MODELOS ATÓMICOS La evolución del átomo

Tras conocer las características de los electrones, algunas personas imaginaron modelos que explicasen cómo era el átomo.

Con lo que sabes hasta ahora, intenta diseñar tu propio modelo del átomo.

PIENSA

¿Cómo es un átomo por dentro?
¿Qué partículas tiene en su interior?
Un átomo, ¿tiene carga eléctrica o es neutro?

Responde a las preguntas anteriores y pon tus respuestas en común con tus compañeros y compañeras de clase.

Dibuja aquí el esquema de un átomo según tu propio modelo. Al finalizar la lección, tendrás que dibujar de nuevo un átomo y comprobar si ha cambiado en algo tu modelo.

J. J. Thomson supuso que, dado que los protones tenían una masa mucho mayor que la de los electrones, deberían ocupar más espacio.

En el modelo atómico de Thomson el átomo era una gran masa de carga positiva (protones) e insertada en ella estaban los electrones.

El átomo es neutro; por tanto, tiene tantos protones como electrones.

Esquema del modelo atómico de Thomson

En color rojo se representa la carga positiva, y en azul, la carga negativa.

A este modelo se le llamó el pudin de pasas: la masa está formada por los protones y las pasas serían los electrones.

Hans Geiger y Ernest Marsden, colaboradores de Ernest Rutherford, realizaron una experiencia aprovechando algunos descubrimientos sobre la radiactividad.

Emplearon materiales que contenían uranio y que emitían rayos alfa, formados por partículas de carga positiva, que tenían mucha energía.

1. Planteamiento de la experiencia

2. ¿Qué esperaban encontrar?

3. ¿Cómo lo llevaron a cabo?

4. ¿Qué se encontró?

Se utilizó una lámina de oro muy fina y se lanzó contra ella un haz de partículas alfa (carga positiva).

Si el modelo de Thomson era cierto, como los protones tienen una masa grande, su carga estaría muy distribuida.

El chorro de partículas alfa (carga positiva muy concentrada), lanzadas a gran velocidad a la lámina de oro, la atravesaría sin dificultad.

En un bloque de plomo similar al del dibujo se colocó material radiactivo (uranio) que producía rayos alfa. Los rayos que salían en la dirección del orificio llegaban directamente a la lámina de oro.

Para conocer la trayectoria que seguían las partículas alfa después de chocar con la lámina de oro se rodeó esta con una película fotográfica.

La mayoría de las partículas alfa atravesaban la lámina sin desviarse.
Una pequeña proporción de partículas atravesaba la lámina y sufrían una pequeña desviación.
Una de cada 10 000 partículas alfa rebotaba y volvía hacia atrás.

El resultado de la experiencia de la lámina de oro sorprendió a la comunidad científica, que no se podía explicar que algunas partículas alfa salieran rebotadas. Rutherford dijo que era «como si al disparar una bala contra un papel de fumar, en lugar de atravesarlo, saliese rebotada».

Para Rutherford este hecho solo se podía explicar si la carga positiva del átomo estaba concentrada en una zona muy pequeña, en lugar de encontrarse muy distribuida. Así, cuando las partículas alfa chocaban contra esa zona, la repulsión entre cargas del mismo tipo hacía que saliesen rebotadas. Como consecuencia, ideó el siguiente modelo:

En el modelo de Rutherford, el átomo está formado por un núcleo muy pequeño donde están los protones y los neutrones. Ahí está concentrada toda su carga positiva y casi toda su masa; los electrones giran alrededor del núcleo formando la corteza.

Representación del átomo según Rutherford

Los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares, de forma similar al movimiento de los planetas alrededor del Sol.

El modelo de Rutherford explica la experiencia de la lámina de oro.

Como la mayor parte del átomo está vacía, la mayoría de las partículas alfa que llegan a la lámina la atraviesan sin desviarse, no encuentran ningún obstáculo: A.
Una pequeña parte de las partículas pasan cerca de un núcleo y su trayectoria se desvía: B.
Solo la pequeñísima proporción de partículas que choca con un núcleo es repelida y vuelve hacia atrás: C.

El modelo atómico de Rutherford, que explicaba tan bien la experiencia de la lámina de oro, no podía explicar otros hechos experimentales:

En 1913, el físico danés Niels Böhr ideó un nuevo modelo atómico que permitió explicar por qué los átomos eran estables y por qué se producían los espectros atómicos observados.

Para llegar a este modelo, Böhr tuvo que suponer que los átomos se comportaban de manera distinta a las partículas eléctricas macroscópicas, una idea que sería la base de la mecánica cuántica.

En el modelo atómico de Böhr:

El átomo está formado por un núcleo, donde están los protones y neutrones, y una corteza, donde se encuentran los electrones.
Los electrones solo se pueden mover en determinadas órbitas. En ellas, aunque gire, el electrón no emite energía. En cada órbita, el electrón tiene cierta energía que es menor cuanto más cerca está del núcleo.
Cuando el electrón pasa de una órbita a otra, absorbe o emite la energía que observamos en los espectros atómicos.

