La historia del átomo
- Alejandro Sánchez
- 12 jun 2020
- 7 Min. de lectura
Actualizado: 11 jun 2024
El rastreo del átomo nos remonta a épocas de la antigüedad (siglo V a.C.) cuando pensadores como Leucipo o Demócrito trataban de desentrañar la naturaleza de la materia que les rodeaba. Tras más de 2.500 años de investigación llegamos a un modelo atómico que desafía la lógica del mundo macroscópico. En el mundo cuántico nada parece comportarse como acostumbran en nuestran observaciones.
El átomo
Hoy día entendemos como átomo una partícula diferenciada en dos zonas:
El núcleo, que concentra más del 99% de la masa del átomo. Formado por protones (p+), con carga positiva, unidos a neutrones, partículas sin carga. Ambas partículas se encuentran unidas por la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas elementales. Esta fuerza nuclear fuerte vence la repulsión que existe entre los protones por compatir la misma carga.
Los electrones (e-) se sitúan alrededor del átomo orbitando en diferentes niveles de energía. Cuanta mayor energía, el nivel en el que orbitan será mayor (n=1,2,3,4,5...). Un electrón consigue energía absorbiendo una partícula de luz (fotón) que lo permitirá saltar a un nivel superior. A su vez, cuando el electrón cae a un nivel inferior lo hace porque pierde energía emitiendo un fotón o partícula de luz.
Cabe destacar que el electrón no se mueve alrededor del núcleo formando círculos u órbitas claramente delimitadas a modo planetario, como generalmente se piensa o como dictaba el modelo de Bohr. En realidad el electrón se mueve en zonas llamadas orbitales. Un orbital es una región del espacio donde la probabilidad de encontrar al electrón es elevada (en torno al 90%). También es curioso conocer, que tal y como anuncia el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, no es posible conocer la posición y la velocidad exacta que posee el electrón en un determinado momento:
" Es imposible determinar exactamente la posición y el momento (y por tanto la velocidad) de un sistema físico cuántico al mismo tiempo." Heisenberg se refería a un sistema físico a escala subatómica, que es la escala a la que pertenece el electrón. La física que estudia los sistemas a este nivel se denomina física cuántica. A método de resumen, sería útil recordar que actualmente se entiende al átomo como un corpúsculo que se compone de un núcleo (protones y neutrones) y unos electrones que se mueven en torno a ese núcleo en diferentes niveles de energía y no en órbitas bien definidas, sino que lo hacen en ciertas regiones del espacio donde es imposible determinar su posición y momento lineal (velocidad, dirección...) con exactitud de forma simultánea.
Esta concepción del átomo surge de un largo recorrido histórico que se compone de múltiples modelos expuestos por las algunas de las figuras más ilustres de la física y la química, acompáñenme a descubrir cómo hemos llegado actual modelo atómico.
Historia de la materia.
En tiempos de la antigua Grecia, Leucipo de Mileto, en griego Leukippos, pone en duda que la división de la materia no tenga fin y propone, por lo tanto, la existencia de una porción o partícula indivisible que constituiría la unidad elemental de toda materia. Esta se la denominaría "átomo", en griego "átomon" , lo que significa "sin" y "tomon" que significa "división". Supuestamente la partícula fue nombrada así por Demócrito de Abdera, discípulo de Leucipo. Posteriormente Aristóteles reconoció la teoría de Empédocles de Argrigento que defendía la existencia de cuatro elementos (tierra, aire, fuego y agua) rechazando la teoría atómica fundada por Leucipo, negando que existiera una partícula elemental y afirmando que la materia es infinitamente divisible.
Modelo de Dalton (1803).
Dalton retomó las teorías de Demócrito y su maestro muchos siglos después. Propuso una partícula elemental e indivisible. Según él, habría diferentes grupos de átomos, a cada grupo lo llamo elemento. Los elementos se componían de átomos iguales, esferas diminutas sin carga que se diferenciaban de los átomos de otros elementos por su peso relativo. Los átomos de diferentes elementos se combinaban de diferentes formas para dar lugar a diferentes compuestos siendo las reacciones químicas variaciones en las agrupaciones de dichos átomos. Dalton erró en algunas de sus predicciones, pensando, por ejemplo, que el amoniaco poseía la fórmula NH2 o que el agua era OH.
Varios de los principios de esta teoría son hoy cuestionables como que el átomo es indivisible o como que los átomos de un elemento tienen la misma masa. Ya conocemos que un átomo está formado por partículas subatómicas (el protón, el neutrón y el electrón). El protón y el neutrón están a su vez formadas por otras partículas más pequeñas denominadas quarks, por lo tanto, un átomo no es indivisible y se encuentra formado por partículas de menor tamaño. Además, existen átomos que perteneciendo a un mismo elemento poseen diferentes masas, estos son los conocidos como isótopos.
Finalmente, podemos resumir el modelo de Dalton en:
Postulados de Dalton
La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.
Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos de los diferentes elementos tienen pesos diferentes.
Los átomos permanecen sin división, aún cuando se combinen en las reacciones químicas.
Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.
Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.
Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos.
Modelo de Thomson (1897).
