Teoria y Estructura Atómica

Teoría Atómica I: Los Primeros Días 

por Adrian Dingle, B.Sc., Anthony Carpi, Ph.D.

Se trata de una versión actualizada de nuestro módulo Teoría Atómica I. Para la versión anterior, por favor haga clic aquí.

Hasta los últimos años del siglo XIX, el modelo aceptado del átomo se parecía a una bola de billar - una pequeña esfera sólida. En 1897, J.J. Thomson cambió dramáticamente la visión moderna del átomo con su descubrimiento del electrón. El trabajo de Thomson sugiere que el átomo no es una partícula 'indivisible' como John Dalton había sugerido, sino más bien un rompecabezas compuesto de piezas todavía más pequeñas.

La noción de Thomson sobre el electrón se origina en su investigación sobre una curiosidad científica del siglo XIX: el tubo de rayo catódico. Durante años, algunos cientifícos habían tenido conocimiento del hecho que si una corriente eléctrica pasaba a través de un tubo, se podía ver un rayo de material resplandeciente. Sin embargo, nadie podía explicar el por qué. Thomson descubrió que el misterioso rayo resplandeciente se torcía hacia una placa eléctrica cargada positivamente. Thomson teorizó, y posteriormente se probó que estaba en lo cierto, que, en realidad, el rayo estaba compuesto de pequeñas partículas o pedazos de átomos que llevaban una carga negativa. Más tarde, a estas partículas se las llamó electrones

Thomson imaginó que los átomos parecían pedazos de pan con uvas pasas o una estrucura en la cual grupos de pequeños electrones cargados negativamente (las 'uvas pasas') estaban dispersas dentro de una mancha de cargas positivas (el 'pan', ya que Eugen Golstein había descubierto en 1886 que los átomos tenían cargas positivas). En 1908, Ernest Rutherord, un antiguo estudiante de Thomson, probó que la teoría del pan con uvas pasas de Thomson era incorrecta.

Rutherford propone un modelo planetario de un átomo

Rutherford ejecutó una serie de experimentos con partículas alpha  radioactivas. A pesar de que en ese momento no se sabía que era una partícula alpha, se sabía que era muy pequeña. Rutherford lanzó pequeñas partículas alpha hacia objetos sólidos como láminas doradas. Descubrió que la mayoría de las partículas alpha atravesaban la lámina dorada, que un reducido número de las partículas alpha atravesaban en un ángulo (como si se hubiesen chocado contra algo), y que algunas rebotaban como una pelota de tenis que golpea una pared. ¡Los experimentos de Rutherford sugirieron que las láminas doradas, y la materia en general, tenía huecos! Estos huecos permitían a la mayoría de la partículas alpha atravesar directamente, mientras que un reducido número rebotaba de vuelta porque golpeaba un objeto sólido.

Cathode ray
Figure 1: Glow discharge in a low-pressure tube caused by electric current. Like what Faraday saw, the tube shows a dark space between the glows around the cathode (left, negatively charged) and anode (right, positively charged). image © Andrejdam/Wikimedia

Punto de Comprensión

Faraday is famous for discovering and naming the electron.

En 1911, Rutherford propuso una visión revolucionaria del átomo. Sugirió que el átomo consistía de un pequeño y denso núcleo de partículas cargadas positivamente en el centro (o núcleo) del átomo, rodeado de un remolino de electrones. El núcleo era tan denso que las partículas alpha rebotaban en el, pero el electrón era tan pequeño, y se extendía a tan grande distancia que las partículas alpha atravesaban directamente esta área del átomo. El átomo de Rutherford se parecía a un pequeño sistema solar con el núcleo cargado positivamente siempre en el centro y con los electrones girando alrededor del núcleo.

Las partículas cargadas positivamente en el núcleo del átomo fueron denominadas protones. Los protones contienen un número igual de cargas, pero opuesto, a los electrones. Sin embargo los protones son mucho más grandes y pesados que los electrones.

