3. Los primeros modelos atómicos

Los descubrimientos del electrón y del protón son incompatibles con un modelo de un átomo indivisible, ya que estas partículas están dentro del átomo. Los científicos se vieron obligados a idear un modelo que explicara cómo están situadas las partículas subatómicas en el interior del átomo.

3.1. El modelo atómico de Thomson

En 1904, J. J. Thomson idea un modelo atómico en el que el átomo es una especie de esfera de carga positiva continua y esponjosa que contiene casi toda la masa. Los electrones están incrustados en ella de forma similar a como lo están las pasas en un bizcocho.

¿Cómo crees que explica este modelo atómico los fenómenos de electrización de la materia?

Este modelo explica los fenómenos de electrización mediante la ganancia o pérdida de electrones.

3.1.1. La electrización de la materia

La materia es, por lo general, eléctricamente neutra. Para que adquiera carga eléctrica, debe romperse el equilibrio que existe entre el número de cargas positivas y el de cargas negativas. Así, un cuerpo está cargado negativamente cuando tiene exceso de electrones y positivamente cuando tiene defecto de ellos.

¿Qué sucede con las cargas cuando frotamos una varilla de plástico con un trozo de lana?

 

 

La lana es eléctricamente neutra, es decir, tiene el mismo número de cargas positivas (protones) y negativas (electrones). Cuando se frota con una varilla de plástico, esta se lleva parte de los electrones de la lana. De este modo, la barra de plástico adquiere carga negativa (exceso de electrones) y la lana, carga positiva (defecto de electrones).

¿Qué sucede con las cargas cuando frotamos una varilla de vidrio con un trozo de seda?

 

 

La seda es eléctricamente neutra, pero al frotarla con la barra de vidrio, esta le cede cargas negativas (electrones), de manera que la barra queda cargada positivamente y la seda negativamente.

Observa que en todos los casos son los electrones, y nunca los protones, las partículas que se ceden o se ganan.

3.2. El modelo atómico de Rutherford

El modelo atómico de Thomson fue aceptado durante algunos años, hasta que se comprobó que no podía explicar los resultados de experimentos realizados posteriormente.

3.2.1. Experimento de Rutherford, Geiger y Marsden

En 1909, E. Rutherford (1871-1937) y sus colaboradores, H. Geiger (1882-1945) y E. Marsden (1889-1970), bombardearon una lámina de oro muy fina con partículas cargadas positivamente y a gran velocidad.

Como se observa en el dibujo, y de acuerdo con el modelo atómico de Thomson, lo que tendría que haber ocurrido es que las partículas positivas hubieran atravesado la lámina sin ser apreciablemente desviadas de su trayectoria rectilínea.

Sin embargo, este fue el resultado del experimento:

• La mayor parte de las partículas atravesaron la finísima lámina de oro sin cambiar la dirección, como era de esperar.
• Algunas se desviaron considerablemente.
• Sorprendentemente, algunas partículas rebotaron hacia la fuente de emisión.

Tras estos inesperados resultados, Rutherford llegó a las siguientes conclusiones:

• El hecho de que las partículas positivas que se dirigen a gran velocidad hacia la lámina de oro la atraviesen sin desviarse indica que el átomo es, en su mayor parte, espacio vacío.
• El hecho de que algunas partículas positivas procedentes de la fuente se desvíen indica que han pasado cerca de una zona del átomo que también tiene carga positiva y las ha repelido.
• El hecho de que algunas partículas positivas reboten hacia la fuente emisora indica que existen choques directos contra una zona del átomo muy densa y fuertemente positiva, que denominó núcleo atómico.

Después de analizar los resultados, Rutherford describió un modelo de átomo nuclear que consta de dos zonas diferenciadas:

• Una zona central del átomo muy pequeña, muy densa y cargada positivamente, pues es donde se encuentran los protones.
• Una zona periférica en la que los electrones, cargados negativamente, giran alrededor del núcleo y a cierta distancia del él.

Entonces, ¿cómo justifica el modelo de Rutherford la experiencia de la lámina de oro?

• Explicación de Rutherford al experimento de la lámina de oro

1. La carga positiva está concentrada en el núcleo central, de manera que las partículas positivas que pasan muy cerca de él se desvían mucho de su trayectoria rectilínea.
2. Las partículas positivas que colisionan directamente contra el núcleo, muy denso y positivo, rebotan en la dirección de la que proceden.
3. Las partículas que pasan lejos del núcleo no se desvían de su trayectoria.

3.2.2. El descubrimiento de los neutrones

El modelo descrito anteriormente tenía un inconveniente: la suma de la masa de los protones más la de los electrones era más pequeña que la masa del átomo en su conjunto. Rutherford y otros investigadores propusieron que en el núcleo debía existir otra partícula con masa, pero sin carga eléctrica.

En 1932, J. Chadwick (1891-1974) bombardeó una lámina de berilio con partículas positivas y observó que emitía una radiación de gran energía. Posteriormente, demostró que esa radiación estaba formada por unas partículas eléctricamente neutras, que denominó neutrones, cuya masa era un poco mayor que la del protón.

Masa del neutrón = 1,6749 ⋅ 10⁻²⁷ kg

3.2.3. El modelo nuclear o planetario

Para Rutherford, el átomo estaba constituido por:

• Un núcleo central, con carga positiva, en el que está concentrada prácticamente toda su masa que aportan los protones y los neutrones.
• Una corteza electrónica donde los electrones, con carga negativa, giran a mucha velocidad en torno al núcleo y están separados de este por una gran distancia en relación a su tamaño.

3.3. La formación de iones

En un átomo eléctricamente neutro, el núcleo contiene tantos protones como electrones existen en la corteza.

¿Qué sucede entonces, cuando un átomo eléctricamente neutro pierde un electrón? ¿Y qué sucede si lo gana?

Átomo neutro	Ion positivo o catión	Ion negativo o anión
Átomo eléctricamente neutro con cuatro cargas positivas y cuatro negativas.	Cuando el átomo pierde un electrón se convierte en un ion positivo o catión. En el ejemplo, con cuatro cargas positivas y solo tres negativas.	Cuando el átomo gana un electrón se convierte en un ion negativo o anión. En el ejemplo, con cinco cargas negativas y solo cuatro positivas.