Modelos Atómicos

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El tema de los modelos atómicos es, quizás, uno de los más interesantes en el mundo de la ciencia. Por otra parte, ocurre que la curiosidad por saber cómo es un átomo se genera desde hace muchísimos siglos. Tal vez, lo que más llama la atención es que los seres humanos han cambiado notablemente su idea del átomo. En buena medida, esto sucede gracias a experimentos y descubrimientos que van cambiando la manera de entender el mundo y el universo.

Actualmente, hay varios modelos atómicos. Incluso, hay quienes aseveran que es imposible saber realmente cómo es un átomo. En dado caso, aún predomina mucha especulación. Cuando se trabaja con el átomo, se tiene la extraña sensación de laborar con algo sobre lo cual no se tiene mucha certeza. Empero, sucede que hay avances al respecto. En dado caso, los modelos atómicos actuales se fundamentan más que todo en el ámbito de lo pragmático.

Los diversos modelos atómicos

La noción acerca del átomo ha cambiado a lo largo del tiempo. Por eso, hay tantas variantes en las representaciones o modelos atómicos. Lo cierto, es que la idea de la existencia del átomo hoy en día es una certeza. No obstante, ha cambiado mucho desde la antigüedad.

Quizás, una de las cuestiones que más han cambiado respecto a la idea del átomo es su supuesta indivisibilidad. Los primeros creyentes en el átomo sostienen la idea de que el mismo es 100% indivisible. No obstante, hoy en día se sabe que el átomo si se puede dividir. El asunto es que al separar sus partes, pierde sus características como elemento.

Por ejemplo, se dice que el átomo está conformado por electrones y neutrones. Los electrones orbitan en derredor de un núcleo atómico. En dado caso, cuando estos elementos son separados se libera una gran cantidad energía. Este es el principio de la llamada fisión nuclear, la cual es la base teórica de las bombas atómicas.

Para dejar esto más en claro, vamos a presentar a continuación una lista sucinta con los principales modelos atómicos que han existido desde la antigüedad.

El modelo atómico de Demócrito

Este modelo parte de una discusión existente en la antigua Grecia. Esta discusión se apuntalaba en el choque de dos ideas: considerarse la materia como continua o discontinua.

Cuando se hablaba de materia continua, se hace referencia a que la materia podía subdividirse de manera infinita. Es decir, que cualquier objeto o material, podía dividirse sin encontrar nunca un límite a esa división. Esto implicaba que la materia no estaba conformada por ninguna unidad mínima.

Contra a la idea antes mencionada, estaban quienes pensaban que la materia era discontinua. ¿Qué quería decir la palabra discontinua en este caso? Pues, que la materia si tenía un límite de subdivisión. Se podía subdividir un determinado material, hasta por fin llegar a una unidad mínima que no se podía dividir en partes más pequeñas. Como principal abanderado de esta última postura, tenemos a Demócrito.

¿Quién era Demócrito? Se trata de un filósofo y matemático helénico, que vivió entre los siglos V y IV antes de Cristo. Es este personaje quien emplea la palabra átomo para referirse a la unidad mínima que conforma la materia. En opinión de Demócrito, cualquier material podía dividirse siempre en partes muy pequeñas, pero hay un límite a esta capacidad de su división. Consideraba que todos los materiales estaban conformado un elemento mínimo, llamado átomo.

Quizás, Demócrito no explica mucho como es un átomo en sí mismo. No obstante, si hace algunas hipótesis sobre su comportamiento. Insiste en que los átomos colisionan entre sí, lo que hace que se mezclen y generen nuevas sustancias. Por otra parte, para Demócrito la conformación de los átomos es producto del azar. Es decir, no hay una manera de poder explicarlos como relaciones lógicas de causa y efecto.

El modelo atómico de Dalton

Tendrían que pasar muchos siglos, para que un nuevo pensador y científico se planteara la idea del átomo. En este caso, debemos mencionar al inglés John Dalton (1766 – 1844), quien llega a proponer que los átomos son los bloques de construcción más básicos de la materia. ¿Cómo los representaba? Sucede que para Dalton, los átomos eran como diminutas esferas sólidas, invisibles al ojo humano debido a su extrema pequeñez.

Para comprender las ideas de este científico, es necesario tener en cuenta ciertos postulados que Dalton expone para justificar la existencia de los átomos. Estos postulados son los que mencionamos a continuación:

  • Cada uno de los elementos está compuesto por partes diminutas, llamadas átomos que son indivisibles.
  • Todos los átomos de un determinado elemento, son iguales entre sí.
  • Toda reacción química no es otra cosa que el resultado de la interacción entre los diversos átomos.
  • Los átomos nunca cambian. Son unidades mínimas constitutivas de la materia, en dado caso lo que cambia la manera como se combinan o se organizan entre sí.

