El átomo: historia, definición, estructura y teoría atómica moderna

¿Qué es un átomo?

aprende mas sobre los atomosYa en el 400 a.C el ser humano se cuestionaba sobre la estructura de la materia y sobre cuáles eran los bloques fundamentales invisibles que componían todo lo macroscópico que nos rodea. Por aquellos años, un filosofo griego, Demócrito, llego a la conclusión de que toda la materia debía de estar compuesta por partículas elementales (es decir indivisibles) que llamo átomos (“átomo” deriva de la palabra griega que significa indivisible). Si bien su brillante intuición fue abandonada por mas de 2000 años, en el 1700, los científicos comenzaron a darse cuenta de que el concepto de átomo dado por Demócrito explicaba varios fenómenos químicos.

Los avances tecnológicos del 1800, permitieron a Dalton demostrar que lo que había planteado Demócrito, tenia fundamento científico, si bien con algunas correcciones. El factor más importante es que las afirmaciones de Dalton estaban basadas en los resultados (experimentales y reproducibles) de las medidas efectuadas por varios científicos. Si bien las tecnologías empleadas en aquella época no permitían profundizar el conocimiento de estas «misteriosas» partículas llamadas «átomos», Dalton construyó las bases de la teoría atómica moderna.

Hoy en día sabemos que un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que mantiene sus características químicas después de las transformaciones físicas y químicas.

También sabemos que el átomo no es indivisible, ni tampoco una partícula fundamental. La estructura atómica está construída por partículas subatómicas que para nuestros estudios de química consideraremos fundamentales (existen partículas más pequeñas que conforman las 3 que los químicos consideramos fundamentales, pero que son de interés físico)

Un átomo esta formado por un núcleo, formado por protones (partículas cargadas positivamente) y neutrones (partículas sin carga eléctrica) que dan estabilidad al núcleo reduciendo el efecto repulsivo entre los protones (cargas iguales «++» se repelen).

Alrededor del núcleo «giran» en diferentes niveles energéticos los electrones. Dado que el átomo es eléctricamente neutro, sabiendo que el protón es positivo, podemos deducir que el electrón es negativo y están presentes en igual cantidad que los protones. Es importante recordar esto, porque en la tabla periódica el numero atómico representa los números de protones, de los cuales se puede deducir el numero de electrones.

Los electrones se encuentran en zonas que se llaman orbitales, que son el lugar en donde existe mayor probabilidad de encontrar un electrón. Profundizaremos este concepto de configuración electrónica más adelante.

¿Y cómo se llegó a saber todo lo apenas mencionado? ¿Cómo se sabe que hay electrones en un átomo y que son negativos?

A inicios del 1800, diferentes experimentos evidenciaron que al hacer pasar una corriente eléctrica a través de un compuesto, este se descompone. De este resultado experimental se puede deducir que los elementos de un compuesto químico se mantienen unidos por fuerzas eléctricas.

Sucesivamente, la demostración de la existencia de los electrones fue proporcionada por los experimentos realizados con el tubo a rayos catódicos. El genial experimento consiste en un tubo de vidrio, lleno de gas mantenido a baja presión. A cada extremo del tubo fueron colocados dos electrodos: uno positivo (ánodo) detrás del cual fue instalada una pantalla fosforescente (o pantalla centellante) y uno negativo (cátodo).

imagen del experimento del tubo de rayos catodicos y el descubrimiento del electron

Aplicando una diferencia de potencial entre los electrodos se observó que el rayo producido generaba una sombra justo detrás del ánodo. Esto demostró cual era la dirección del rayo catódico.

dirección del rayo catodico

Se llama catódico porque las partículas desprendidas viajan desde el cátodo al ánodo. Para demostrar que este rayo de partículas era negativo, externamente al tubo se aplicaron 2 placas metálicas cargadas eléctricamente y se observó que la desviación del rayo catódico era propia de las partículas eléctricamente negativas.

