Teoria y Estructura Atómica

Teoría Atómica I: Rayos Cátodos, Electrones y el Núcleo

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.

Al final del siglo XIX, la perspectiva de John Dalton de átomos como las partículas mas pequeñas que formaban toda la materia era la teoría dominante por durante 100 años, pero la idea estaba por ser retada. Varios científicos trabajando en modelos atómicos encontraron de que los átomos no eran las partículas mas pequeñas posibles que formaban la materia, y las partes diferentes del átomo tienen características especificas.

Las observaciones de Faraday

El científico Inglés Michael Faraday puede ser considerado razonablemente una de las mentes mas brillantes que ha habido en los campos de la electroquímica y el electromagnetismo. Algo paradójicamente, todos los trabajos pioneros de Faraday fue llevado a cabo antes del descubrimiento de la partícula fundamental la que dependen estos fenómenos eléctricos. Sin embargo, una de las primeras observaciones experimentales fue un precursor crucial al descubrimiento a la primera partícula subatómica, el electrón.

Desde mediados del siglo XVII, científicos han experimentado con tubos de vidrio rellenos, científicos han estado experimentando con tubos de vidrio llenados con lo que conocíamos como aire enrarecido. Aire enrarecido se refiere a un sistema en el que la mayoría de los átomos gaseosos han sido removidos, pero en donde el vacío no estaba completo. En el año 1938, Faraday notó que cuando se pasa una corriente por medio de un tubo, un arco de electricidad se formaba. El arco comenzó en el plato negativo (conocido como cátodo) y viajó por medio del tubo al ánodo cargado de manera opuesta (Faraday, 1838).

En sus experimentos, Faraday observó una luminiscencia que comenzó en el tubo y viajó hacia el ánodo. Esto dejo una área entre el cátodo al comienzo de la luminiscencia que no estaba iluminado, y subsiguientemente se le llegó a conocer como el espacio oscuro de Faraday (Figura 1). Faraday no pudo explicar sus observaciones completamente y después de varios avances en términos de tecnología de los tubos emergió un mejor entendimiento

Cathode ray
Figura 1: Descarga de brillo en un tubo causado por corrientes eléctricas. Como lo que vio Faraday. El tuvo muestra un espacio oscuro entre los brillos alrededor del cátodo (izquierda, cargado negativamente) y ánodo (derecha, cargado positivamente)image © Andrejdam/Wikimedia

Punto de Comprensión

Faraday es famoso por el descubrimiento y el nombramiento del electrón

Avances tecnológicos avanzan la ciencia

En 1857 el soplador de vidrio Heinrich Geissler, mientras trabajaba para su paisano y físico Julius Plucker en la Universidad de Bonn, mejoró la calidad del vacío que podría ser alcanzado en tales tubos. Sin embargo, los tubos de Geissler aun contenían suficientes átomos gaseosos que cuando la corriente eléctrica viajaba en el tubo, había una interacción entre las dos, causando que los tubos brillaran. A mediados del siglo XIX estos tubos de Geissler fueron nada mas que una curiosidad, pero interesantemente, una curiosidad que comprobó ser el precursor de luces de neón.

El inglés William Crookes repitió experimentos similares a esos de Faraday y Geissler, pero este tiempo con los vacíos “nuevos y mejores”. El número de átomos de gas (y por ende la presión) fue drásticamente reducida en los tubos de Crookes. Esto causo un efecto interesante: el espacio oscuro de Faraday fue observado aun mas profundamente en el tubo, y de nuevo separándose del cátodo hacia el ánodo.

Adicionalmente a la extensión del espacio oscuro, la fluorescencia se observó en el vidrio detrás del ánodo en el lado positivo del tubo. Cuando experimentación adicional reveló que las sombras de objetos colocados en el tubo fueron expuestos a la luz detrás del ánodo, el físico alemán Johann Hittorf propuso que las sombras deben haber sido creadas por algo viajando en una línea recta del cátodo al ánodo. Otro físico alemán, Eugen Goldstein nombro estos rayos invisibles rayos de cátodo.