El modelo de Böhr se conoce como el modelo de capas porque supone que los electrones de un átomo se organizan en capas o niveles, y en cada capa tienen cierta energía. Cuando calentamos los átomos o los sometemos a una descarga eléctrica, los electrones adquieren energía y pueden pasar a órbitas más externas. Y en poco tiempo volverán a órbitas más internas emitiendo energía.

Átomo de Böhr

Cuando un electrón pasa de una capa más exterior a otra más cercana al núcleo, emite un fotón de energía. Los fotones forman las radiaciones que se registran en los espectros.

Observa en la siguiente animación cómo se distribuyen los electrones en las capas de un átomo al variar el número atómico.

Distribución de electrones en capas

Al estudiar el espectro de muchos átomos diferentes se encontró que había más rayas de las que se podían explicar con el modelo atómico de Böhr.

La existencia de más rayas quería decir que los electrones del átomo se podían encontrar en muchos niveles de energía diferentes. Aplicando al átomo los principios de la mecánica cuántica, el científico austriaco Erwin Schrödinger (1887-1961) dedujo que en cada nivel de energía de la corteza del átomo había varios subniveles. Llegó a determinar cuántos subniveles había en cada nivel y cómo estaban distribuidos los electrones en cada uno de ellos.

Si pudiésemos fotografiar las posiciones que ocupa el electrón en su movimiento alrededor del núcleo, tendríamos una nube de puntos que sería más densa en las zonas en las que es más probable encontrar al electrón. Schrödinger encontró la función matemática que permite conocer la posición de cada uno de los electrones de un átomo. Su representación gráfica muestra la zona en la que se encuentra el electrón con más probabilidad.

Se llama orbital a la región del espacio en la que existe una probabilidad elevada (superior al 90 %) de encontrar al electrón.

Se encontró que los orbitales podían tener distinta forma y tamaño dependiendo del nivel energético que se considere. En un nivel puede haber varios orbitales de la misma forma (o muy parecida) con distinta orientación. Se dice que son orbitales del mismo tipo.

Cada tipo de orbital se designa con una letra y, si hay varios, se diferencian con un subíndice relacionado con su orientación espacial. Observa en la tabla la forma de algunos orbitales.

Los orbitales atómicos

LOCALIZACIÓN DE LOS ORBITALES

ENERGÍA DE LOS ORBITALES

En general, la energía de los orbitales depende del nivel energético. En algunos casos se producen alteraciones debidas a las interacciones entre los electrones. No obstante, se puede conocer el orden de energía.

Todos los orbitales del mismo tipo que están en el mismo nivel tienen la misma energía, salvo que el átomo esté en un campo magnético. Si consideramos que cada nivel se corresponde con un valor de energía, cada tipo de orbitales será un subnivel.

Orden de energía de los orbitales que están en los cuatro primeros niveles. Las flechas negras representan los electrones que puede haber en cada orbital. Observa que se cumplen las reglas de llenado.

El diagrama de Moeller es una regla nemotécnica que permite recordar este orden. Observa a continuación cómo se puede utilizar.

Orden de energía de los orbitales: diagrama de Moeller

Para recordar este orden se aplica la regla de las diagonales o diagrama de Moeller. En él se representan los tipos de orbitales, es decir, cuando se escribe 2p, se están representando los tres orbitales 2p; si se escribe 3d, se están representando los cinco orbitales 3d; y si se escribe 4f, se están representando los siete orbitales 4f.

El modelo atómico de Thomson

En el modelo atómico de Thomson, el átomo era una gran masa de carga positiva (protones) e insertada en ella estaban los electrones.

El átomo es neutro; por tanto, tiene tantos protones como electrones.

El modelo atómico de Rutherford

En el modelo de Rutherford, el átomo está formado por un núcleo muy pequeño donde están los protones y los neutrones. Ahí está concentrada toda su carga positiva y casi toda su masa; los electrones giran alrededor del núcleo formando la corteza.

El modelo de Rutherford explica la experiencia de la lámina de oro, pero no explica los siguientes hechos:

La estabilidad del átomo.
El espectro de los átomos.

El modelo atómico de Böhr

En el modelo atómico de Böhr:

El átomo está formado por un núcleo, donde están los protones y neutrones, y una corteza, donde se encuentran los electrones.
Los electrones solo se pueden mover en determinadas órbitas. En ellas, aunque gire, el electrón no emite energía. En cada órbita el electrón tiene cierta energía que es menor cuanto más cerca está del núcleo.
Cuando el electrón pasa de una órbita a otra, absorbe o emite la energía que observamos en los espectros atómicos.

El modelo atómico actual

Al estudiar el espectro de muchos átomos diferentes se encontró que había más rayas de las que se podían explicar con el modelo atómico de Böhr. La existencia de más rayas quería decir que los electrones del átomo se podían encontrar en muchos niveles de energía diferentes.

Aplicando al átomo los principios de la mecánica cuántica, el científico austriaco Erwin Schrödinger (1887-1961) dedujo que en cada capa o nivel de energía de la corteza del átomo había varios subniveles. Llegó a determinar cuántos subniveles había en cada capa y cómo estaban distribuidos los electrones en cada uno de ellos.

