MODELOS ATOMICOS

Introduccin:

Toda la materia est compuesta por partculas pequeas e indivisibles llamadas tomos, a lo largo de la historia se han desarrollado diferentes modelos atmicos que explican el comportamiento y propiedades de estas diminutas partculas, con el fin de poder exponer las propiedades del mundo material que nos rodea.

En Ciencia, un modelo intenta explicar una teora mediante una comparacin. Un modelo ser tanto ms perfecto cuanto ms claramente explique los hechos experimentales. El modelo es vlido mientras explica lo que ocurre en los experimentos; en el momento en que falla, hay que modificarlo.1

Objetivos:

A lo largo de este trabajo se pretende explicar cmo ha sido el desarrollo histrico del tomo, adems se pretende revelar las fallas que han presentado estos modelos y como a travs del tiempo la fsica clsica se va dejando a un lado para darle paso a la fsica cuntica, la cual explica de una manera ms exacta la disposicin de estas pequeas partculas llamadas tomos.

A continuacin se desarrolla cronolgicamente la historia de los modelos atmicos.

1. MODELO ATOMICO DE LEUCIPO Y DEMOCRITO

El primer modelo atmico del cual se data es del ao 400 aC, Leucipo, filsofo griego, propone la primera teora atmica denominada la Discontinuidad de la Materia, la cual explicaba que la materia poda ser dividida indeterminadamente en partculas cada vez ms pequeas hasta llegar a tener partculas diminutas e indivisibles, las cuales fueron nombradas por Demcrito, quien era discpulo de Leucipo y filsofo griego presocrtico,

1 http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema4/index4.htm

como tomos palabra que provena de vocablos griegos: (a = sin) y (tomon) que significa corte o divisin, o sea "sin cortar", o algo que no se puede dividir2.

En la figura 1 podemos observar como la materia era dividida hasta llegar al lmite de la divisin que sera el tomo

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Figura [1]

La teora afirmaba que:

Los tomos son eternos, indivisibles, homogneos, incomprensibles e invisibles. Los tomos se diferencian en su forma y tamao. Las propiedades de la materia varan segn el agrupamiento de los tomos.

Sin embargo para la poca la teora no tuvo gran aceptacin, siendo olvidada debido a que existan eruditos como Aristteles y Empdocles que proponan que el universo estaba compuesto por los cuatro elementos tierra, agua, fuego y aire; lo cual fue ms aceptado y propagado.

Las doctrinas del atomismo se perpetuaron por medio del poema De Rerum Natura, escrito alrededor del ao 50 A.C. por el poeta romano Lucrecio.

Unos veinte siglos despus (1661), el fsico y qumico ingles Robert Boyle en su libro el Qumico Escptico, acepto la existencia del tomo; Isaac Newton, en su obra Principia (1867) y pita (1704), tambin acepto la teora atomista de la materia.

2. LA TEORIA ATOMICA DE DALTON

2 http://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCEQFjAA&url=http%3A%2F%2Fetimologias.dechile.net%2F%3Fa.tomo&ei=gS_xVPjSJ6nIsQSU6oL4Ag&usg=AFQjCNFNwSx3WNIj2zrPTX2W4rZXhM20rA&bvm=bv.87269000,d.cWc

En 1808, John Dalton (naturalista, qumico, matemtico y meteorlogo britnico) public su teora atmica donde retomaba las antiguas ideas de Leucipo y Demcrito.

Dalton publico sus estudios en el Nuevo sistema de filosofa qumica donde se plantea que la materia est constituida por partculas muy pequeas llamadas tomos, los cuales no se pueden dividir ni romper, adems no se crean ni se destruyen en ninguna reaccin qumica y nunca cambian, es decir que siempre conservan sus propiedades. Adems se define elemento como sustancia pura formada por tomos iguales; si la sustancia es simple se habla de tomos simples, mientras que si la sustancia es compuesta se habla de tomos compuestos.

Se propone que los tomos del mismo elemento tienen la misma masa, el mismo tamao y las mismas propiedades fsicas y qumicas, mientras que los tomos de diferentes elementos tienes distinta masa y propiedades. Por lo cual Dalton establece un sistema [figura 2] para designar a cada tomo con el fin de distinguirlos.

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[Figura 2]

Al tener definidos los anteriores conceptos se llega a los compuestos (lo que para nuestros das se le llama molculas) definidos como una unin de tomos de diferentes elementos que se unen segn una relacin numrica sin dividirse, manteniendo relaciones simples.

Por ltimo se propuso que los tomos se podan combinar en ms de una relacin numrica para formar diferentes compuestos, pero estos no estaran formados por tomos de un mismo elemento solamente, lo que impeda la existencia de sustancias como H2, O2, N2, P4, etc.: [figura 3]

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[Figura 3]

La teora de Dalton no fue cuestionada sino hasta la mitad del siglo XIX, aunque presentaba insuficiencias fue la base del desarrollo de la qumica moderna, aceptando que la materia est formada por tomos.