Punto de Comprensión

J.J. Thomson determined that cathode rays were made up of

Punto de Comprensión

The less gas there was in a cathode ray tube, the _____ dark space could be observed.

Plum pudding model
Figure 2: Thomson's "plum pudding model" of the atom, showing a positively-charged sphere containing many negatively-charged electrons in a random arrangement.
Gold foil experiment setup
Figure 3: The gold foil experiment designed by Rutherford, Marsden, and Geiger. A beam of positively charged alpha particles was shot at a piece of gold foil. A screen around the foil captured the impact of the alpha particles.
Gold foil experiment results
Figure 4: In the gold foil experiment, Rutherford and his colleagues expected to see the alpha particles passing through the mostly empty "Plum Pudding"-style atoms. However, what they observed was that the alpha particles occasionally ricocheted at sharp angles, indicating there was something more solid in the atom than previously thought.

Punto de Comprensión

Rutherford and his colleagues were surprised that

Chadwick descubre el neutrón

En 1932, James Chadwick descubrió un tercer tipo de partícula sub-átomica a la que llamó el neutrón. Los neutrones ayudan a estabilizar los protones en el núcleo del átomo. Ya que el núcleo es una masa tan compacta, los protones cargados positivamente tienden a recharzase entre ellos. Los neutrones ayudan a reducir la repulsión entre los protones y estabilizan el núcleo átomico. Los neutrones siempre residen en el núcleo de los átomos y son aproximadamente del mismo tamaño que los protones. Sin embargo, los neutrones no tienen una carga eléctrica, más bien son eléctricamente neutrales.

Oil drop experiment
Figure 5: Millikan's oil drop experiment in which he observed droplets of oil fall between two electrical plates, where the droplets became ionized by X-rays.

Punto de Comprensión

Millikan found that the different oil drops in his experiment

Resumen

La teoría atómica moderna ha evolucionado dramáticamente desde el punto de vista del siglo XIX que miraban al átomo como una esfera pequeña y solida parecida a una bola de billar. Este modulo explora esta historia: del descubrimiento de electrones y protones a finales del siglo XIX hasta el modelo planetario del átomo a principios del siglo XX. Este módulo explica la función y partículas subatómicas y así mismo su tamaño y peso relativo. Los conceptos del numero y masa atómica son introducidos.

Conceptos Clave

  • Atoms are not dense spheres but consist of smaller particles including the negatively charged electron.

  • The research on passing electrical currents through vacuum tubes by Faraday, Geissler, Crookes, and others laid the groundwork for discovery of the first subatomic particle.

  • J.J. Thomson’s observations of cathode rays provide the basis for the discovery of the electron.

  • Rutherford, Geiger, and Marsden performed a series of gold foil experiments that indicated that atoms have small, dense, positively-charged centers – later named the nucleus.

  • Millikan’s oil drop experiment determines the fundamental charge on the electron as 1.60 x 10-19 coulombs.

  • NGSS
  • HS-C4.4, HS-C6.2, HS-PS1.A1, HS-PS1.A3
  • Referencias
  • Faraday, M. (1838). VIII. Experimental researches in electricity. Thirteenth series. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 128: 125-168.

  • Millikan, R.A. (1913). On the elementary electric charge and the Avogadro Constant. Physics Review, 2(2): 109–143.
  • Rutherford, E. (1911). The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom. Philosophical Magazine, Series 6, 21(125): 669–688.
  • Rutherford, E., & Nuttal, J.M. (1913). Scattering of α-particles by gases. Philosophical Magazine, Series 6, 26(154): 702–712.
  • Rutherford, E. (1914). The structure of the atom. Philosophical Magazine. Series 6, 27(159): 488–498.
  • Thomson, J.J. (1897). Cathode rays. Philosophical Magazine, Series 5, 44(269): 293-316.

Adrian Dingle, B.Sc., Anthony Carpi, Ph.D. “Teoría Atómica I” Visionlearning Vol. CHE-1 (2), 2003.