2.1: Evolución de la Teoría Atómica
Teoría Atómica después del siglo XIX
Si la materia estaba compuesta de átomos, ¿de qué estaban compuestos los átomos? ¿Eran las partículas más pequeñas, o había algo más pequeño? A finales de 1800, varios científicos interesados en cuestiones como estas investigaron las descargas eléctricas que podrían producirse en gases de baja presión, con el descubrimiento más significativo realizado por el físico inglés J. J. Thomson utilizando un tubo de rayos catódicos. Este aparato consistía en un tubo de vidrio sellado del que se había extraído casi todo el aire; el tubo contenía dos electrodos metálicos. Cuando se aplicó alto voltaje a través de los electrodos, un haz visible llamado rayo catódico apareció entre ellos. Este haz se desviaba hacia la carga positiva y se alejaba de la carga negativa, y se producía de la misma manera con propiedades idénticas cuando se utilizaban diferentes metales para los electrodos. En experimentos similares, el rayo fue desviado simultáneamente por un campo magnético aplicado, y las mediciones de la extensión de la desviación y la fuerza del campo magnético permitieron a Thomson calcular la relación carga-masa de las partículas de rayos catódicos. Los resultados de estas mediciones indicaron que estas partículas eran mucho más ligeras que los átomos (Figura \(\pageIndex{1}\)).
Figura \(\PageIndex{5}\): (a) J. J. Thomson produce un haz visible en un tubo de rayos catódicos. (b) Este es un tubo de rayos catódicos primitivo, inventado en 1897 por Ferdinand Braun. (c) En el rayo catódico, el haz (que se muestra en amarillo) proviene del cátodo y se acelera más allá del ánodo hacia una escala fluorescente en el extremo del tubo. Las deflexiones simultáneas por campos eléctricos y magnéticos aplicados permitieron a Thomson calcular la relación masa-carga de las partículas que componen el rayo catódico. (crédito a: modificación del trabajo de la Fundación Nobel; crédito b: modificación del trabajo de Eugen Nesper; crédito c: modificación del trabajo de «Kurzon» / Wikimedia Commons).
Basado en sus observaciones, aquí está lo que propuso Thomson y por qué: Las partículas son atraídas por cargas positivas ( + ) y repelidas por cargas negativas ( − ), por lo que deben estar cargadas negativamente (como las cargas repelen y a diferencia de las cargas atraen); son menos masivas que los átomos e indistinguibles, independientemente del material fuente, por lo que deben ser constituyentes subatómicos fundamentales de todos los átomos. Aunque controvertida en ese momento, la idea de Thomson fue aceptada gradualmente, y su partícula de rayos catódicos es lo que ahora llamamos un electrón, una partícula subatómica con carga negativa con una masa más de mil veces menor que la de un átomo. El término «electrón» fue acuñado en 1891 por el físico irlandés George Stoney, de «ion eléctrico».»
En 1909, el físico estadounidense Robert A. Millikan descubrió más información sobre el electrón a través de sus experimentos» gota de aceite». Millikan creó gotas microscópicas de aceite, que podían cargarse eléctricamente por fricción a medida que se formaban o mediante el uso de rayos X. Estas gotas cayeron inicialmente debido a la gravedad, pero su progreso hacia abajo podría ser ralentizado o incluso revertido por un campo eléctrico más bajo en el aparato. Al ajustar la intensidad del campo eléctrico y realizar mediciones cuidadosas y cálculos apropiados, Millikan pudo determinar la carga en caídas individuales (Figura \(\pageIndex{2}\)).
Figura \(\pageIndex{6}\): El experimento de Millikan midió la carga de gotas de aceite individuales. Los datos tabulados son ejemplos de algunos valores posibles.
Mirando los datos de carga que Millikan recopiló, es posible que haya reconocido que la carga de una gota de aceite es siempre un múltiplo de una carga específica, 1.6 \(\times\) 10-19 C. Millikan concluyó que este valor debe ser, por lo tanto, una carga fundamental, la carga de un solo electrón, con sus cargas medidas debido a un exceso de un electrón (1 por 1.6 \(\times\) 10-19 C), de dos electrones (2 veces 1.6 \(\times\) 10-19 C), tres electrones (3 veces 1.6 \(\times\) 10-19 C), y así sucesivamente, en una gota de aceite. Dado que la carga de un electrón era ahora conocida debido a la investigación de Millikan, y la relación carga-masa ya era conocida debido a la investigación de Thomson (1,759 \(\times\) 1011 C/kg), solo se requería un cálculo simple para determinar la masa del electrón también.
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Los científicos habían establecido que el átomo no era indivisible como Dalton había creído, y debido al trabajo de Thomson, Millikan y otros, la carga y la masa de las partículas subatómicas negativas, los electrones, eran conocidas. Sin embargo, la parte cargada positivamente de un átomo aún no se entendía bien. En 1904, Thomson propuso el modelo de átomos «pudín de ciruela», que describía una masa cargada positivamente con una cantidad igual de carga negativa en forma de electrones incrustados en ella, ya que todos los átomos son eléctricamente neutros. Un modelo competidor había sido propuesto en 1903 por Hantaro Nagaoka, quien postuló un átomo similar a Saturno, que consistía en una esfera cargada positivamente rodeada por un halo de electrones (Figura \(\pageIndex{3}\)).
Figura \(\pageIndex{7}\): (a) Thomson sugirió que los átomos se parecían al pudín de ciruelas, un postre inglés que consiste en pastel húmedo con pasas incrustadas («ciruelas»). (b) Nagaoka propuso que los átomos se asemejaban al planeta Saturno, con un anillo de electrones rodeando a un «planeta positivo».»(crédito a: modificación del trabajo de «Man vyi» / Wikimedia Commons; crédito b: modificación del trabajo de «NASA» / Wikimedia Commons).