acción de un campo eléctrico sobre un rayo catodico

Para estar más seguros se aplicó un campo magnético y los resultados estaban de acuerdo con las desviaciones propias de las cargas negativas.

aplicacion de un campo magnetico a un tubo de rayos catodicos

Quedaba por investigar si estas partículas poseen una masa, con tal fin, se colocó en la trayectoria del rayo, una rueda de paletas. Se observó que cuando el rayo la golpeaba, esta se movía, por lo que se dedujo que el electrón, además de poseer carga eléctrica negativa, tiene una masa.

rayo catodico y determinacion de la masa del electron

Posteriormente, analizando los resultados, Thomson determinó la relación masa/carga, pero eran necesarios otros experimentos para determinar uno de los dos factores para poder calcular el otro. Robert Milikan en el 1909 con el experimento de la gota de aceite pudo determinar la masa del electrón. La masa del electrón es de 9,109 x 10-28 gramos, es decir 1/1836 la masa del átomo de hidrógeno.

El protón fue descubierto con un procedimiento similar al del rayo catódico. En esta ocasión al cátodo se le hacían pequeños orificios. En dirección contraria a los electrones, migraban los iones del gas que rellenaba el tubo. De este experimento se concluyó que existen partículas con carga opuesta a la del electrón y con masa 1836 veces más grande respecto a la partícula negativa.

El neutrón fue descubierto en el 1932, bombardeando con partículas alfa algunas muestras de berilio. En esta experiencia se observó que se desprendían partículas de masa apenas superior a la del protón, pero sin carga eléctrica.

Explicación del experimento de las gotas de aceite.

¿Cómo fue descubierta la masa y la carga del electrón?

En un recipiente cilíndrico, se instalaron 2 placas metálicas, una en el fondo, cargada negativamente y una un poco más abajo del borde superior, cargada positivamente. Se nebuliza el aceite sobre la capa superior, que posee un orificio al centro. A través del orificio caen gotas de aceite que son bombardeadas con rayos X, cuya función es la de cargar negativamente las gotas. Sucesivamente se aplica una diferencia de potencial entre las placas y con la justa calibración, aprovechando de los fenómenos de atracción y repulsión, se logra vencer la fuerza de gravedad y se logra inmovilizar la gota que queda «suspendida» justo delante de un microscopio que permite efectuar las mediciones necesarias para calcular la carga eléctrica presente en la gota, conociendo la masa y la diferencia de potencial aplicada. Milikan notó que las cargas medidas eran múltiplo de un mismo numero, y concluyó que la carga más pequeña era la carga de un electrón. Utilizando la relación carga/masa (1,75882 x 108 C) se pudo calcular la masa del electrón.descripcion del experimento de milikan

Estructura del átomo

Thomson había propuesto una estructura donde el átomo era una masa de cargas positivas en la cual estaban distribuidos los electrones, lo más alejados posible unos de otros. A este modelo se le dió el nombre de “ budín de pasas” por su similitud con el mismo.

modelo atomico de Thomson

Esta teoría fue corregida sucesivamente por Rutherford, que realizó el famoso experimento de la lamina de oro. Disparando partículas alfa contra la lamina de oro, estas partículas aun más densas que un átomo de oro, (si la estructura propuesta por Thompson era correcta) debían ser desviadas de pequeños ángulos. Se observó sin embargo, que casi todas las partículas alfa atravesaban la lamina de oro; algunas eran desviadas de muy poco y otras, sorprendentemente volvían a la fuente.

Este fue el inicio de la moderna estructura atómica. Rutherford concluyó:

El átomo está constituido por un núcleo, denso y pequeño que contiene protones y neutrones (la existencia estaba demostrada por las partículas que rebotaban y volvían a la fuente). Alrededor del núcleo a distancia relativamente grande (se explica por qué la mayor parte de las partículas alfa atravesaban la lamina, porque el átomo esta constituido en gran parte de espacio vacío) se encuentran los electrones (que desvían de muy poco las partículas alfa).

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