Evolución de los Modelos Atómicos: De Dalton a Rutherford

Los descubrimientos del electrón y del protón son incompatibles con un modelo de un átomo indivisible, ya que estas partículas están dentro del átomo. Los científicos se vieron obligados a idear un modelo que explicara cómo están situadas las partículas subatómicas en el interior del átomo.

1. La Teoría Atómica de Dalton

A finales del siglo XVIII y comienzos del XIX, científicos como Lavoisier, Proust y Dalton investigaron la conservación de la masa y la relación entre las masas de las sustancias que intervienen en una reacción química.

Para explicar los resultados obtenidos, en 1808 J. Dalton publicó una serie de enunciados, también llamados postulados, que completaban la que hoy conocemos como teoría atómica de Dalton, que es la primera teoría atómica basada en datos científicos.

Postulados de Dalton:

• La materia está formada por átomos indivisibles.
• Cada elemento está formado por átomos iguales: tienen la misma masa y las mismas propiedades físicas.
• Los átomos de distintos elementos tienen masas y propiedades químicas diferentes.
• En las reacciones químicas, los átomos ni se crean ni se destruyen, solo cambian su distribución en las sustancias.
• Los átomos de diferentes elementos se combinan para dar compuestos químicos, y lo hacen siempre en una proporción fija para cada tipo de compuesto posible.

En sus postulados, Dalton establece que la materia no es continua, sino de naturaleza corpuscular, y diferencia entre elemento y compuesto.

Formación de Iones

El átomo eléctricamente neutro tiene tantos protones como electrones existen en la corteza.

• Átomo neutro: Átomo eléctricamente neutro con igual número de cargas positivas y negativas.
• Ion positivo o catión: Cuando el átomo pierde un electrón se convierte en un ion positivo o catión.
• Ion negativo o anión: Cuando el átomo gana un electrón se convierte en ion negativo o anión. (Nota: Se corrigió la repetición de «catión» por «anión»).

2. El Modelo Atómico de Thomson

En 1904, J.J. Thomson ideó un modelo atómico en el que el átomo es una especie de esfera de carga positiva continua y esponjosa que contiene casi toda la masa. Los electrones están incrustados en ella de forma similar a como lo están las pasas en un bizcocho.

Este modelo explica los fenómenos de electrización mediante la ganancia o pérdida de electrones.

Experimentos con Tubos de Vidrio

A finales del siglo XIX y comienzos del XX, varios científicos realizaron diferentes experimentos con tubos de vidrio, que contenían un gas a baja presión al que se sometía a descargas eléctricas de alto voltaje.

Estas experiencias permitieron a J. J. Thomson identificar la partícula responsable de la carga eléctrica negativa, el electrón, y a E. Goldstein la partícula responsable de la carga eléctrica positiva, el protón. Asimismo, se determinaron los valores numéricos de sus cargas eléctricas y sus masas.

El Descubrimiento de los Neutrones

Rutherford y otros investigadores propusieron que en el núcleo debía existir otra partícula con masa, pero sin carga eléctrica.

En 1932, J. Chadwick (1891-1974) bombardeó una lámina de berilio con partículas positivas y observó que emitía una radiación de gran energía. Posteriormente, demostró que esa radiación estaba formada por unas partículas eléctricamente neutras, que denominó NEUTRONES, cuya masa era un poco mayor que la del protón.

Masa del neutrón: $1.6749 \times 10^{-27}$ kg.

El Modelo Nuclear o Planetario

Para Rutherford, el átomo estaba constituido por:

• Un núcleo central, con carga positiva, en el que está concentrada prácticamente toda su masa, aportada por los protones y los neutrones.
• Una corteza electrónica donde los electrones, con carga negativa, giran a mucha velocidad en torno al núcleo y están separados de este por una gran distancia en relación a su tamaño.

3. El Modelo Atómico de Rutherford

El modelo de Thomson fue aceptado durante algunos años, hasta que se comprobó que no podía explicar los resultados de experimentos realizados posteriormente.

Experimento de Rutherford, Geiger y Marsden:

En 1909, E. Rutherford y sus colaboradores, H. Geiger y E. Marsden, bombardearon una lámina de oro muy fina con partículas cargadas positivamente y a gran velocidad.

Como se observa en el dibujo (implícito), y de acuerdo con el modelo atómico de Thomson, lo que tendría que haber ocurrido es que las partículas positivas hubieran atravesado la lámina sin ser apreciablemente desviadas de su trayectoria rectilínea.

Resultados del Experimento:

1. La mayor parte de partículas atravesaron la finísima lámina de oro sin cambiar la dirección, como era de esperar.
2. Algunas se desviaron considerablemente.
3. Sorprendentemente, algunas partículas rebotaron hacia la fuente de emisión.

Conclusiones de Rutherford:

Tras estos inesperados resultados, Rutherford llegó a las siguientes conclusiones:

• El hecho de que algunas partículas positivas que se dirigen a gran velocidad hacia la lámina de oro la atraviesen sin desviarse indica que el átomo es, en su mayor parte, espacio vacío.
• El hecho de que algunas partículas positivas procedentes de la fuente se desvíen indica que han pasado cerca de una zona del átomo que también tiene carga positiva y las ha repelido.
• El hecho de que algunas positivas reboten hacia la fuente emisora indica que existen choques directos contra una zona del átomo muy densa y fuertemente positiva, que denominó núcleo atómico.

Después de analizar los resultados, Rutherford describió un modelo de átomo nuclear que consta de dos zonas diferenciadas:

1. Una zona central del átomo muy pequeña, muy densa y cargada positivamente, pues es donde se encuentran los protones.
2. Una zona periférica en la que los electrones, cargados negativamente, giran alrededor del núcleo y a cierta distancia de él.

Electrones y Protones

Los fenómenos de electrización y los relacionados con la corriente eléctrica, conocidos a finales del s. XIX, pusieron de manifiesto que el átomo es divisible y que está formado por partículas más pequeñas que tienen carga eléctrica.

• Los fenómenos de electrización se justifican mediante una propiedad de la materia denominada carga eléctrica. La cantidad de carga eléctrica $Q$ es una magnitud física y su unidad en el SI es el culombio (C).
• Cargas del mismo tipo se repelen y viceversa.
• Para adquirir carga eléctrica, el átomo tiene que ganar o perder cargas (electrones).

Cómo se Identifican los Átomos

Se identifican por el número de protones que tienen en su núcleo. Este número es idéntico para todos los átomos de un mismo elemento pero diferente al de los átomos de otros elementos.

Definiciones Nucleares Básicas:

• El nº de protones se llama $Z$ (número atómico): $Z = ext{nº atómico} = ext{nº de protones}$.
• El nº de protones más neutrones = número másico $A$: $A = ext{nº de protones} + ext{nº de neutrones}$.
• Nº de neutrones $= A – Z$.

Isótopos

A principios del siglo XX los científicos descubrieron que no todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número másico.

Los átomos de un mismo elemento que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones reciben el nombre de isótopos.

Radisótopo

Átomo de un elemento químico que emite radiaciones radiactivas.

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