3. MODELO ATOMICO DE THOMSON

En 1897. J.J Thomson demostr que los rayos estaban formados por una corriente de partculas cargadas negativamente, que llam electrones. En 1907 propuso que gran parte de la masa del tomo corresponda a cargas positivas, percibindolo como una especie de esfera positiva y continua donde los electrones se encontraban incrustados en ella y eran suficientes para neutralizar la carga positiva.

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Figura [4]: Cargas negativas (rojo) incrustadas dentro de una masa positiva. En la poca se compar este modelo con una tarta con uvas pasas.

Fenmenos experimentales como la electrizacin (El tomo puede ser negativo si gana un electrn o positivo si pierde un electrn) y la formacin de iones fueron explicados gracias a este modelo.

4. MODELO ATOMICO DE JEAN BAPTISTE PERRIN

Poco despus, en 1901 Jean Perrin fsico-qumico francs galardonado con el Premio Nobel de Fsica, modifico la estructura del modelo atmico de Thomson, donde ubicaba a los electrones en la parte exterior de la masa positiva, sugiriendo que las cargas negativas son externas.

Afirmo que cada tomo estara constituido por una o varias masas muy fuertemente cargadas de electricidad positiva, una especie de soles positivos cuya carga sera muy superior a la de un electrn. Adems los electrones serian pequeos planetas negativos que gravitan bajo la accin de las fuerzas elctricas; de tal manera que la carga negativa total equivale exactamente a la carga positiva total concluyendo que el tomo se encontraba elctricamente neutro.

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Figura [5] Se observa que a diferencia del modelo de Thomson las cargas negativas estaban nicamente ubicadas al exterior de la masa positiva.

5. MODELO ATOMICO DE RUTHERFORD

En 1911 Ernest Rutherford, qumico y fsico ingls, llev a cabo el Experimento de Rutherford, en el cual se bombardeaba una fina lmina de oro con partculas alfa (positivas) procedentes de un material radiactivo observando que la mayor parte de partculas alfa atravesaban la lmina sin cambiar de direccin, sin embargo algunas de estas se desviaban considerablemente y otras rebotaban hacia la fuente de emisin.

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Figura [6] Desviacin de los electrones en el bombardeo de partculas alfa a una lmina de oro.

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[Figura 7]: se observa que el modelo atmico de Thomson no explicaba la razn por la cual algunas partculas se desviaban y otras seguan su camino.

Rutherford afirm que el tomo posea un ncleo central en el cual se concentraba la carga positiva y casi toda la masa. Adems la carga positiva del ncleo se encontraba compensada por la carga negativa de los electrones fuera del ncleo, obteniendo as un nmero igual de protones y electrones. Para Rutherford los electrones giraban a grandes distancias del ncleo en orbitas circulares, calculando final y cuidadosamente su tamao (un dimetro del orden de 10-10 m) y el de su ncleo (un dimetro del orden de 10-14m).

6. MODELO ATOMICO DE BOHR

Gran parte de lo que se conoce acerca de la estructura electrnica de los tomos se averigu observando la interaccin de la radiacin electromagntica con la materia.

Para esta poca el origen de los espectros era desconocido hasta que se asoci la {2emisin de radiacin por parte de los tomos con el comportamiento de los electrones y su distancia a la que se encuentran del ncleo.

En 1913 Bohr uni las ideas del modelo atmico de Rutherford con las ideas de la Fsica Cuntica, basando su modelo en las siguientes hiptesis:

- Los electrones giran en ciertas orbitas estables3 y no en cualquier orbita.

- El electrn no emite energa al girar en estas orbitas - Si un tomo sufre alguna interaccin (ejemplo: impacto de un electrn) uno de sus

electrones puede pasar a otra rbita estable o ser arrancado del tomo, emitiendo energa al pasar de una rbita externa a una ms interna y absorbiendo energa de una interna a una rbita externa

3 Una rbita estable para Bohr es aquella para las cuales el momento angular del electrn es un mltiplo entero de h/2p.

siendo "h" la constante de Planck, m la masa del electrn, v su velocidad, r el radio de la rbita y n un nmero entero (n=1, 2, 3,...) llamado nmero cuntico principal, que vale 1 para la primera rbita, 2 para la segunda, etc.

- La orbita es definida como una trayectoria perfectamente definida que sigue el electrn.

Describe el tomo de hidrgeno con un protn en el ncleo y girando a su alrededor un electrn en la rbita ms cercana posible al ncleo, es decir se encuentra en el estado fundamental. Las orbitas corresponden a un determinado nivel energtico que recibi el nombre de nmero cuntico principal (n) tomando valores desde 1 a 7, de tal manera que la energa del electrn dependa nicamente de este nmero, cuando el electrn absorbe energa para pasar a una orbital de nivel ms alto se dice que el tomo se encuentra excitado.