El siguiente gran avance en la comprensión del átomo vino de Ernest Rutherford, un físico de Nueva Zelanda que pasó su carrera científica en Canadá e Inglaterra. Realizó una serie de experimentos utilizando un haz de partículas alfa cargadas positivamente de alta velocidad (partículas α) que fueron producidas por la desintegración radiactiva del radio; las partículas α consisten en dos protones y dos neutrones (aprenderá más sobre la desintegración radiactiva en el capítulo sobre química nuclear). Rutherford y sus colegas Hans Geiger (más tarde famoso por el contador Geiger) y Ernest Marsden apuntaron un haz de partículas α, cuya fuente estaba incrustada en un bloque de plomo para absorber la mayor parte de la radiación, a una pieza muy delgada de lámina de oro y examinaron la dispersión resultante de las partículas α usando una pantalla luminiscente que brillaba brevemente cuando era golpeada por una partícula α.
¿Qué descubrieron? La mayoría de las partículas pasaron directamente a través de la lámina sin ser desviadas en absoluto. Sin embargo, algunos se desviaron ligeramente, y un número muy pequeño se desviaron casi directamente hacia la fuente (Figura \(\pageIndex{4}\)). Rutherford describió el hallazgo de estos resultados: «Fue el evento más increíble que me haya sucedido en mi vida. Era casi tan increíble como si te despidieran de 15 pulgadas shell en un pedazo de papel de seda y se volvió, y se pulsa»1 (p. 68).
Figura \(\pageIndex{8}\): Geiger y Rutherford dispararon partículas α a un trozo de lámina de oro y detectaron dónde fueron esas partículas, como se muestra en este diagrama esquemático de su experimento. La mayoría de las partículas pasaron directamente a través de la lámina, pero algunas se desviaron ligeramente y un número muy pequeño se desviaron significativamente.
Esto es lo que Rutherford dedujo: Debido a que la mayoría de las partículas α de rápido movimiento pasaron a través de los átomos de oro sin ser filtradas, deben haber viajado a través del espacio esencialmente vacío dentro del átomo. Las partículas alfa están cargadas positivamente, por lo que las deflexiones surgieron cuando se encontraron con otra carga positiva (como las cargas se repelen entre sí). Dado que las cargas similares se repelen entre sí, las pocas partículas α cargadas positivamente que cambiaron de trayectoria abruptamente deben haber golpeado, o haberse acercado de cerca, a otro cuerpo que también tenía una carga positiva altamente concentrada. Dado que las desviaciones ocurrieron una pequeña fracción del tiempo, esta carga solo ocupó una pequeña cantidad del espacio en la lámina de oro. Analizando una serie de experimentos de este tipo en detalle, Rutherford sacó dos conclusiones:
- El volumen ocupado por un átomo debe consistir en una gran cantidad de espacio vacío.
- Un cuerpo pequeño, relativamente pesado, cargado positivamente, el núcleo, debe estar en el centro de cada átomo.
Este análisis llevó a Rutherford a proponer un modelo en el que un átomo consiste en un núcleo muy pequeño, cargado positivamente, en el que la mayor parte de la masa del átomo está concentrada, rodeada de electrones cargados negativamente, de modo que el átomo es eléctricamente neutro (Figura \(\pageIndex{5}\)).
Figura \(\pageIndex{9}\): Las partículas α se desvían solo cuando chocan o pasan cerca del núcleo de oro cargado positivamente, mucho más pesado. Debido a que el núcleo es muy pequeño en comparación con el tamaño de un átomo, muy pocas partículas α se desvían. La mayoría pasa a través de la región relativamente grande ocupada por electrones, que son demasiado ligeros para desviar las partículas que se mueven rápidamente.
Después de muchos experimentos más, Rutherford también descubrió que los núcleos de otros elementos contienen el núcleo de hidrógeno como un «bloque de construcción», y llamó a esta partícula más fundamental protón, la partícula subatómica con carga positiva que se encuentra en el núcleo. Con una adición, que aprenderán a continuación, este modelo nuclear del átomo, propuesto hace más de un siglo, todavía se usa hoy en día.
Otro hallazgo importante fue el descubrimiento de isótopos. A principios de la década de 1900, los científicos identificaron varias sustancias que parecían ser elementos nuevos, aislándolas de minerales radiactivos. Por ejemplo, a un «elemento nuevo» producido por la desintegración radiactiva del torio se le dio inicialmente el nombre de mesotorio. Sin embargo, un análisis más detallado mostró que el mesotorio era químicamente idéntico al radio (otro producto de desintegración), a pesar de tener una masa atómica diferente. Este resultado, junto con hallazgos similares para otros elementos, llevó al químico inglés Frederick Soddy a darse cuenta de que un elemento podía tener tipos de átomos con diferentes masas que eran químicamente indistinguibles. Estos diferentes tipos se denominan isótopos, átomos del mismo elemento que difieren en masa. Soddy fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1921 por este descubrimiento.
Quedaba un rompecabezas: Se sabía que el núcleo contenía casi toda la masa de un átomo, con el número de protones solo proporcionando la mitad, o menos, de esa masa. Se hicieron diferentes propuestas para explicar qué constituía la masa restante, incluida la existencia de partículas neutras en el núcleo. Como es de esperar, detectar partículas sin carga es muy difícil, y no fue hasta 1932 que James Chadwick encontró evidencia de neutrones, partículas subatómicas sin carga con una masa aproximadamente igual a la de los protones. La existencia de los neutrones también explica los isótopos: Difieren en masa porque tienen diferentes números de neutrones, pero son químicamente idénticos porque tienen el mismo número de protones. Esto se explicará con más detalle más adelante en esta unidad.