Se llama orbital a la región del espacio en la que existe una probabilidad elevada (superior al 90 %) de encontrar al electrón.

Thomson	Rutherford	Böhr	Modelo actual

Resumen. Modelos atómicos

Dibuja ahora el modelo de un átomo según lo que has aprendido. ¿Se parece al que dibujaste al principio de la lección?

Clasifica las siguientes premisas según el modelo al que pertenecen:

Modelo atómico de Thomson

Modelo atómico de Rutherford

Modelo atómico de Bohr

De los siguientes orbitales, indica cuáles tienen la misma forma:

Realiza un dibujo comparativo entre los orbitales 2p y 3p.

Un átomo tiene electrones hasta completar todos los orbitales 5p. Escribe todos los orbitales donde hay electrones.

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SITUACIÓN DE APRENDIZAJE. ¿Cómo es para ti un átomo?

Tras conocer las características de los electrones, algunas personas imaginaron modelos que explicasen cómo era el átomo.

¿Cómo es un átomo por dentro?

Un átomo, ¿tiene carga eléctrica o es neutro?

Dibuja un átomo

Dibuja aquí el esquema de un átomo según tu propio modelo. Al finalizar la lección, tendrás que dibujar de nuevo un átomo y comprobar si ha cambiado en algo tu modelo.

El modelo atómico de Thomson

J. J. Thomson supuso que, dado que los protones tenían una masa mucho mayor que la de los electrones, deberían ocupar más espacio.

El átomo es neutro; por tanto, tiene tantos protones como electrones.

La experiencia de la lámina de oro

Hans Geiger y Ernest Marsden, colaboradores de Ernest Rutherford, realizaron una experiencia aprovechando algunos descubrimientos sobre la radiactividad.

Emplearon materiales que contenían uranio y que emitían rayos alfa, formados por partículas de carga positiva, que tenían mucha energía.

El modelo atómico de Rutherford

El resultado de la experiencia de la lámina de oro sorprendió a la comunidad científica, que no se podía explicar que algunas partículas alfa salieran rebotadas. Rutherford dijo que era «como si al disparar una bala contra un papel de fumar, en lugar de atravesarlo, saliese rebotada».

El modelo de Rutherford y la experiencia de la lámina de oro

El modelo de Rutherford explica la experiencia de la lámina de oro.

¿Qué no explica el átomo de Rutherford?

El modelo atómico de Böhr

En 1913, el físico danés Niels Böhr ideó un nuevo modelo atómico que permitió explicar por qué los átomos eran estables y por qué se producían los espectros atómicos observados.

Para llegar a este modelo, Böhr tuvo que suponer que los átomos se comportaban de manera distinta a las partículas eléctricas macroscópicas, una idea que sería la base de la mecánica cuántica.

Distribución de electrones en capas

Observa en la siguiente animación cómo se distribuyen los electrones en las capas de un átomo al variar el número atómico.

El modelo atómico actual

Al estudiar el espectro de muchos átomos diferentes se encontró que había más rayas de las que se podían explicar con el modelo atómico de Böhr.

Los orbitales atómicos

Se encontró que los orbitales podían tener distinta forma y tamaño dependiendo del nivel energético que se considere. En un nivel puede haber varios orbitales de la misma forma (o muy parecida) con distinta orientación. Se dice que son orbitales del mismo tipo.

Cada tipo de orbital se designa con una letra y, si hay varios, se diferencian con un subíndice relacionado con su orientación espacial. Observa en la tabla la forma de algunos orbitales.

Localización y energía de los orbitales

Comparación entre la órbita que describiría un electrón, según el modelo de Böhr, y el orbital, según el modelo mecano-cuántico. El límite de la órbita coincide con la zona de mayor probabilidad de encontrar el electrón, pero el electrón también pasa por otros puntos.

Orden de energía de los orbitales que están en los cuatro primeros niveles. Las flechas negras representan los electrones que puede haber en cada orbital. Observa que se cumplen las reglas de llenado.

Diagrama de Moeller

El diagrama de Moeller es una regla nemotécnica que permite recordar este orden. Observa a continuación cómo se puede utilizar.

Resumen. MODELOS ATÓMICOS. La evolución del átomo

El modelo atómico de Thomson

El modelo atómico de Rutherford

El modelo atómico de Böhr

El modelo atómico actual

Actividades

Dibuja de nuevo tu modelo de un átomo

Dibuja ahora el modelo de un átomo según lo que has aprendido. ¿Se parece al que dibujaste al principio de la lección?

¿Qué dice cada modelo atómico?

Orbitales con la misma forma

De los siguientes orbitales, indica cuáles tienen la misma forma:

Compara orbitales

Realiza un dibujo comparativo entre los orbitales 2p y 3p.

Orden de llenado de los orbitales

Un átomo tiene electrones hasta completar todos los orbitales 5p. Escribe todos los orbitales donde hay electrones.

Comprueba lo que has aprendido. MODELOS ATÓMICOS