Adems de esto fue posible calcular las velocidades del electrn cuando es atrado por el ncleo y confinado en una rbita n, disminuyendo su energa de la siguiente manera:

Con: RH constante que depende de la masa y la carga del electrn y cuyo valor es equivalente a 2.179 10.

7. MODELO ATOMICO DE SOMMERFELD

Arnold Sommerfeld fsico alemn generalizo el modelo atmico de Bohr, ya que este modelo solamente funcionaba con tomos de hidrgeno. Sommerfeld descubri que los electrones de un mismo nivel energtico posean distinta energa, concluyendo que dentro de cada orbita existan subniveles de energa las cuales variaban ligeramente.

Sus estudios concluyeron en que el tomo presentaba insuficiencia en los orbitales circulares propuestos por Bohr, por lo cual propuso los orbitales de forma casi-elptica. De all surgi el numero cuntico azimutal, el cual determina la forma de las orbitas, sus valores van desde 0 hasta n-1 y es representado con la letra l. De esta manera se clasifican de la siguiente forma:

- L=0 se denominaran posteriormente orbitales s o Sharp. - L = 1 se denominaran p o principal.

- L =2 se denominaran d o diffuse. - {2L = 3 se denominaran f o fundamental. 4

Los nmeros cunticos l y n fijaran entonces el semieje menor y mayor en su correspondiente orden.

4 https://quimicacorella.files.wordpress.com/2011/11/modelo-de-sommerfield.pdf

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Figura [8] Disposicin de las orbitas.

Adems basado en la teora de la relatividad de Einstein manifest que el ncleo y el electrn giraban alrededor del centro de masas del sistema, el cual se encuentra muy prximo al ncleo y posee una masa mucho ms grande que la del electrn.

8. MODELO ATOMICO ACTUAL

El modelo atmico actual se desarroll por Schrodinger en 1920 siendo un modelo de gran complejidad matemtica.

Para este modelo se tuvieron en cuenta tres descubrimientos importantes:

En 1924 Louis de Broglie propuso que el electrn tiene propiedades ondulatorias y de partcula; Werner Heisenberg en 1926 afirm que no se puede determinar la posicin y la velocidad del electrn lo que fue llamado como principio de incertidumbre.

En 1927 Erwin Schrodinger defini una ecuacin matemtica donde el electrn tena carcter de onda y de partcula al mismo tiempo.

Se defini orbital como una regin del espacio delimitada y con diferentes formas en la que la probabilidad de encontrar al electrn es mxima.

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Figura [9] En rojo se observa la zona con mayor probabilidad de encontrar un electrn.

Este modelo usa cuatro nmeros cunticos para definir un orbital, los cuales son:

- Nmero cuntico principal (n): Representa el nivel de energa y su valor es un nmero entero positivo, determinando el tamao de las orbitas y la distancia del electrn al ncleo.

- Nmero cuntico secundario o azimutal (l): Es asociado a la forma del orbital, sus valores pueden estar entre 0 y n-1. Entre ms grande sea este nmero la rbita ser ms excntrica, es decir la elipse que recorre el electrn ser ms aplanada.

En la siguiente figura se observa la excentricidad de algunas orbitas para valores diferentes de n:

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Figura [10] se observa los orbitales s esfricamente simtricos, los orbitales p son dos lbulos situados en lados opuestos al ncleo, orbitales d tienen diferentes orientaciones en el espacio. xi

- Nmero cuntico magntico (m): Describe las orientaciones espaciales de los orbitales, sus valores son enteros van desde l hasta l.

- Nmero cuntico de espn (s): Describe el giro del electrn entorno a su propio eje, los valores que pueden tomar son -1/2 y .

Se concluye que los nmeros cunticos son propios de cada electrn, reflejado en el principio de exclusin de Pauli (1925).

Los orbitales energticos se definen de manera creciente, de tal forma que la energa ocupada por los electrones sea la menor posible. Dentro de cada orbital existen diferentes subniveles ubicados en diferentes niveles de energa, los cuales tienen una capacidad mxima de electrones.

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Figura [12] Grfica de los diferentes niveles de energa.

Gracias a este modelo se pueden explicar los enlaces que originan las distintas sustancias qumicas, adems se pueden definir las propiedades de los tomos.

Conclusiones

A lo largo de la historia se ha descubierto que el universo est compuesto de energa y de materia, gracias a el estudio cada vez ms especializado de los tomos se han podido explicar fenmenos de la naturaleza, que en un principio y sin la inclusin de la fsica cuntica no se habran podido desarrollar. Es por esto que el estudio de los modelos atmicos ha sido constante, ya que las partculas son tan pequeas y tan inexplicables que an hay muchas preguntas por responder.

REFERENCIAS

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