J.J. Thompson y la primer partícula subatómica

Como se discute en nuestro módulo Materia: Átomos. De Demócrito a Dalton, la teoría atómica de Dalton sugirió que el átomo estaba indivisible, en otras palabras que era la partícula mas pequeña que formaba la materia y que toda la materia se basaba en una sola unidad. Experimentos con tubos de rayos cátodos cambiaron dramáticamente esa vista cuando llevaron al descubrimiento de las primeras partículas subatómicas.

J.J. Thompson fue un físico inglés quien trabajó con tubos de rayos de cátodos similares a esos utilizados por Crookes y otros a mediados del siglo XIX. Los experimentos de Thomson (Thomson, 1897), fueron mas allá que esos antes de el y proveyeron evidencia de las propiedades del “algo” que dijo Hittorf. Thomson notó que los rayos cátodos fueron desviados por campos magnéticos y esa deflexión fue la misma sin importar la fuente de los rayos. Esto sugirió que los rayos eran universales en sus propiedades y que tenían unas cargas magnéticas. Thomson demostró que los rayos cátodos fueron cargados debido a que podían ser desviados por un campo magnético. Encontró que los rayos fueron desviados hacia un plato positivo y lejos del plato negativo, por ende determinando de que consistían de un tipo de partícula cargada negativamente.

Finalmente, Thomson aplicó tanto el campo eléctrico como el campo magnético al rayo de cátodo al mismo tiempo. Sabiendo la fuerza de los campos aplicados y medir la desviación de la corriente de partículas en el tubo, pudo medir por primera vez la velocidad en las partículas en la corriente. Después, al medir la desviación del rayo mientras se varían los dos campos, Thomson pudo medir la proporción de masa a carga de las partículas en la corriente y encontró algo asombroso. Las partículas negativas tenían una proporción de mas a carga que era mil veces menos que la del átomo de hidrógeno, sugiriendo que las partículas fueron increíblemente pequeñas – mucho mas pequeñas que el átomo mas pequeño. Este hecho permitió Thomson para que definitivamente diga que el átomo no era la base fundamental de la materia y que partículas (subatómicas) aun mas pequeñas existían. Thomson originalmente llamaba a estas partículas corpúsculos, pero después se les llego a conocer como electrones.

Punto de Comprensión

J.J. Thomson determinó que los rayos cátodos consistían de

El electrón explica mucho

El descubrimiento de Thomson tenia sentido de que todas las observaciones previas hechas por Faraday, Geissler y Crookes. Viajando por un tubo lleno de gas pero parcialmente al vacío. los electrones eventualmente chocarían con esos átomos de gas, empujando unos de sus electrones y haciéndolos fluorescentes. El espacio oscuro que Faraday notó primero se debía a la distancia necesitada por los electrones para acelerar la velocidad necesaria para ionizar los átomos de gas en el tubo.

En mejores vacíos alcanzados en los tubos de Crookes, los electrones podían viajar mayores distancias sin interactuar con moléculas de gas debido a la densidad menor de las moléculas en el tubo, por ende extendiendo el espacio oscuro.

Punto de Comprensión

Mientras menos gases hay en un tubo de rayos cátodos, ______________ espacio oscuro puede ser observado.

El modelo de pudín de pasas

Con el electrón ahora descubierto, Thomson fue a proponer un modelo completamente nuevo del átomo que ahora es conocido como “El modelo de pudín de pasas”. El modelo también fue llamado así debido a que se parecía al postre británico del mismo nombre que tenia fruta seca (pasas), dispersadas en una mezcla de sebo y huevos que formaban una masa.

En su modelo Thomson propuso que los electrones cargados negativamente (análogo a las pasas) fueron aleatoriamente dispersados entre lo que se llama “una esfera de electrificación uniforme y positiva” (análogo a la masa o cuerpo del pudín) (ver Figura 2).

