1.0 Antecedentes del átomo

1.1.        EL ÁTOMO Y SUS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS.

ANTECEDENTES DEL ÁTOMO.

Desde tiempos muy remotos el hombre ha tratado de explicarse la naturaleza de todo lo que le rodea. Una de las primeras respuestas, que no se bajaba en la magia, la dieron los Griegos.

Escuela Griega.

Uno de los primeros Filósofos que se atrevió a abordar el tema fue el Griego Tales de Mileto (Mileto 640 ó 639- Mileto 546 ó 545 A. de J.C.). Hizo prolongados viajes a Egipto y se cree que bajo la influencia del imponente Río Nilo, Tales pensó que lo  que constituía la Materia Universal era el Agua.

                                                                                                                                               

Por su parte Anaxímenes (Mileto 585?-525 A. de J.C.) hijo de Eurístrato.

Fue discípulo de Tales de Mileto y compañero de Anaximandro.  Consideró al Aire como la materia universal.

Anaximandro (Mileto 610- ? 546 A. de J.C.) (Figura 1.3.) Concibió la idea de que había una sustancia primordial, a la que llamó Ápeiron, la cual tenía la propiedad de ser intangible e impalpable.

Heráclito de Éfeso (Éfeso 540- Éfeso 480 A. de J.C.) (Figura 1.4.) Pensó que el Fuego Etérico asimilaba al Alma, “Todo está hecho de fuego y a él todo regresa”.

Empédocles de Agrigento (Agrigento 490- Agrigento 430 A. de J.C.) (Figura 1.5.) Filósofo, poeta, físico, médico. Consideraba cuatro Elementos: Agua, Aire, Tierra y Fuego. (Figura 1.5.1.).

Leucipo (Mileto 450- Abdera 370 A. de J.C.) (Figura 1.6.) Inició la famosa Escuela Atomista. Era un racionalista altamente convencido, escribía “Nada sucede por Casualidad, sino al contrario, todo tiene una causa necesariamente”. Se cree fue el primero en considerar que “La Material dividirse en trozos cada vez más pequeños llegaría a una partícula tan pequeña que ya no podría dividirse”.

                                                            

Fue n el mismo siglo cuando Demócrito de Abdera (Abdera 460- Abdera 370 A. de J.C., discípulo de Leucipo) (Figura 1.7.) Propuso que la Materia está formada de Átomos. Esta doctrina defiende que la Materia se constituye por pequeñas partículas que ya no se pueden dividir, se llama Atomismo.

Aristóteles (Estagira, Macedonia 384- Calcedonia 322 A. de J.C.) (Figura 1.8.) Imaginó el Universo como una serie concéntrica de esferas con la Tierra en el centro (Concepción Geocéntrica).

La visión Aristotélica de la Materia se completaba con el Éter (La Quinta Esencia) Quinto Elemento que solo existía en las Esferas Celestes, puro e inmutable.

                                 

Esfera Celeste.                      

PARTICULAS SUBATOMICAS DEL ÁTOMO.

Átomo, en griego, significa INDIVISIBLE. Hoy día sabemos, que los átomos no son, como creía Demócrito, indivisibles. De hecho están formados por Partículas, llamadas Subatómicas, que son:

Protón. (Figura 1.10) Partícula elemental con carga eléctrica positiva igual a 1, su masa es una U.M.A. (Unidad de Masa Atómica) y es 1837 veces mayor que la del electrón, se simboliza p+.

                                                                                                                                                 

Electrón  partícula elemental con carga eléctrica negativa igual a 1, masa despreciable y se simboliza e-.

Neutrón. Partícula elemental eléctricamente neutra, con una masa ligeramente superior a la del protón, se simboliza n0.

Los Protones y Neutrones se ubican en el Núcleo Atómico, mientras que los Electrones lo hacen en la corteza que lo rodea. En condiciones normales un Átomo tiene el mismo número de protones que electrones, lo que convierte a los Átomos en entidades eléctricamente neutras. (

El número de Protones en el Núcleo Atómico, denominado Número Atómico (Z) es el que determina las Propiedades Químicas del Átomo en cuestión.

EVOLUCION HISTORICA DE LOS MODELOS ATÓMICOS.

MODELO ATÓMICO DE DEMOCRITO.

Demócrito supuso que los Átomos de cada Elemento son diferentes en Tamaño y Forma y que esta diferencia les da a los Elementos sus distintas Propiedades. (Figura 1.13). Las Sustancias que se pueden ver y tocar son mezclas de átomos de diferentes elementos y una sustancia puede transformarse en otra, alterando la naturaleza de la Mezcla.

Figura 1.13. Los Átomos de los Elementos son diferentes en Tamaño y Forma.

LEYES PONDERALES.

El concepto de Átomo se hizo necesario a principios del siglo XIX como hipótesis que explica las observaciones experimentales conocidas como Leyes Ponderales. Este concepto fue introducido por Dalton en 1802.

