento de que se trata.
• Número másico (A): indica el número de nucleones (protones + neutrones).
• Isótopos: átomos del mismo elemento con el mismo número atómico y distinto número másico.
• Masa isotópica: es la masa de un isótopo concreto, mientras que la masa atómica representa la media ponderada de las masas isotópicas de los isótopos que componen el elemento, teniendo en cuenta su abundancia relativa en la naturaleza.

Espectros

Espectro: conjunto de las diferentes radiaciones de distintas longitudes de onda emitidas por una fuente luminosa. Existen espectros de emisión y de absorción, y cada uno puede ser continuo o discontinuo.

Un espectro de emisión de un elemento es la radiación emitida por el elemento en estado gaseoso, cuando se le comunica suficiente energía. Los espectros de emisión de los gases son discontinuos.

Hipótesis de Planck

La radiación emitida o absorbida por un cuerpo no puede ser emitida o absorbida de forma continua, sino de forma discontinua, en paquetes o cuantos de energía. La energía electromagnética absorbida o emitida por un cuerpo debe ser un número entero de cuantos, siendo el cuanto la mínima cantidad de energía electromagnética posible.

Modelo de Bohr

Los electrones se mueven alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares, pero solo pueden tener ciertas cantidades de energía permitidas. Al saltar un electrón desde una órbita de mayor energía a otra de menor energía, la diferencia de energía se emite en forma de fotón, y viene dada por la ecuación de Planck.

Postulados de Bohr

• Los electrones al girar alrededor del núcleo no emiten energía, giran en órbitas circulares de energía constante. Solo son posibles las órbitas en las que el momento de la cantidad de movimiento sea múltiplo entero de h/2π.
• La energía liberada al pasar un electrón de una órbita más alejada a otra inferior cumple la ecuación de Planck y es igual a la diferencia de energía entre los dos niveles.

Modelo mecano-cuántico

En este modelo se describe el comportamiento de los electrones dentro del átomo, teniendo un carácter ondulatorio y la imposibilidad de predecir sus trayectorias exactas. Aparece el concepto de orbital: región alrededor del núcleo en la que existe gran probabilidad de encontrar al electrón.

Números cuánticos

Número cuántico principal (n)

Indica los niveles de energía y el radio de la órbita. De él depende la energía del electrón y el tamaño de las órbitas. Cuantiza la energía según el eje mayor de la elipse. Valores enteros: n = 1, 2, 3, 4, 5, 6... En mecánica cuántica indica el volumen efectivo del nivel energético. El primer nivel es el de menor energía y la energía aumenta al alejarse del núcleo. El número máximo de electrones que puede contener un nivel energético es 2n².

Número cuántico secundario o azimutal (l)

Fija los subniveles de energía dentro de cada nivel. Determina la forma general de la región en la que se mueve el electrón y cuantiza la energía según la excentricidad de la elipse. Puede tomar valores desde 0 hasta n − 1. Para l = 0 el subnivel es s, para l = 1 es p, etc.

Número cuántico magnético (m)

Al someter un átomo a un campo magnético exterior surgen nuevas rayas debidas a la distinta orientación que adoptan las órbitas en el espacio dentro de ese campo. La orientación en el espacio también está cuantizada, y hace falta este número cuántico para determinar dicha orientación. Los valores van desde −l hasta +l, pasando por el 0.

Número cuántico de spin (s)

Representa el momento de rotación del electrón y sirve para diferenciar el sentido de rotación del electrón. Puede valer +1/2 o −1/2 para cada valor de m.