Significado de modelos atómicos: Demócrito, Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr y Schrödinger Definición, y orden
Licenciada en Física
Definición formal
Los modelos atómicos son una imagen que la humanidad crea al respecto de la naturaleza de la materia, a la cual supone hecha de partículas extremadamente pequeñas y por tanto invisibles, llamadas átomos. De este modo surgen las propuestas de reconocidos científicos que repasamos en este artículo.
Las ideas acerca del átomo no son nuevas, se remontan a miles de años atrás, y la primera propuesta de la que se tiene noticia la hizo el filósofo hindú Kanada, hacia el siglo VI a.C. Para entonces existía una escuela hindú de pensamiento atomista con ideas muy avanzadas para su tiempo, considerando que no tenían tecnología para llevar a cabo experimentos con los que confirmar sus suposiciones.
Los pensadores hindúes sostenían que los átomos tenían ciertas propiedades y que podían combinarse de determinadas maneras para crear las distintas formas de la materia. Aunque en principio consideraron que el átomo era indivisible, algunos llegaron a insinuar la posibilidad de que pudiera fragmentarse en unidades más pequeñas. A través de los intercambios comerciales y culturales, las ideas atomistas de los pensadores hindúes consiguieron llegar Grecia, donde hallaron terreno fértil para desarrollarse en la mente de un pensador notable: Demócrito de Abdera (460 a.C. -370 a.C.).
Modelo atómico de Demócrito
El filósofo griego Demócrito, de quien se dice era discípulo de Leucipo, postuló que las partículas más pequeñas que conformaban la materia eran los átomos. Él llegó a esta conclusión después de reflexionar largamente en lo que pasaría al fragmentar sucesivamente las rocas hasta convertirlas en un fino polvo. Este proceso no seguía indefinidamente, sino que finalizaba al llegar a la partícula más pequeña posible de todas, llamada átomo, que en griego quiere decir indivisible.
Para Demócrito cada material tenía átomos bien definidos, por ejemplo, la roca estaba hecha de átomos especiales de roca, siendo estos diferentes en peso, forma y tamaño a los de la madera, por ejemplo.
Estas ideas fueron rechazadas por los sabios más prestigiosos de aquel entonces, entre ellos Aristóteles, el prestigioso tutor de Alejandro el Grande, cuyas creencias acerca del funcionamiento de la naturaleza perduraron por cerca de 2000 años en occidente.
Modelo atómico de Dalton
John Dalton (1766-1844) fue un profesor de química inglés que a comienzos del siglo XIX se percató de que cuando ocurría una determinada reacción química, las sustancias participantes siempre se combinaban en las mismas proporciones específicas. Este hecho podía explicarse únicamente suponiendo que las sustancias estaban hechas de átomos.
El átomo imaginado por Dalton era indivisible, esférico, sólido e inalterable. Todos los átomos de un mismo elemento eran exactamente iguales pero diferentes a los átomos de otro elemento y cualquier compuesto químico se formaba mediante combinaciones de átomos con determinadas proporciones.
Este fue el primer modelo atómico apoyado en la experimentación, pero tuvo algunos detractores. No obstante, durante el siglo XIX el electromagnetismo experimentó un rápido desarrollo que logró desvelar algunos de los secretos más importantes de la materia: las partículas subatómicas. Así, de la mano de los nuevos descubrimientos, se fueron creando nuevos modelos atómicos cada vez más sofisticados.
Modelo atómico de Thomson
Durante el siglo XIX y principios del siglo XX, la naturaleza eléctrica de la materia fue surgiendo poco a poco. Joseph John Thomson (1856-1940), un físico inglés, descubrió la primera partícula elemental: el electrón, a la que en un principio llamó corpúsculo, demostrando así que el átomo no era indivisible como todos creían hasta entonces.