En dado caso, lo que llama la atención en este modelo atómico es su forma esférica. Asimismo, se considera que la toma como una porción del material muy diminuta. No está compuesto por electrones, ni tampoco tiene un núcleo. Si se quiere, es un modelo autonómico bastante intuitivo y quizás un tanto ingenuo.

El modelo atómico cúbico de Lewis

Propuesto por el fisicoquímico estadounidense Gilbert Newton Lewis (1875-1946). Lo que llama la atención de este modelo atómico, es que es el único en conformar un aspecto cúbico. De hecho, hemos querido colocarlo inmediatamente después del modelo de Dalton, ya que propone una forma distinta la esférica.

¿Qué tiene de fue particular el átomo de Lewis? Pues, en opinión de este científico los electrones del átomo se sitúan en los ocho vértices de un cubo. Básicamente, este científico se proponía entender la manera como se combinan los átomos entre sí. Gracias a su modelo atómico, llega la conclusión de que los átomos se unen de la misma manera en que lo hace un lego. Son cubos que se combinan, logrando su unión entre los vértices donde se encuentran los electrones.

Curiosamente, es una oposición al modelo de Dalton que parte de la premisa de que si los átomos pues el esférico, no podrían unirse entre ellos y conformar nuevas estructuras. Es así como, en opinión de Gilbert Newton Lewis, sucede que la forma cúbica es la única que permite las diversas combinaciones entre átomos, de manera que se conforman nuevas sustancias.

El modelo atómico de Thomson

Se trata de un modelo que es obra del científico británico Joseph John Thomson (1865-1940). Su trabajo se basa en la deflexión de los rayos catódicos cuando éstos pasan por un campo eléctrico. Es así como Thomson explica este fenómeno gracias a la existencia de un tipo de átomo que lo permite. Vale decirse que este personaje es el creador del término neutrón, el cual luego se usa de manera reiterada para explicar la conformación de un modelo atómico.

En opinión de Thomson, en el átomo existen tanto protones como electrones. Los primeros tienen carga eléctrica positiva, mientras que los electrones tienen carga eléctrica negativa. En su opinión, los átomos son neutros, es decir, su carga es igual a cero. Esto se debe que tienen la misma cantidad de electrones como de protones.

Por otra parte, para este científico un átomo tiene forma de esfera. En su interior, se encuentran flotando tanto protones como electrones al azar. Es decir, no están distribuidos de manera separada. Igualmente, en su opinión la masa de los electrones es insignificante. En realidad, el peso atómico proviene gracias a la masa de los protones.

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El modelo atómico de Perrin

Nos toca ahora hablar de un físico de origen francés. Su nombre es Jean Perrin (1870-1942). En el año de 1901 publica un modelo atómico, el cual es muy similar al sistema solar. Vale decirse que es una suerte de bosquejo inicial, del cual se planeaban hacer mayores especulaciones posteriormente. Sin embargo, la investigación sobre este modelo atómico no continuó.

En opinión de Perrin, la base de este sistema atómico era la atracción entre el núcleo y los electrones más externos. Cuando esta fuerza era muy débil, se desencadenaba el fenómeno de la radiactividad. En dado caso, es uno de los modelos que insisten en que el átomo un centro definido. Por otra parte, la idea de que la toma una suerte de sistema solar en miniatura es algo que va prevalecer durante mucho tiempo en el mundo de la ciencia.

El Modelo atómico de Nagaoka

Toca ahora el turno del físico nipon Hantaro Nagaoka (1865-1950),  quien en el año 1903 proponen nuevo modelo atómico. Un tanto similar al de Perrin, implica la existencia de una gran cantidad electrones orbitan en derredor a una masa central con protones.

Para explicar la estabilidad del átomo, sostiene que está compuesto por un gran número de partículas de masa idéntica, las cuales se disponen en órbitas circulares que se repelen mutuamente.

Además, indica que la gran masa central positiva atraída las partículas con habitan en su derredor. Es por ello que se conforma anillo en derredor a esta masa positiva.

Con las explicaciones antes mencionadas, Nagaoka logrado explicar la radiactividad. Así como la presencia de ciertos espectros luminosos emanados por los elementos.

El Modelo atómico de Rutherford

En 1911, el científico neozelandés Ernest Rutherford (1871+1937) pone sobre la palestra un nuevo modelo atómico. Para ello, se vale de una curiosa estrategia en laboratorio: bombardea partículas radiactivas alfa (de carga positiva) sobre varios elementos químicos. A partir de ello, calcule el ángulo de desviación de dicha partículas y le permite tener una idea de la forma del átomo.

