Los modelos atómicos: una evolución histórica

El atomismo griego

La naturaleza atómica de la materia ya fue defendida en la antigua Grecia por Leucipo y Demócrito, en el siglo V a. C. Sin embargo, no fue una idea dominante en la época, y la concepción platónica y aristotélica, de una materia continua e indefinidamente divisible, fue la que se impuso y se perpetuó durante más de dos milenios.

La palabra átomo proviene del latín atŏmus, y esta del griego ἄτομον, átomon, que significa ‘indivisible’, ‘que no se puede cortar’.

leucipo-y-democrito

Leucipo y Demócrito

El modelo atómico de Dalton

No fue hasta el siglo XIX cuando el científico inglés John Dalton, basándose en sus propios estudios y en las experiencias previas de Lavoisier y Proust, entre otros, elaboró el primer modelo atómico (científico) de la materia, considerando que esta estaba formada en última instancia por pequeñísimas partículas indivisibles, carentes de estructura o composición interna.

El modelo atómico de Dalton se basa en los siguientes postulados:

  • La materia está formada por pequeñas partículas esféricas, indivisibles e inmutables, llamadas átomos.
  • Todos los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí y diferentes a los de otros elementos.
  • Los elementos se combinan entre sí en proporciones constantes y sencillas para formar compuestos.
  • En los procesos químicos los átomos no se destruyen ni se alteran, simplemente se reordenan formando compuestos distintos.

John Dalton fue el primero en utilizar, en 1803, símbolos para representar los elementos químicos:

Simbolos-elementos-quimicos-Dalton

Símbolos de los elementos propuestos por Dalton en 1803

El modelo atómico de Thomson

A finales del siglo XIX, el físico inglés J. J. Thomson experimentaba con tubos de descarga (tubos de Crookes), consistentes en tubos de vidrio que encerraban un gas a muy baja presión y dos placas metálicas que, al ser conectadas a una fuente de alimentación de alto voltaje, producían una emisión (rayos catódicos) desde la placa negativa (cátodo) a la placa positiva (ánodo). Thomson descubrió que estas emisiones estaban formadas realmente por pequeñas partículas cargadas negativamente, que hoy conocemos como electrones.

experimento rayos catodicos

La desviación de los rayos catódicos al ser sometidos a un campo eléctrico es una prueba de que las partículas que los forman poseen carga negativa.

El descubrimiento del electrón no solo posibilitó la comprensión de la naturaleza eléctrica de la materia, sino que hizo que se tuviera que reconsiderar la indivisibilidad del átomo. Thomson propuso que el átomo está formado por una esfera uniforme cargada positivamente en la que se incrustan los electrones, que aportan la carga negativa necesaria para que el átomo resulte eléctricamente neutro:

modelo-atomico-de-thomson

Modelo del átomo de Thomson

El modelo atómico de Rutherford

Un mayor conocimiento de la estructura atómica fue posible gracias a las experiencias llevadas a cabo por el neozelandés Ernest Rutherford, colega de Thomson, a principios del siglo XX. Lo que hizo fue bombardear una delgada lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio) procedente de una fuente radiactiva (polonio o radio):

Experimento de Rutherford

Lo que Rutherford observó fue que la mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse (o con una desviación mínima), algunas se desviaban de su trayectoria un ángulo considerable y un porcentaje mínimo de ellas rebotaban contra la lámina. Estos resultados le sorprendieron, pues indicaban que ni la materia era tan continua ni los átomos eran tan compactos como se suponía. Sus conclusiones principales fueron:

  • El átomo está en su mayor parte vacío, por lo que la mayoría de las partículas alfa lograban atravesarlo sin obstáculo.
  • La carga positiva del átomo está concentrada en una pequeña región del átomo, por lo que solo las partículas alfa (también cargadas positivamente) que se acercaban lo suficiente se desviaban de su trayectoria y, muy pocas, chocaban contra y rebotaban.

En resumen:

En el modelo atómico de Rutherford (1911), la carga positiva y casi toda la masa del átomo están concentradas en un núcleo central, y a grandes distancias de este se se mueven a gran velocidad los electrones, con carga negativa. 

Rutherford descubrió que la carga positiva del núcleo se debía a la existencia de una nueva partícula, el protón, con una carga idéntica a la del electrón pero de signo contrario y una masa casi dos mil veces mayor. Para que los protones se mantuvieran estables en el interior del núcleo atómico, sugirió la existencia de otra partícula, el neutrón (con una masa similar a la del protón, aunque sin carga eléctrica), que fue descubierta por el físico inglés James Chadwick en 1932.

Modelo-atómico-Rutherford.png

Modelo del átomo de Rutherford

El modelo atómico actual

A pesar de sus aciertos, el átomo descrito por Rutherford tiene un grave inconveniente: es inestable. Según la teoría electromagnética, toda carga en movimiento emite energía en forma de ondas electromagnéticas, por lo que un electrón en órbita alrededor del núcleo perdería energía y caería rápidamente en espiral hasta colapsar con él.

El modelo atómico propuesto por el físico danés Niels Bohr en 1913 resuelve este problema, e incorpora por primera vez conceptos ligados a la mecánica cuántica, aunque sigue siendo una explicación insuficiente. En la actualidad, la naturaleza y el comportamiento del átomo se explican con éxito mediante el modelo mecano-cuántico, uno de los pilares de la física moderna, cuya elaboración supone uno de los grandes logros de la ciencia del siglo XX.

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