ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Evolución de los modelos atómicos: desde Demócrito a la Mecánica Cuántica

EL ATOMISMOEl concepto atómico de la materia surgió aproximadamente hace 450 años a.C, cuando el filósofo griego Leucipo afirmaba que la materia era discontinua porque estaría formada por partículas discretas indivisibles llamadas átomos (griego “átomo”: indivisible), que seria el limite de la división de la materia.

Demócrito (380 años a.C), discípulo de Leucipo, sostenía que el elemento último de la división de la materia, es el átomo, partícula eterna, indivisible, invisible y homogénea

El siguiente avance se dio recién en el año 1773, gracias al importante trabajo del químico Francés Antoine-Laurent de Lavoisier, quien postuló que la materia no se crea ni se destruye, sino que simplemente se transforma...

Desde entonces se realizaron importantes descubrimientos para la época, que poco a poco fueron forjando la evolución de la teoría atómica para llegar al modelo atómico actual

ELECTRÓLISIS de Michael FaradayAl descomponer sustancias aplicando corriente eléctrica puso de manifiesto la relación existente entre la estructura interna de la materia y su carga eléctrica

Es decir, la materia posee una parte de ella con carga eléctrica negativa. Quizás también con carga positiva…

MODELO ATÓMICO de John DaltonEn 1794, el químico y físico francés J. Dalton propuso el primer modelo atómico con bases científicas. En su trabajo se afirmaba que la materia está compuesta por partículas muy pequeñas (átomos) indivisibles e indestructibles, aún después de combinarlas en las reacciones químicas.

También descubrió que los átomos de un mismo elemento son iguales, y que se podían formar compuestos químicos uniendo dos o más átomos de distintos elementos.

LOS RAYOS CATÓDICOS de Julius Plücker (1858)En 1897, Thompson estudió estos rayos observando que cuando en un tubo de vidrio al vacío, con electrodos a gran voltaje se produce una descarga, se aprecia una luminosidad o fluorescencia verdosa en la pared localizada frente al cátodo (ánodo), que los investigadores supusieron que era debida a la existencia de unos rayos procedentes de allí (rayos catódicos).

Thomson, al estudiar las propiedades y los efectos de los rayos catódicos, dedujo inicialmente su carácter corpuscular y la naturaleza eléctrica negativa (había descubierto los electrones).

Según Thomson, estos rayos: Se propagan en línea recta.Al colocar un imán, se produce la desviación de los rayos. Producen efectos mecánicos, térmicos, químicos y luminosos.Si se pone unas aspas delante, las hace girar, demostrando así que eran partículas con masa de la materia. Sus componentes, son universales, puesto que al cambiar el gas contenido en el tubo, no cambia la naturaleza de los rayos.

RAYOS CANALES Eugen Goldstein (1886)Los rayos canales, también conocidos con el nombre de rayos anódicos o positivos, son haces de rayos positivos constituidos por cationes atómicos o moleculares que se desplazan hacia el átomo más cercano y se introducen en el núcleo para así formar el rayo anódico electrodo negativo en un tubo de Crookes.

RAYOS X de Roentgen (1895)Cuando los rayos catódicos chocan contra la superficie de un metal (que hace de ánodo) se produce la emisión de una radiación electromagnética muy fuerte, que al ser desconocida se le llamó rayos X. Wilhelm Roentgen los descubrió mientras experimentaba con tubos de Hittorff-Crookes y la bobina de Ruhmkorff al investigar la fluorescencia que producían los rayos catódicos.

Tras cubrir el tubo con un cartón negro para eliminar la luz visible, observó un débil resplandor amarillo-verdoso proveniente de una pantalla, que desaparecía al apagar el tubo. Determinó que los rayos creaban una radiación muy penetrante, pero invisible, que atravesaba grandes espesores de papel e incluso metales poco densos. Usó placas fotográficas, para demostrar que los objetos eran más o menos transparentes a los rayos X dependiendo de su espesor y realizó la primera radiografía humana, usando la mano de su mujer

LA RADIACTIVIDAD de Henry Becquerel (1896)Descubrió que ciertas sales de uranio emiten radiaciones espontáneamente, al observar que velaban las placas fotográficas envueltas en papel negro. Hizo ensayos con el mineral en diversas formas y la intensidad de la misteriosa radiación era siempre la misma.

Por tanto, esta nueva propiedad de la materia, que recibió el nombre de radiactividad, no dependía de la forma física o química en la que se encontraban los átomos del cuerpo radiactivo,

sino que era una propiedad del interior mismo del átomo.