La palabra Ponderar significa Pesar, Equilibrar. Como estas leyes estudian las Relaciones de Peso entre los Reactivos y los Productos obtenidos por eso se les llama Ponderales. (Figura 1.14).

Figura 1.14. Leyes Ponderales.

                           LEY DE LA CONSERVACION DE LA MASA (O LEY DE LAVOISIER).

A fines del siglo XVIII existía la creencia de que el Agua, uno de los Cuatro Elementos de Empédocles, se transformaba en Tierra (Otro de los Cuatro Elementos). Lo anterior se concluía al observar que al calentar Agua en un recipiente de vidrio por un tiempo prolongado quedaba un residuo sólido. (Figura 1.15).

Figura 1.15. Residuo Sólido.

Antoine Laurent Lavoisier (Paris 16 ó 26.8.1743- ídem 8.5.1794) Decidió repetir el experimento y para no dejar lugar a dudas escogió como tiempo prolongado 101 días. Ideó un aparato en el cual el agua al calentarse no escapara. Siguiendo su costumbre de cuantificar con precisión midió el peso de su aparato con agua antes y después del experimento. A pesar de que observó la formación de “Tierra” en el Matraz, el peso del Agua no varió pero el del Matraz sí. El peso que perdió el Matraz era exactamente igual al de la “Tierra” formada y concluyó que el Agua no se había transformado en “Tierra” sino que esta provenía del Matraz mismo al ser atacado por el Agua. En estos experimentos era evidente que la Materia podía cambiar de forma pero no surgir de la nada o desaparecer en ella. (Figura 1.15.1).

Figura 1.15.1. Experimento de Lavoisier.

Esta conclusión él la expresó en una Ley que puede enunciarse de varias maneras:

-              Nada se crea, nada se destruye, todo se transforma.

-              En un cambio químico la Masa no se crea ni destruye sólo se transforma. (Figura 1.16).

Figura 1.16. La Masa no se crea ni se destruye

Sólo se transforma.

LEY DE LAS PROPORCIONES CONSTANTES.

Con el desarrollo de Balanzas más precisas Joseph- Louis Proust (Angers 26.9.1754- ídem 5.7.1826) (Figura 1.17) Observa y concluye en 1797 que:

Cuando dos o más Elementos se combinan para formar un mismo Compuesto, las Masas de dichos Elementos guardan entre si una relación fija. (1.17.1).

                                                                                                                        Figura 1.17.1. Compuesto.

Figura 1.17. Joseph- Louis Proust.

LEY DE LAS PROPORCIONES MÚLTIPLES.

John Dalton (Eaglesfield, Cumberland 5 ó 6. 9. 1766- Manchester 27.7. 1844) (Figura 1.18) al estudiar la Ley De Proust encontró que dos Elementos pueden formar una serie de Compuestos con una relación de Números Enteros y sencillos entre los Pesos. Dalton llamó a su descubrimiento Ley de las Proporciones Múltiples y se puede enunciar:

Cuando una Masa fija de un Elemento se combina con Masas variables de otro para dar Compuestos diferentes, las Masas guardan entre si una Relación de Números Enteros y sencillos del tipo: 1:2, 2:3, 1:3, 3:4, etc. (Figura 1.18.1).

                                                                                                                                                     

                                                                                              Figura 1.18.1. Elementos y Compuestos.                                                                                                                                            Figura 1.18. Dalton.                                       

LEY DE LOS PESOS EQUIVALENTES.

En 1792 Jeremías Benjamín Richter (1762-1807) (Figura 1.19) Con base en sus Estudios sobre la Neutralización de Ácidos y Bases propuso:

Las Masas de dos Sustancias diferentes que se unen con una masa fija de una tercera se combinan de manera equivalente entre sí. (Figura 1.19.1).

Figura 1.19. Jeremías B. Richter.                                                                                                                         Figura 1.19.1. Unión de Sustancias.

MODELO ATÓMICO DE DALTON.

John Dalton en 1808 expuso su Modelo Atómico basado en las Leyes Ponderales, conservó el término Átomo para las pequeñas partículas que forman la Materia. 

Figura 1.20. Modelo Atómico de Dalton.

Los Enunciados fundamentales de su Modelo son:

             La Materia está constituida de Partículas muy pequeñas llamadas Átomos.

             Los Átomos de un mismo Elemento, son iguales entre sí, principalmente en el peso.

             Los Átomos de Elementos diferentes, son diferentes entre sí.

             Cuando los Átomos se combinan lo hacen en proporciones definidas de Números Enteros.

El Modelo de Dalton consideraba el Átomo como una Estructura Compacta e Indestructible (Figura 1.21) Sin embargo los experimentos que muestran la naturaleza eléctrica de la Materia, rechazaron este Modelo e hicieron necesario pensar que el Átomo es divisible.  (Figura 1.21.1).