Plum pudding model
Figura 2: El “modelo de pudín de pasas“ Thomson, mostrando una esfera cargada positivamente conteniendo muchos electrones negativamente cargados en un arreglo aleatorio

El modelo de Thomson del átomo es un bulto pastoso de partículas positivas y negativas persistió hasta el año 1911, cuando Ernesto Rutherford, un estudiante de Thomson, avanzó la teoría aun mas.

El experimento de papel de oro de Rutherford y el núcleo

Entre los años 1908 y 1911, Ernest Marsden y Hans Geiger llevo a cabo una serie de experimentos bajo la dirección Ernest Rutherford en la Universidad de Manchester en Inglaterra. En estos experimentos las partículas alpha (partículas pequeñas con cargas positivas) fueron lanzadas a un pedazo fino de papel de oro (Figura 3). Bajo el modelo de pudin de pasas de Thomson la “esfera de electrificación positiva uniforme” se pensaba estar tan difundido que las partículas pequeñas pasarían sin problema. Similarmente, los electrones en el modelo se pensaba que era tan pequeño que cualquier interacción entre ellas y las partículas positivas alpha serian tan mínimas que el camino a las partículas alfa no serian afectadas mucho.

Gold foil experiment setup
Figura 3: El experimento de papel de oro diseñado por Rutherford, Marsden y Geiger. Un rayo de partículas alfa cargadas positivamente fue lanzada a un pedazo de papel dorado. Un filtro en el papel capturo el impacto de las partículas alfa.

Como se predijo, Rutherford y sus colegas observaron que la mayoría de las partículas alfa pasaron directamente a través del papel dorado y algunas partículas fueron desviadas en pequeños ángulos. Sin embargo, al contrario de lo que predijo el modelo de pudín de pasas, unos cuantos ángulos rebotaron en ángulos pequeños, ¡Algunos volando de regreso a la fuente! Estas partículas actuaban como si se encontraban un objeto duro, como una bola de tenis rebotando de una pared de ladrillos (Figura 4).

Gold foil experiment results
Figura 4: En el experimento de papel dorado, Rutherford y sus colegas esperaban ver las partículas alfa pasando por los átomos que estaban casi vacíos. Sin embargo, lo que se observó fue que las partículas alfa que ocasionalmente rebotaban en ángulos agudos, indicando que había mas solido en el átomo de lo que se pensaba previamente.

El hecho de que la mayoría de las partículas alfa pasaron directamente a través del papel dorado sugirió a Rutherford que los átomos consisten de un espacio casi vacío. Sin embargo, al contrario que el modelo del pudín de pasas de Thomson, el trabajo de Rutherford sugirió que había una área densa cargada positivamente en un átomo que causo la repulsión y retro-dispersando las partículas alfa, Rutherford se impresionó por estas observaciones y dijo:

Fue el evento más increíble que me haya pasado en mi vida. Era casi tan increíble como si hubieras disparado un proyectil de 15 pulgadas contra un trozo de papel de seda y este volviera y te golpeara. Después de considerarlo, me di cuenta de que esta dispersión hacia atrás debe ser el resultado de una sola colisión, y cuando hice cálculos, vi que era imposible obtener algo de ese orden de magnitud a menos que tomara un sistema en el que la mayor parte de la masa del átomo se concentró en un núcleo diminuto. Fue entonces cuando tuve la idea de un átomo con un diminuto centro masivo, llevando una carga.

Después de una serie de experimentos y artículos (Rutherford, 1911, 1913, 1914) Rutherford desarrolló un modelo del átomo con una carga densa y positivamente cargada del átomo en medio, ahora conocido como núcleo – y el modelo nuclear del átomo nació.

