LA COMPOSICIÓN DE LA MATERIA (II)

Como ya vimos en el anterior artículo, Ernest Rutherford recupera la idea de Hantaro Nagaoka de modelo planetario y lo desarrolla en su propia teoría, en el conocido modelo atómico de Rutherford.

Este modelo surgió como explicación al experimento de la láminda de oro (también conocido como experimento de Rutherford)  realizado por Hans Geiger y Ernest Marsden en 1909. El resultado fue un modelo con un núcleo atómico, que concentra toda la carga positiva y unas cien mil veces más pequeño que el diámetro atómico, con electrones orbitando a su alrededor. Después de Nagakoa es el modelo atómico más próximo al actual en el que se empiezan a vislumbrar las características que hoy damos por hecho.

Modelo de Borh

Basándose en el modelo atómico de Rutherford, Niels Borh creó el modelo atómico que lleva su nombre. Pero Bohr lo complementaría recogiendo, por un lado las investigaciones de Max Planck y por el otro las de Alber Einstein . De este último no recogio nada sobre las teorías de la relatividad, sino sobre el efecto fotoeléctrico (o efecto Compton) por el que Einstein recibió el premio nobel.

En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana posible al núcleo. El electromagnetismo clásico predecía que una partícula cargada moviéndose de forma circular emitiría energía por lo que los electrones deberían colapsar sobre el núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este problema Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante. Este número "n" recibe el nombre de Número Cuántico Principal.

Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado y sólo podía variar en fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno. Estos niveles en un principio estaban clasificados por letras que empezaban en la "K" y terminaban en la "Q".Posteriormente los niveles electrónicos se ordenaron por números. Cada órbita tiene electrones con distintos niveles de energía obtenida que después se tiene que liberar y por esa razón el electrón va saltando de una órbita a otra hasta llegar a una que tenga el espacio y nivel adecuado, dependiendo de la energía que posea, para liberarse sin problema y de nuevo volver a su órbita de origen.

Este modelo está basado en tres postulados principales:

1.   Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo del átomo sin radiar energía.
2.  No toda órbita para electrón está permitida, tan solo se puede encontrar en órbitas cuyo radio cumpla que el momento angular, L, del electrón sea un múltiplo entero de 
   .
3.  El electrón solo emite o absorbe energía en los saltos de una órbita permitida a otra. En dicho cambio emite o absorbe un fotón cuya energía es la diferencia de energía entre ambos niveles. 

 Fuente : Wikipedia .

Modelo de Sommerfeld 

 El modelo atómico de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno, sin embargo, en los espectros realizados para átomos de otros elementos se observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía, mostrando que existía un error en el modelo. Fué Arnold Sommerfeld quien postuló un nuevo modelo en el que concluía que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles, es decir, energías ligeramente diferentes.  Sommerfeld estudió la cuestión para electrones relativistas, ya que encontró que una fracción notable de los electrones se movían a velocidades próximas a la velocidad de la luz.

 Para hacer coincidir las frecuencias calculadas con las experimentales, Sommerfeld postuló que el núcleo del átomo no permanece inmóvil, sino que tanto el núcleo como el electrón se mueven alrededor del centro de masas del sistema, que estará situado muy próximo al núcleo al tener este una masa varios miles de veces superior a la masa del electrón.

 Para explicar el desdoblamiento de las líneas espectrales, observando al emplear espectroscopios de mejor calidad, Sommerfeld supone que las órbitas del electrón pueden ser circulares y elípticas. 

Como resumen, cabría decir que:

- Los electrones se mueven alrededor del núcleo, en órbitas circulares o elípticas.

- A partir del segundo nivel energético existen dos o más subniveles en el mismo nivel.

- El electrón es una corriente eléctrica minúscula.

Fuente: Wikipedia

Relativos:

   - LA COMPOSICIÓN DE LA MATERIA (I)

Referencias:

  - Landau & Lifshitz: Mecánica, Ed. Reverté, Barcelona, 1991. ISBN 84-291-4081-6.

  - Modelo atómico de Borh

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LA COMPOSICIÓN DE LA MATERIA (I)

Aire, agua, tierra y fuego han sido los materiales que, desde la edad de piedra, el ser humano a reconocido y utilizado. No fue hasta el inicio de la ciencia moderna, con la escuela Jónica, en la antigua Grecia, que el ser humano no se planteó cual era la composición básica de todo lo que lo rodeaba.

Fue Leucipo de Mileto⁽¹⁾, maestro de Demócrito, quien en el siglo V e.a.⁽²⁾ fundó la escuela atomista, la cual afirmaba que la realidad estaba formada por partículas infinitas, indivisibles, de formas variadas y siempre en movimiento llamadas átomos, que significa “indivisible” («ἄτομον» - «sin partes»). Afirmaban que la materia estaba formada por partículas materiales indestructibles, desprovistas de cualidades y que no se distinguen las unas de las otras más que por la forma y dimensión⁽³⁾.

