El modelo atómico de Thomson

¿Cómo es el átomo? A principios del siglo XX se disponía de suficiente información química y física para que muchos físicos pudieran diseñar modelos de átomos. Se sabía que las partículas negativas con propiedades idénticas (electrones) se podían obtener de muchas sustancias diferentes y de diferentes maneras. Esto sugería que los electrones son componentes de todos los átomos.

Pero los electrones están cargados negativamente mientras que las muestras de un elemento son eléctricamente neutras. Por lo tanto, los átomos que constituyen tales muestras también serán probablemente eléctricamente neutros. Si es así, y en los átomos hay electrones con carga negativa, esto indicaría que en un átomo es necesaria la presencia de una cantidad igual de carga positiva.

Mencionamos al hablar de los electrones como las partículas de los rayos catódicos que los átomos de hidrógeno tienen unas 1800 veces más masa que los electrones, que tienen una masa de 9,109·10-31 kg. De aquí se sigue que los electrones constituyen una parte muy pequeña de la masa total de un átomo.

Así pues, cualquier modelo de átomo que se proponga debía tener en cuenta la siguiente información:

  • un átomo eléctricamente neutro debe contener la misma cantida de cargas positivas y negativas:
  • la carga negativa está asociada con solo una pequeña parte de la masa total del átomo, y la aportan los electrones

Adicionalmente cualquier modelo atómico tenía que ser capaz de responder a dos preguntas básicas:

  1. ¿Cuántos electrones hay en un átomo? [1]
  2. ¿Cuál es la disposición de los electrones y la carga positiva en el átomo?

Durante los primeros 10 años del siglo XX se propusieron varios modelos atómicos, pero ninguno fue satisfactorio. Hasta 1911, el modelo más popular para el átomo fue el propuesto por J.J. Thomson en 1904. Thomson sugirió que un átomo consistía en una esfera de electricidad positiva en la que se distribuía una cantidad igual de carga negativa en forma de pequeños electrones. A partir de los estudios electroquímicos a lo largo del XIX y por los realizados con radiación X [2], la cantidad de carga positiva en cada átomo se supuso que era igual al número atómico del átomo Z (un número entero) multiplicado por la magnitud de la carga del electrón e, es decir, la carga positiva de un átomo es igual a Z·e. Para cumplir con la condición de que el átomo sea eléctricamente neutro debe haber un número igual de electrones cargados negativamente.

Con estas suposiciones, el átomo de Thomson era como un «pudín de pasas» de electricidad positiva, con los electrones negativos esparcidos en él como ciruelas o pasas. Así, el hidrógeno (Z=1) consistía en un electrón, carga -1e, incrustado en una esfera de carga positiva +1e. El helio (Z=2) consistía en dos electrones incrustados en una esfera de carga positiva +2e, y así sucesivamente.

Modelo de pudin de pasas para los seis primeros elementos. Fuente: Cassidy Physics Library

Thomson asume en este modelo que «la masa del pudin» positiva actúa sobre los electrones negativos, manteniéndolos en el átomo solo por fuerzas eléctricas [3] y que el radio de los átomos tendría que ser de un orden de magnitud de 10-10 m, basándose para ello en información de la teoría cinética de los gases [4] y otras consideraciones.

Sin embargo, Thomson no podía explicar cómo se mantenía unida «la masa del pudin» positiva, ya que lo que se sabía de electricidad indicaba que debería desmoronarse debido a la repulsión eléctrica. Tampoco podía explicar las propiedades químicas ni el sistema de periodos.

Se requería mucha más información experimental y un nuevo concepto radical, el concepto de cuanto de energía, para construir un modelo del átomo mucho más satisfactorio. Este concepto se introdujo mediante el uso de los resultados obtenidos al estudiar un conjunto de problemas completamente diferente, la radiación térmica y el enigma del efecto fotoeléctrico, de eso se encargarían Max Planck y Albert Einstein [5].

Notas:

[1] Démonos cuenta que a principios del siglo XX la respuesta a esta pregunta no era en absoluto evidente. Menos cuando aun había gente que negaba la existencia de los átomos. Recordemos que hasta 1908 no se demostró más allá de toda duda razonable su existencia, como vimos aquí.

[2] Volveremos sobre esto más adelante en la serie.

[3] Hoy sabemos que en un átomo actúan fuerzas adicionales además de las eléctricas.

[4] Véase a este respecto El tamaño de las moléculas

[5] No nos olvidaremos de Rutherford. Baste mencionar ahora que el modelo atómico de Rutherford no es más que un caso particular del de Thomson.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

from Cuaderno de Cultura Científica http://bit.ly/2KMo6NX

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