Punto de Comprensión

Rutherford y sus colegas se sorprendieron que

Millikan y la carga especifica de un electrón

Siguiendo el descubrimiento del electrón, el físico ganador del premio Nobel Robert Millikan llevo a cabo un experimento ingenio que permitió que el valor específico de la carga negativa del electrón fuera calculado. En su famoso experimento de aceite, Millikan y sus colegas pusieron unas gotas de aceite en un atomizador en una cámara sellada (Millikan, 1913). Los aceites cayeron bajo la influencia de la gravedad, en el espacio entre dos placas eléctricas. Se cargaron al interactuar con aire que ha sido ionizado por rayos X.

Oil drop experiment
Figura 5: El experimento de Millikan en el cual observó gotas de aceite caer entre dos placas eléctricas, en donde las gotas se ionizaron por rayos X.

Al ajustar el voltaje entre dos placas eléctricas, Millikan aplico una fuerza eléctrica hacia arriba que era igual que la fuerza gravitacional hacia abajo, por ende suspendiendo las gotas sin movimiento. Cuando estaban suspendidas, la fuerza eléctrica y la fuerza de gravedad trabajaron en direcciones opuestas pero eran iguales en magnitud. Por lo tanto:

q E = m g

en donde q es la carga del aceite, E es el campo eléctrico, m es la masa del aceite y g es el campo gravitacional. Al medir la masa de cada gota de aceite y sabiendo tanto el campo gravitacional como el campo eléctrico, la carga de cada gota podría ser determinada.

Millikan encontró de que habían diferentes gotas de aceite. Sin embargo, en cada caso las cargas en el aceite se resultaron ser múltiples de 1.60 x 10-19 culombios. Concluyó que los cambios que difieren se debía a los diferentes números y electrones, cada uno teniendo una carga negativa 1.60 x 10-19 culombios, y por ende la carga en el electrón fue encontrada.

Punto de Comprensión

Millikan encontró que las gotas de aceite en su experimento

Otro paso hacia la teoría del átomo

El modelo del electrón de Thomson y el modelo nuclear de Rutherford fueron avances tremendos. El científico japonés Hantaro Nagaoka había previamente rechazado el modelo de pudín de pasas diciendo que las cargas opuestas no podían penetrarse una a la otra y propuso un modelo del átomo que parecía el planeta Saturno con aros de electrones girando alrededor de un centro positivo. Después de escuchar acerca del trabajo de Rutherford, le escribió en 1911 diciendo “Felicidades en la simplicidad del equipo que utilizo y los resultados que obtuvo.”

Pero el modelo planetario no fue perfecto y varias inconsistentes observaciones experimentales llevaron a mas trabajo que hacer, para ese entonces el electrón aun se pensaba que era una partícula pequeña y se pensaba que giraba casi aleatoriamente alrededor del núcleo. Tomaría experimentos adicionales y el genio de Niels Bohr, Max Planck y otros que hacen el paradigma cambiar de la física clásica en la cual los átomos consisten de partículas pequeñas y son gobernadas por leyes de movimiento a la mecánica cuanta en la cual electrones se comportan como ondas y exhiben comportamientos raros y exóticos (Vea nuestra animación interactiva comparando los modelos orbitales y cuánticos de los primeros 12 elementos.) Para aprender mas acerca de estos comportamientos raros en la física cuántica, lea nuestros módulos acerca de la Teoría Atómica: II: Bohr y los comienzos de la Teoria Cuántica, III: La dualidad onda-partícula y el electrón. , and IV: Números y orbitales cuánticos .

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

  • Los átomos no son esferas densas pero consisten en pequeñas partículas incluyendo un electrón cargado negativamente.

  • La investigación acerca de corrientes eléctricas pasantes pasando por tubos al vacío por Faraday, Geisser, Crookes y otros que formaron las bases para el descubrimiento de la primera partícula subatómica.

  • Las observaciones de J.J. Thomson de rayos catódicos proveen la base para el descubrimiento de un electrón.

  • Rutherford, Geiger y Marsden llevaron a cabo una serie de experimentos que indicaron que los átomos tenían centros pequeños, densos y cargados positivamente – después se les llamó núcleo.

  • El experimento de Millikan determinó la carga fundamental en el electrón como 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.

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