Primeras teorías

Demócrito (460 – 370 a.C.)Si se dividía la materia en trozos cada vez más pequeños, deberíallegarse a una porción que ya no podría dividirse más.A esta porción mínima e indivisible, base de toda la materia, la llamó átomo (ατομο)

Aristóteles (384 – 322 a.C.)Teoría de los cuatro elementos: La materia está compuesta por cantidadesvariables de Tierra, Aire, Agua, Fuego.Estructura continua de la materiaLas ideas de Aristóteles sobre la estructura de la materia perduraron 20 siglos

Primeros modelos atómicos

Teoría atómica de Dalton (1808)Los elementos están formados por partículas muy pequeñas,llamadas átomos, que son indivisibles e indestructibles.Todos los átomos de un elemento tienen la misma masa atómica.Los átomos se combinan en relaciones sencillas para formar compuestos

John Dalton(1766-1844)

A finales del siglo XVIII y principios del XIX, Dalton, tras la experimentación cuantitativa de numerosos procesos químicos, Formuló las llamadas leyes clásicas de la química:

                                                                    

                                                                                                        

 

1. La ley de la composición definida o constante nos dice que un compuesto contiene siempre los mismos elementos en la misma proporción de masas. O expresada de otra manera, cuando dos elementos se combinan para dar un determinado compuesto lo hacen siempre en la misma relación de masas.

                               

                                                                  

                               

                                                                  

 

2. La ley de las proporciones múltiples. Formulada por el propio Dalton, se aplica a dos elementos que forman más de un compuesto: Establece que las masas del primer elemento que se combinan con una masa fija del segundo elemento, están en una relación de números enteros sencillos.

                                                                                                

               

 Teoría atómica de Dalton

                                 

Los principios fundamentales de esta teoría son:

1. La materia está formada por minúsculas partículas indivisibles llamadas átomos.2. Hay distintas clases de átomos que se distinguen por su masa y sus propiedades. Todos los átomos de un elemento poseen las mismas propiedades químicas. Los átomos de elementos distintos tienen propiedades diferentes.

 

3. Los compuestos se forman al combinarse los átomos de dos o más elementos en proporciones fijas y sencillas. De modo que en un compuesto los de átomos de cada tipo están en una relación de números enteros o fracciones sencillas.4. En las reacciones químicas, los átomos se intercambian de una a otra sustancia, pero ningún átomo de un elemento desaparece ni se transforma en un átomo de otro elemento.

                 

                                                                                         

               

Primeros modelos atómicosDescubrimiento del electrón (1897)Medida de la relación carga-masaExperimento de Millikan (1909)

Modelo atómico de Thomson (1904)

Joseph John Thomson(1856-1940)

Premio Nobel de Física 1906

 Descubrimiento del electrón

 

La primera evidencia de la existencia de partículas subatómicas se obtuvo de los estudios de la conductividad eléctrica de gases a bajas presiones.Los gases son aislantes para voltajes bajos, sin embargo, frente a voltajes elevados se vuelven conductores. Cuando en un tubo de vidrio que contiene un gas se hace parcialmente el vacío y se aplica un voltaje de varios miles de voltios, fluye una corriente eléctrica a través de él. Asociado a este flujo eléctrico, el gas encerrado en el tubo emite unos rayos de luz de colores, denominados rayos catódicos, que son desviados por la acción de los campos eléctricos y magnéticos.Mediante un estudio cuidadoso de esta desviación, J. J. Thomson demostró en 1897 que los rayos estaban formados por una corriente de partículas cargadas negativamente, que llamó electrones.

                                                                                                

               

                                                                                    

Figura 1

 Modelo atómico de Thomson

                              

La identificación por J.J. Thomson de unas partículas subatómicas cargadas negativamente, los electrones, a través del estudio de los rayos catódicos, y su posterior caracterización, le llevaron a proponer un modelo de átomo que explicara dichos resultados experimentales.

Se trata del modelo conocido informalmente como el pudín de ciruelas, según el cual los electrones eran como 'ciruelas' negativas incrustadas en un 'pudín' de materia positiva.