Con su experimento de rayos catódicos en tubos de vacío, Thomson descubre la existencia del electrón, una partícula cerca de 1000 veces más ligera que el propio átomo y con carga negativa. Esto lo deduce de la desviación que se produce en el haz de luz, que emite en el tubo de vacío, al pasar a través de un campo magnético. De esta manera, Thomson propone el siguiente modelo atómico:
El átomo estaría formado por una esfera con carga positiva sobre la que se insertan pequeñas partículas con carga negativa formando el conocido como pastel con pasas.
Modelo de Rutherfor (1909).
La experiencia de Rutherford obligó a cambiar el modelo atómico vigente en aquel momento. El experimento, que él mismo describió como una de las cosas más fascinantes que había observado en su vida, consistía en bombardear una lámina de oro con partículas alfa, que son núcleos de átomos de helio. Estaba claro que el modelo de Thomson quedaba obsoleto tras estas observaciones. Así que se ideó una nueva forma de átomo en la cual casi toda la masa se alojaría concentrada en un espacio muy reducido a la que se denominaría núcleo y que además poseería carga. Por lo tanto, el átomo pasaba a convertirse en su mayor parte en un espacio vacío ocupado por partículas diminutas con una carga contraria a la del núcleo, lo que conocemos como electrón. El núcleo se alojaría en el centro del modelo, en un espacio muy reducido concentrando la mayor parte de la masa.
Modelo de Bohr.
Si lo anterior era cierto, no encontraba Bohr una explicación para que los átomos no colapsasen con el núcleo. Es decir, si núcleo y electrones se atraían por la diferencia de cargas, ¿cómo es que estos no se aproximaban hasta "tocarse" con el núcleo?.
Para responder a esto, Bohr planteó un modelo planetario del átomo en el que los electrones orbitan alrededor del núcleo en diferentes niveles de energía. Cuando el nivel es mayor, la energía del electrón, también es mayor. Los átomos ascenderían y descenderían de los niveles ganando o perdiendo energía. La energía perdida o ganada no es aleatoria, está cuantizada. Bohr defiende la existencia de una diferencia de energía mínima entre niveles. Es decir, que a niveles ínfimos la energía viajaría en diminutos paquetitos. Un fotón llevaría uno de esos paquetitos que podría intercambiar con un electrón que encuentre a su paso, haciendo a este ganar una energía determinada, saltando de nivel. Solo si el fotón le aporta esa energía necesaria al electrón este logrará pasar de nivel, pero no quedará en un nivel intermedio de excitación si la energía no es suficiente.
Es a partir de la teoría de Planck donde nace este modelo atómico y se inserta la idea de que a nivel subatómico la energía se encuentra cuantizada. Es decir, para saltar de nivel, el electrón necesita captar una cantidad discreta de energía denominada cuanto. El salto hacia otros niveles conllevará una energía igual a un múltiplo de lo que hemos denominado cuanto.
A grandes rasgos, este modelo se resume en que el átomo posee un núcleo con carga positiva alrededor del que se sitúan los electrones en diferentes niveles de energía. Mayor nivel, más lejano al núcleo, mayor energía posee el electrón. Los electrones se moverían en órbitas claramente delimitadas a modo de sistema planetario. Además, como ya se ha expresado anteriormente, la energía no es continúa sino que se encontraría "empaquetada" en ciertas cantidades que llamamos "cuantos".
Los electrones captan y emiten radiación electromagnética (fotones o a lo que anteriormente nos hemos referido como "luz" de forma coloquial) al ascender y descender en los niveles, respectivamente, formando los conocidos como espectros atómicos. Cada electrón emitirá una radiación electromagnética característica según el elemento del átomo al que pertenecen. Bohr solo consiguió predecir con su teoría el espectro del átomo de hidrógeno así que con la colaboración de científicos como Heisenberg, de Broglie o el propio Bohr se consigue llevar a cabo en el siglo XX un nuevo modelo atómico.
Modelo atómico actual.
Es Schrödinger quien propone el nuevo modelo atómico llamado modelo mecánico ondulatorio el cual está basado en las tesis de los tres físicos mencionados en el párrafo anterior.
De Broglie demostró que el electrón, debido a su reducida masa, poseía cierta naturaleza ondulatoria. Dedujo que el electrón poseía una dualidad onda-partícula al igual que la luz, es decir, se puede comportar como ambas y, además, elaboró una fórmula en la cual relacionó la longitud de onda y la masa del elecrón.
Heisenberg asienta la base de la mecánica cuántica actual con su previamente mencionado Principio de Incertidumbre.
Todo esto unido a los conocimientos ya obtenidos gracias al modelo de Bohr, como es la cuantización de la energía, elaboran un modelo atómico en el cual alrededor del núcleo formado por protones y neutrones, se distribuyen los electrones en los diferentes niveles y subniveles de la nube electrónica compuesta por los orbitales. (si no recuerdas que son los orbitales, retrocede a la parte inicial del artículo).
Además se añaden cuatro números para describir las características del electrón, denominados números cuánticos. Estos números cuánticos sirven para describir e identificar a un determinado electrón. Nunca puede existir más de un electrón en un átomo con todos los números cuánticos iguales, así lo confirma el Principio de Exclusión de Pauli. Los números son:
n: indica el nivel en que se encuentra el electrón.
l: muestra el subnivel en que se encuentra el electrón y la forma del orbital.
m: indica la dirección que llevará el átomo.
s: se denomina espín y muestra el sentido que lleva el electrón. Es un valor algo abstracto, difícil de explicar y de entender con nuestra mente macroscópica.
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