Puesto que normalmente el átomo es neutro y el electrón tiene carga eléctrica negativa, el modelo atómico de Thomson, publicado en 1904, suponía al átomo como una esfera con la carga positiva repartida en todo el volumen, y los electrones negativos incrustados, como si fuera un pastel de pasas. Por eso al modelo de Thomson se lo conoce con el nombre de “budín de pasas”, pero su vigencia fue breve, ya que dejaba muchas cosas sin explicación.
Modelo atómico de Rutherford
Ernest Rutherford (1871-1937), Ernest Marsden y Hans Geiger, realizaron un conocido experimento de dispersión, en el que demostraron la existencia del núcleo atómico. Así crearon en 1910 un nuevo modelo atómico en el cual el átomo semejaba un sistema solar en miniatura, por eso se le conoció como modelo planetario del átomo.
En torno al núcleo de carga positiva, cuyo tamaño era pequeñísimo, se encontraban los electrones negativos en órbitas circulares gracias a la atracción electrostática. El problema con este modelo es que el átomo colapsaba, ya que el electrón eventualmente terminaba por chocar con el núcleo. Esto no es lo que sucede, ya que la gran mayoría de los átomos son estables.
Modelo atómico de Bohr
Niels Bohr (1885-1962), quien había trabajado con Rutherford, subsanó en 1913 el problema de la inestabilidad del átomo planetario al postular que los electrones se mantienen únicamente en ciertas órbitas circulares, planas y definidas. Y cuando pasan de una órbita a otra, emiten energía luminosa en cantidades determinadas.
Como los objetos que giran tienen asociado un momento angular, si el electrón solamente puede ocupar ciertas órbitas definidas, su momento angular, cuya magnitud es L, puede tomar únicamente ciertos valores, es decir, está cuantizado.
Bohr estableció que L = n (h/2π), con n= 1, 2, 3…, llamado número atómico principal y h es la constante de Planck. Dicha constante proviene de calcular la energía emitida por un cuerpo negro, un objeto teórico capaz de absorber toda la luz que le llega y que había sido propuesto previamente por el físico Max Planck (1858-1947).
Así comenzó la cuantización del átomo y de esta manera se podía explicar que los electrones no terminaran por precipitarse al núcleo, pues las órbitas permitidas por la cuantización son estables.
Sin embargo, aunque el concepto funciona muy bien para explicar el átomo más simple, el de hidrógeno, no se podía aplicar a átomos más complejos y además sus postulados causaron una surte de incomodidad, pues no quedaba clara la razón de que funcionaran tan bien en el hidrógeno.
Modelo atómico de Schrödinger
En 1926 surgió un nuevo modelo atómico gracias a Erwin Schrödinger (1887-1961), en el cual se consideraba al electrón como una entidad dual: con características de partícula y onda a la vez.
Las órbitas del electrón dejaron de ser planas y circulares, sino tridimensionales. Es más, dejaron de ser órbitas, ya que tanto el átomo como el electrón carecen de límites definidos y lo que se puede conocer es la probabilidad de que el electrón se encuentre en una determinada región llamada orbital.
De acuerdo al modelo, el estado del electrón está caracterizado por tres números cuánticos: el número cuántico principal n, introducido antes por Bohr, y dos más, llamados l (número cuántico azimutal) y m (número cuántico magnético). Todos aparecen a partir de las soluciones de la ecuación de onda de Schrödinger.
Modelo atómico actual
El modelo actual del átomo es mecánico-cuántico, apoyándose en el modelo de Schrödinger y el principio de exclusión de Pauli, a través de una propiedad enteramente cuántica del electrón: el espín.
Esta propiedad tiene cierta analogía con el giro de la partícula alrededor de su propio eje, un electrón solo tiene dos valores posibles para el espín: -½ y + ½. Surge así un cuarto número cuántico denotado s, que es el número cuántico de espín.
El principio de exclusión de Pauli señala que dos electrones no pueden ocupar el mismo estado cuántico, a menos que sus espines sean diferentes. También en este caso el electrón se describe a través de una entidad matemática llamada función de onda, que permite determinar la probabilidad de que el electrón se encuentre en un orbital dado.
Trabajo publicado en: Oct., 2020.