Modelo atómico de Thompson (1897)Luego del descubrimiento del electrón por Thomson, se determinó que la materia se componía de dos partes, una negativa y una positiva. La parte negativa estaba constituida por electrones, los cuales se encontraban según este modelo inmersos en una masa de carga positiva a manera de pasas en un pastel o uvas en gelatina

Este modelo es también conocido como “Budín con pasas”

Modelo atómico de Jean Perrin (1898)

Jean Baptiste Perrin propuso un modelo modificado a partir del modelo de Thompson donde las "pasas" (electrones) se situaban en la parte exterior del "pastel“.

Y el “pastel” era la parte positiva del átomo

TEORÍA CUÁNTICA de Max Planck (1900)Fue Max Planck quien enunció la hipótesis de que la radiación electromagnética es absorbida y emitida por la materia en forma de «cuantos» de luz o fotones de energía mediante una constante estadística, que se denominó constante de Planck.

Su historia es inherente al siglo XX, ya que la primera formulación cuántica de un fenómeno fue dada a conocer por él mismo, el 14 de diciembre de 1900 en una sesión de la Sociedad Física de la Academia de Ciencias de Berlín.

Rayo Fotónico

INTERPRETACIÓN DEL FENÓMENO FOTOELÉCTRICO Einstein (1905)Cuando luz de alta frecuencia cae sobre una superficie pulida de un metal, logra arrancar electrones convirtiendo la energía del fotón en un trabajo para arrancar el electrón de la superficie del metal.

Einstein interpretó este fenómeno usando la cuántica de Max Planck

Modelo atómico de Rutherford (1911)

Este modelo fue desarrollado por el físico Ernest Rutherford (1911). Superó al modelo de Thomson, al decir que el átomo se compone de una parte positiva y una negativa, sin embargo, postula que la parte positiva se concentra en un núcleo, el cual contiene virtualmente toda la masa del átomo, mientras que los electrones se ubican alrededor del núcleo en órbitas circulares o elípticas con un espacio vacío entre ellos. El modelo es conocido como un Sistema Planetario Solar en miniatura. Rutherford predijo la existencia del neutrón en el año 1920.

Por desgracia, el modelo atómico de Rutherford presentaba varias incongruencias: * Contradecía las leyes del electromagnetismo de Maxwell. Según las leyes de Maxwell, una carga eléctrica en movimiento (el electrón) debería emitir energía constantemente en forma de radiación y llegaría un momento en que este caería sobre el núcleo y la materia se destruiría. Todo ocurriría muy brevemente. * No explicaba los espectros atómicos.

Experiencia de Rutherford

Modelo atómico de Niels Böhr (1913)

Es un modelo para el átomo de hidrógeno tomando como punto de partida el modelo de Rutherford, Niels Bohr trata de incorporar los fenómenos de absorción y emisión de los gases, así como la nueva teoría de la cuantización de la energía desarrollada por Max Planck y el fenómeno del efecto fotoeléctrico observado por Einstein.

“El átomo es un pequeño sistema solar con un núcleo en el centro y electrones moviéndose alrededor del núcleo en órbitas bien definidas y circulares.” Las órbitas están cuantizadas (los electrones pueden estar solo en ciertas órbitas o niveles de energía).

* Cada órbita tiene una energía asociada. La más externa es la de mayor energía. * Los electrones no radian energía (luz) mientras permanezcan en órbitas estables. * Los electrones pueden saltar de una a otra órbita. Si lo hace desde una de menor energía a una de mayor energía absorbe un cuanto de energía (una paquete de energía),

igual a la diferencia de energía asociada a cada órbita. Si pasa de una de mayor a una de menor, pierde energía en forma de radiación ( cuanto de luz) o fotón.

Modelo atómico de Sommerfeld (1916)

El físico alemán Arnold Sommerfeld, creó este modelo para mejorar al modelo de Bohr porque tenía insuficiencias, ya que aunque funcionaba perfectamente para el átomo de hidrógeno, no explicaba los espectros realizados para los átomos de otros elementos, Sommerfeld llegó a la conclusión, de que este comportamiento de los electrones se podía explicar, si dentro de un mismo nivel de energía existían distintos subniveles energéticos, lo que hacía que hubiesen diversas variaciones de energía, dentro de un mismo nivel.

Teóricamente, en 1916, Sommerfeld perfecciona el modelo de Bohr, intentando solucionar sus dos defectos con dos variantes: Los electrones describían órbitas cuasi- elípticas. Los electrones tienen velocidades relativistas. Una órbita céntrica dio lugar a un nuevo número cuántico, que se denominaría como Azimutal y que definiría la forma de los orbitales

ECUACIÓN DE ONDA de Schrodinger (1925)Formuló una ecuación que permitió evaluar los niveles cuantificados de energía del electrón en el átomo de hidrógeno, explicando el espectro de emisión del hidrógeno (regiones de probabilidad electrónica o REEMPES) descritos por ciertos parámetros o números cuánticos (n, l, ml). En razón del carácter probabilista que se introducía, la mecánica ondulatoria de Schrödinger suscitó inicialmente la desconfianza de algunos físicos como Einstein y del mismo Schrödinger.