Con el Modelo de Dalton se definen los Elementos y Compuestos. Dalton propuso los primeros símbolos de algunos Elementos y Compuestos. (Figura 1.22).

Figura 1.22. Símbolos de Elementos y Compuestos.

MODELO ATOMICO DE THOMSON (EL PRIMER MODELO ELECTRONICO).

Para explicar la existencia de Partículas Negativas en el Experimento de Rayos Catódicos, J.J. Thomson propone un Modelo Atómico que se puede relacionar con un “Pudín con Pasas”. El Modelo Atómico de Thomson consiste en una Esfera con carga positiva (Pudín), en donde los Electrones con carga negativa (Pasas) se encuentran atascados. (Figura 1.23).

Figura 1.23. Pudín con Pasas.

MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD.

EXPERIMENTO DE RUTHERFORD: DESCUBRIMIENTO DE RUTHERFORD.

Ernest Rutherford (Figura 1.24) En 1906 comenzó bombardeando sus con sus Rayos α delgadas Láminas de Oro. Los primeros bombardeos parecían desafortunados debido a que las Láminas tenían un espesor de unos 2000 átomos y casi todas las partículas α atravesaban con facilidad la finísima película sin desviarse, siguiendo una trayectoria recta.

Rutherford recomendó a sus discípulos, Johannes Hans Wilhem Geiger (Neustadt an der Weinstrasse 30.9.1882- Postdam 24.9.1945) (Figura 1.25) Y Ernest Marsden (1889-¿?).

A Marsden le dijo: “Yo no espero nada interesante de sus Experimentos, pero de todos modos observe”.

El alumno descubrió que de todas maneras la mayoría de las partículas α seguían pasando en línea recta como si no existiera la lámina. Muy pocas se desviaban, al penetrar en la delgada lámina, en 90° y una de cada

20, 000 rebotaba. (Figura 1.25.3).

Figura 1.25.2. Bombardeo de Partículas.                                                                                                   Figura 1.25.3. Desviación de Partículas.

E. Rutherford con base en su Experimento propuso su Modelo Atómico como:

·                        Formado por un pequeño Núcleo Atómico en donde se encontraba concentrada la mayoría de la Materia del Átomo.

·         Los Electrones giran alrededor del Núcleo de la Misma manera que los planetas giran alrededor del Sol (Como un pequeño Sistema Planetario).

·         La Mayor parte del Átomo corresponde a espacio vacío. (Figura 1.26).

                                                                                                     

                                                                                                                                                             MODELO ATOMICO DE BOHR   

Los problemas objetados por la Física al Modelo Atómico de Rutherford,  (Figura 1.27) Los solucionó en 1913 el físico danés Niels Henrik David Bohr (Copenhague 7.10.  1885- ídem 18.11.1962).

En este Modelo se supone que:

·         Los Electrones giran alrededor del Núcleo del Átomo con Energía constante. (No pierden energía por eso no caen al Núcleo).

·         Las Órbitas son circulares y están cuantizadas en energía. Se clasifican en: K, L, M, N, etc.

·         Surgen los Niveles de Energía. (Aparece el Primer Número Cuántico).

·         Los Niveles cercanos al Núcleo son de Menor Energía y los lejanos son de Mayor Energía.

·         Si un Electrón absorbe Fotones de Energía, se puede promover a un nivel de mayor Energía (Estado Excitado).

·         Cuando el Electrón regresa a un Nivel de Menor Energía emite Fotones que equivalen a la diferencia de Energía entre ambos niveles. (Figura 1.28).                                                                                              Figura 1.28. Niveles de Energía.

                                              MODELO ATOMICO DE SOMMERFELD.

En 1916 Alfred Arnold Sommerfeld (Konigsber 5.12. 1868- Munich 26.4.1951) (Figura 1.29) Da a conocer una Teoría más exacta del origen de los Espectros Atómicos. (Figura 1.29.1) Su Teoría también explica las Propiedades Magnéticas y Eléctricas de los Átomos y de las Moléculas.

Espectro Atómico.

En este Modelo aparece el Segundo Número Cuántico K (Figura 1.30), ya que Sommerfeld propone Subniveles de Energía.

Sus Enunciados fundamentales son:

·         En los Niveles de Energía existen Subniveles de Energía.

·         Las Órbitas no necesariamente deben ser Circulares, podrían ser también Elípticas con distintos grados de Excentricidad.

La Excentricidad (Figura 1.31) Se calcula de la siguiente manera:

Semieje Menor/ Semieje Mayor.

·         Si n= 1, hay una órbita circular k= 1.

·         Si n= 2, hay una órbita circular k=1 y una elíptica k= 2.

·         Si n= 3, hay una órbita circular k=1, una elíptica k= 2 y otra elíptica k= 3, con distinta excentricidad a la anterior.

El interés del Modelo de Sommerfeld reside en la introducción de un Número Cuántico Nuevo K, el cual es idéntico a L (Número Cuántico Secundario de la Teoría Cuántica).