Siempre su asocia la idea de la primera teoría atómica a John Dalton ⁽⁴⁾ y, no sin razón. Pero a decir verdad fué Mijail Vasílievich Lomonósov quien, en unos artículos escritos entre 1743 y 1744 ( “Sobre las partículas físicas intangibles que constituyen las sustancias naturales” y “Sobre la adhesión de los corpúsculos”) recupera este concepto de átomo y lo plasma de forma evidente en un tercer artículo donde utiliza en término mónada (acuñado por Leibniz), con el título “Sobre la adhesión y la posición de las mónadas físicas”.

John Dalton ⁽⁴⁾, alimentandose de las ideas de Leucipo de Mileto y, conocedor de los trabajos de Lomonósov, propone de nuevo una teoría atómica pero, esta vez, con bases científicas. Esta ley fué formulada para explicar porqué ciertas reacciones químicas se daban solamente, en proporciones constantes (la denominada Ley de las proporciones constantes⁽⁵⁾ ). Dalton explicó su teoría en base a seis enunciados simples:

1. La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.
2. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos de diferentes elementos tienen pesos diferentes. Comparando los pesos de los elementos con los del hidrógeno tomado como la unidad propuso el concepto de peso atómico relativo .
3. Los átomos permanecen sin división, aún cuando se combinen en las reacciones químicas.
4. Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.
5. Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.
6. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos.

Dados los conocimientos actuales, el modelo atómico de Dalton puede parecernos insuficiente e, incluso, un poco infantil, pero constituyó el primer intento basado en evidencias y pruebas científicas de explicar como y porqué estaba constituida la materia. Eso sin contar que serviría de base para todos los modelos posteriores que, sin duda, han resultado cruciales en el avance científico y técnico de la actualidad.

Varios átomos y moléculas representados en A New System of Chemical Philosophy (1808 de John Dalton )

A finales del siglo XIX hay dos descubrimientos clave en el avance de nuestro conocimiento de la composición de la materia. Por un lado, en 1896, Henri Becquerel⁽⁶⁾ descubriría la radiactividad trabajando con sales de uranio. Descubrió que al colocar sales de uranio sobre una placa fotográfica en una zona oscura, esta se ennegrecía, debido a que la radiación emitida por el uranio atravesaba elementos opacos a la luz ordinaria.

Al año siguiente, Joseph John Thomson⁽⁸⁾, descubriría el electrón. Determinó que la materia estaba constituida por una parte positiva y otra negativa. Y en 1898⁽⁷⁾, el matrimonio Curie descubrirá el Polonio y el Radio.

Con toda esta serie de eventos, el propio Joseph John Thomson, en 1903, propondrá su propio modelo atómico, en el que se incluyen por primera vez la polaridad de cargas, existiendo una carga positiva y otra carga negativa. Su modelo es popularmente conocido como el “modelo del puding de pasas” ya que propone que el átomo es una esfera de carga positiva, con los electrónes “incrustados” por toda su superficie, de forma uniforme, de forma similar a como veríamos las pasas en un punding.

Modelo atómico de Thomson

Pero este modelo, que aunaba las virtudes del modelo de Dalton, con los resultados obtenidos con los tubos de rayos catódicos (la existencia de una carga negativa), chocaba frontalmente con la teoría de la dispersión de Rutherford⁽⁹⁾ (también conocida como dispersión de Couloumb - 1909). Esta teoría explicaba la dispersión de partículas eléctricamente cargadas, al acercarse a un centro de dispersión que también estaba cargado eléctricamente (experimento de Rutherford⁽¹⁰⁾). Con este experimento se llegó a la conclusión de que la carga positiva y la mayor parte de la masa del átomo debía estar concentrada en un pequeño espacio en el centro del átomo.

Un año después de que Joseph John Thomson desarrollara su teoría atómica, en 1904, Hantaro Nagaoka⁽¹¹⁾ desarrolló un modelo planetario, en el que consideraba que existia un centro cargado positivamente, muy masivo, mientras que los electrónes lo rodeaban orbitando a una distancia y unidos a él por fuerzas electrostáticas, de forma similar a como veríamos los anillos con Saturno.

El propio Nagaoka desecharía su propia teoría en 1908, pese a que el antes mencionado experimento de Rutherford diera confirmación experimental a su teoría. Nagaoka consideró que los anillos se repelerían entre sí, dando lugar a un modelo inestable.

El propio Rutherford, en el artículo que escribió, proponiendo la existencia de un núcleo atómico, cita a Nagaoka, como base de su teoría. Como veremos más adelante, esta es la base del modelo de Bohr (también conocido como modelo atómico) y que resultaría fundamental para los siguientes modelos actuales.

(Continuará...)

Relacionados:

   - LA COMPOSICIÓN DE LA MATERIA (II) 

Referencias:

1. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Leucipo_de_Mileto
2. - Acrónimo que significa “Era Común” (en inglés se encontrará como c.a. - Common Age). Es el sustitutivo de lo que anteriormente se denominaba d.c. (después de Cristo).
3. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Atomismo
4. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/John_Dalton
5. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_las_proporciones_constantes.
6. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Henri_Becquerel
7. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Marie_Curie y http://es.wikipedia.org/wiki/Pierre_Curie
8. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Thomson
9. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Dispersi%C3%B3n_de_Rutherford
10. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Rutherford
11. - Ver ref. http://en.wikipedia.org/wiki/Hantaro_Nagaoka

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