Modelo atómico de Erwin Schrödinger (1926)

Después de que De Broglie propuso la naturaleza ondulatoria de la materia en 1924, la cual fue generalizada por Schrödinger en 1926, se actualizó nuevamente el modelo del átomo. En este modelo se abandona la concepción de los electrones como esferas diminutas con carga que giran en torno al núcleo, que es una extrapolación de la experiencia a nivel macroscópico hacia las diminutas dimensiones del átomo.

En vez de esto, Schrödinger describe a los electrones por medio de una función de onda, el cuadrado de la cual representa la probabilidad de presencia en una región delimitada del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce como orbital. La gráfica siguiente muestra los orbitales para los primeros niveles de energía disponibles en el átomo de hidrógeno.

DUALIDAD DEL ELECTRÓN de Broglie (1924)

En 1924, el físico francés, Louis-Victor de Broglie, formuló una hipótesis en la que afirmaba que: “Toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico”. Así estableció que el electrón tiene naturaleza ondulatoria y a la vez es una partícula. Tomó como base la teoría de Planck y la explicación del efecto fotoeléctrico de Einstein.

Actualmente se considera que la dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”.

PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE de Heisenberg (1925)Werner Heisenberg enunció que: “Es imposible determinar la posición y la cantidad de movimiento en forma exacta y simultánea. Todo cálculo, incluiría una incertidumbre.

En otras palabras, cuanta mayor certeza se busca en determinar la posición de una partícula, menos se conoce su cantidad de movimientos lineales y por tanto, su masa y velocidad.

ECUACIÓN DE ONDA RELATIVISTA de Paul Dirac (1928)Esta ecuación de la mecánica cuántica fue formulada por Dirac. Describe las partículas elementales de espín ½, como el electrón, y es completamente consistente con los principios de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad especial.

Describe los estados probables electrónicos con los números cuánticos además obtiene soluciones para un electrón positivo que se descubriría después con el nombre de positrón. Además de dar cuenta del espín, la ecuación predice la ocurrencia de antipartículas.

DESCUBRIMIENTO DEL NEUTRÓN por Chadwick (1932)El físico inglés James Chadwick, realizó experimentos de los que obtuvo resultados que no concordaban con los que predecían las fórmulas físicas: la energía producida por la radiación era muy superior y en los choques no se conservaba el momento. Para explicar tales resultados, era necesario optar por una de las siguientes hipótesis: o bien se aceptaba la no conservación del momento en las colisiones o se afirmaba la naturaleza corpuscular de la radiación. Como la primera hipótesis contradecía las leyes de la física, se prefirió la segunda. Así, los resultados quedaban explicados pero era

necesario aceptar que las partículas que formaban la radiación no tenían carga eléctrica. Tales partículas tenían una masa muy semejante al protón, pero sin carga eléctrica, por lo que se pensó que eran el resultado de la unión de un protón y un electrón (dipolo eléctrico). Posteriores experimentos descartarían la idea del dipolo y se conoció la naturaleza de los neutrones. Chadwick completó el modelo del átomo.

En 1924, el sabio peruano Santiago Antúnez de Mayolo, durante el III Congreso Científico Panamericano presenta la ponencia “Hipótesis sobre la constitución de la materia”, en la que predijo la existencia de un elemento neutro dentro del átomo, 8 años antes de su descubrimiento.

Así mismo predijo también la existencia de un electrón positivo: el positrónCabe resaltar al respecto, que en la actualidad en ninguna obra especializada sobre el neutrón se menciona la predicción de Antúnez de Mayolo.

SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO Y EL NEUTRÓN (1924)

Hay seis tipos distintos de quarks que los físicos de partículas han denominado de la siguiente manera:

● up (arriba) ● down (abajo) ● charm (encanto) ● strange (extraño) ● top (cima) ● bottom (fondo).

LOS QUARKs de Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima (1964)Los quarks, junto con los leptones, son los constituyentes fundamentales de la materia. Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas tales como protones y neutrones. Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales. Forman, junto a los leptones, la materia visible.

Fueron nombrados arbitrariamente basados en la necesidad de nombrarlos de una manera fácil de recordar y usar, además de los correspondientes antiquarks. Las variedades extraña, encanto, fondo y cima son muy inestables y se desintegraron en una fracción de segundo después del Big Bang, pero los físicos de partículas pueden recrearlos y estudiarlos. Las variedades arriba y abajo sí se mantienen, y se distinguen entre otras cosas por su carga eléctrica.