                                                                                 

               

Modelo atómico de Rutherford (1911)

Ernest Rutherford(1871-1937

Premio Nóbel de Química 1908

•  Modelo atómico de RutherfordRutherford, basándose en los resultados obtenidos en sus experimentos de bombardeo de láminas delgadas de metales, estableció el llamado modelo atómico de Rutherford o modelo atómico nuclear.

• El átomo está formado por dos partes: núcleo y corteza.El núcleo es la parte central, de tamaño muy pequeño, donde se encuentra toda la carga positiva y, prácticamente, toda la masa del átomo. Esta carga positiva del núcleo, en la experiencia de la lámina de oro, es la responsable de la desviación de las partículas alfa (también con carga positiva).La corteza es casi un espacio vacío, inmenso en relación con las dimensiones del núcleo. Eso explica que la mayor parte de las partículas alfa atraviesan la lámina de oro sin desviarse. Aquí se encuentran los electrones con masa muy pequeña y carga negativa. Como en un diminuto sistema solar, los electrones giran alrededor del núcleo, igual que los planetas alrededor del Sol. Los electrones están ligados al núcleo por la atracción eléctrica entre cargas de signo contrario.

 Descubrimiento del núcleo atómico

 

Los experimentos llevados a cabo en 1911 bajo la dirección de Ernest Rutherford modificaron las ideas existentes sobre la naturaleza del átomo. Rutherford y sus colaboradores bombardearon una fina lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio) procedentes de un elemento radiactivo. Observaban, mediante una pantalla fluorescente, en qué medida eran dispersadas las partículas. La mayoría de ellas atravesaba la lámina metálica sin cambiar de dirección; sin embargo, unas pocas eran reflejadas hacia atrás con ángulos pequeños. Éste era un resultado completamente inesperado, incompatible con el modelo de atómo macizo existente.Mediante un análisis matemático de las fuerzas involucradas, Rutherford demostró que la dispersión era causada por un pequeño núcleo cargado positivamente, situado en el centro del átomo de oro. De esta forma dedujo que la mayor parte del átomo es espacio vacío, lo que explicaba por qué la mayoría de las partículas que bombardeaban la lámina de oro, pasaran a través de ella sin desviarse .

                                  

                                                                                

  

                    

                                                    

                                                                                                       

               

Espectro electromagnético

Modelos atómicos

Imagen de la superficie de un cristal desilicio, donde se observa la disposición de losátomos. La imagen ha sido adquirida utilizandoun microscopio de barrido de efecto túnel (STM)Tomada de http://www.tu-darmstadt.de/surface/methoden/AFM/stm_theorie.

Teoría electromagnética clásicade J.C. Maxwell

Espectro de emisión

Modelo atómico de Bohr (1912)

Niels Bohr(1885-1962)

Premio Nobel de Física 1922

Postulado 1: Los electrones se mueven en determinadas órbitas estables sin emisión de radiación, denominadas estados estacionarios

En = 1n = 2n = 3n = 4n número cuántico principal

Modelo atómico de Bohr (1912)

Niels Bohr(1885-1962)

Premio Nobel de Física 1922Postulado 2: La radiación se emite (o absorbe) sólo cuando un electrón realiza una transición de una órbita a otra

Modelo atómico de Bohr (1912)

Gran éxito del modelo de Bohr al explicarel espectro de emisión del átomo de hidrógeno

Espectros de emisión de átomos más complejos

MODELO CUÁNTICO DEL ÁTOMO

El modelo actual del átomo se basa en la mecánica cuántica ondulatoria, la cual está

fundamentada en cuatro números cuánticos, mediante los cuales puede describirse un electrón en un átomo.

El desarrollo de está teoría durante la década de 1920 es el resultado de las contribuciones de destacados científicos entre ellos Einstein, Planck (1858-1947), de Broglie, Bohr (1885-1962), Schrödinger (1887-1961) y Heisenberg..

La siguiente figura muestra las modificaciones que ha sufrido el modelo del átomo desde Dalton hasta Schrödinger.

Dualidad onda-corpúsculo

En 1923, Louis de Broglie argumentó que si la luz (radiación electromagnética) presenta un comportamiento corpuscular (fotón),las partículas que constituyen la materia podrán presentar aspectos ondulatoriosPostuló que una partícula siempre tiene asociada una onda, caracterizada por una longitud de onda.

Louis de Broglie(1892-1987)

Premio Nóbel de Física 1929

. Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula. 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" (Stephen Hawking, 2001) http://es.wikipedia.org/wiki/Dualidad_onda-part%C3%ADcula

                                                                  

Onda-partícula congelada en un experimento

De acuerdo con la física clásica existen diferencias entre onda y partícula

Werner Heisenberg(1901-1976)

Erwing Schrodinger(1887-1961)

Paul A.M. Dirac(1902-1984)

Premio Nóbel de Física 1932 Premio Nóbel de Física 1933 Premio Nóbel de Física 1933

Mecánica cuántica

El átomo según la mecánica cuántica

Ecuación de SchrodingerΨ es la función que representa la onda asociada al electrón en el átomo

Orbitales atómicos

Principio de exclusión de Pauli (1925)

Wolfgang Pauli (1900-1958)

Premio Nobel de Física 1945En un átomo no puede haber dos electronescon los cuatro números cuánticos iguales

Clasificando átomos

Na+ Cl- IONESun electrón menos un electrón más

ISOTOPOS H 11 21H 1 3H

Clasificando átomos

El maravilloso mundodel cuarc

Por mucho tiempo arrastramos la presunción de Aristóteles que el mundo fue hecho de tierra, fuego, agua y aire. Pero alrededor del siglo 19, los científicos comprendieron que el mundo que conocemos estaba hecho de la

combinación de 92 elementos básicos. Entonces descubrieron que los elementos estaban hechos de átomos. A principios del siglo veinte, se empezó a comprender cuáles eran las estructuras internas del átomo. Se

conoció que había un núcleo, rodeado de electrones. Originalmente se pensó que los electrones giraban alrededor del núcleo como planetas en un sistema solar en miniatura. Ese punto de vista fue modificado. Ahora sabemos que el electrón es más que una nube de campo de energía que fluctúa alrededor de los núcleos sólidos, o más

bien, un núcleo no tan sólido.El núcleo mismo parecía estar compuesto de dos pequeños constituyentes, los protones y los neutrones. Pero

¿estaban estos al final del camino? O ¿existían todavía niveles más ínfimos?En 1964, los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig mostraron evidencia, más tarde demostrada por

experimentos con aceleradores de partículas, que los protones y los neutrones estaban efectivamente hechos de partículas aún más elementales, las cuales Gell-Mann llamó “cuarcs”.

Si la visión de Einstein acerca del universo parecía algo extraña, más extraño aún fue mirar dentro del minúsculo mundo de los cuarcs. Una vez más, “mirar” no es la palabra correcta. Usted no puede ver los cuarcs y no porque

sean demasiado pequeños, sino porque parecería que no todos “estuvieran allí”. Los cuarcs pudieran por sí mismos probar que son el elemento fundamental del cual está constituida toda la materia y sin embargo no

parecen tener vida independiente. Una analogía, aunque imperfecta porque no hay palabras para describir este mundo extraño, pudiera ser un punto en el tejido de un suéter. El suéter está hecho de puntos, pero no puedes

sacar un simple punto, pues éste depende de su relación con otros para poder existir.Los cuarcs están agrupados para formar los protones y neutrones en el núcleo atómico. Estos están enlazados

por una fuerza transmitida que los físicos llaman “gluones”.  Los gluones rebotan entre los cuarcs hacia atrás y adelante para transmitir energía y velocidad, como un juego de lanzada de balón entre los niños. Pero una vez

más, no hay analogía posible para describir la maravilla de la extraña danza que los cuarcs ejecutan cuando saltan y giran al unísono para dar vida al núcleo. Los científicos han dado nombres tan curiosos como “encanto”,

“extraño”, “arriba”, “abajo” a los varios tipos de cuarcs que han descubierto.