En opinión de Rutherford, si el átomo era como lo proponía Thomson; entonces las partículas alfa debían atravesar dicho átomo con un mínimo de desviación. No obstante, su experimento dio como resultado que mientras algunas partículas atravesaban el átomo, otras en cambio rebotaban. ¿Por qué sucedía esto? La única explicación posible, es que el átomo tuviese un núcleo muy pequeño y condensado.

Lo antes mencionado, arroja las siguientes conclusiones: 1) el átomo tiene una pequeña región muy densa, la cual está cargada positivamente y recibe el nombre de núcleo; 2) la masa de una átomo es equivalente a la suma de sus protones y electrones; 3) los protones están concentrados en el núcleo, mientras que los electrones se ubican al azar en derredor del mismo.

Las ideas de Rutherford inciden nuevamente en la noción de que el átomo es como un sistema solar: el núcleo equivale al sol y los electrones en su derredor son similares a los planetas.

Modelo atómico de Bohr

Los modelos atómicos con semejanza un sistema planetario, tienen un problema. Desde un punto de vista físico y matemático, es imposible que existan unos electrones flotando libremente alrededor del núcleo positivo. Al moverse en órbitas, estos electrones pierden energía y en algún momento chocaría con el núcleo del átomo.

Una solución a este problema la plantea Niels Bohr (1885-1962). Es por ello que en el año 1913 este científico plantea un nuevo modelo para la representación del átomo. Para ello, se apuntala en las novedosas ideas de Albert Einstein. En tal sentido, postura que los electrones tienen una cierta cantidad energía. Por ello, los represente distribuidos en órbitas circulares en derredor al núcleo atómico. Cuando los electrones saltan de estas órbitas, entonces se generan los fotones. De esta manera, se explican los fenómenos de los espectros luminosos de los elementos.

En resumen, este modelo atómico plantea lo siguiente: 1) los electrones se mueven de manera estable en órbitas predeterminadas, 2) cada una de estas gorditas corresponde un nivel energético del electrón, 3) mientras los electrones y mantienen en sus órbitas no liberan energía, 4) si un electrones desplazado de su órbita libera energía luminosa en forma de fotón.

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Modelo atómico de Sommerfeld

Diseñado por el alemán Arnold Sommerfeld (1868-1951), es una suerte de versión relativista del modelo atómico de Bohr. Este modelo es del año 1916.

Ocurre que el modelo atómico pensado por Niels Bohr renegaba un poco de la versión que le daba la átomo la apariencia de un sistema solar. Para Bohr, el átomo es una suerte de centro muy condensado y de energía positiva. En cambio, en lugar de electrones orbitando en su derredor hay una serie de capas, similares a las de una cebolla, donde se encuentran los electrones y que envuelven el centro atómico.

No obstante, este modelo atómico seguía siendo problemático. Solamente lograba explicar el átomo de hidrógeno. Por ello, Sommerfeld se plantea una revisión y propone un modelo similar, aunque con algunos ajustes vinculados a la teoría de la relatividad de Einstein.

Para solucionar los problemas del modelo de Bohr, sucede que Sommerfeld plantea que en cada nivel donde se encuentran los electrones hay una serie de subniveles. Igualmente, sostiene que las órbitas o capas de estos electrones no son uniformes. Mientras algunas son circulares, otras son elípticas.

Modelo atómico de Chadwick

Este modelo data del año 1932. Su creador es el científico inglés James Chadwick (1891-1974). Tal vez, el mayor aporte en este caso es la existencia de una nueva partícula que no tiene carga positiva ni negativa. Se trata del neutrón, el cual se encuentra en el núcleo del átomo junto a los protones. Es así como se tiene una visión más compleja del núcleo atómico.

La existencia del neutrón resulta ser un tema álgido en el debate científico. En primera instancia, se le considera como la unión de un protón y un electrón. No obstante, trabajos posteriores demostraron que el neutrón es una partícula independiente. Por ende, se agrega entonces una nueva visión del átomo, misma que complica su cálculo y comprensión.

No obstante, es con los aportes de la física cuántica que se logra crear el modelo de átomo más aceptado en la actualidad. Sobre el mismo, damos algunas explicaciones a continuación.

Modelo atómico cuántico

Se trata del modelo que más aceptación tienen la actualidad. Su origen, obedecía los aportes de tres científicos: Erwin Schrödinger (1887-1961), Louis de Broglie (1892-1987) y Werner Heisenberg (1901-1976).

La base de este modelo consisten en sugerir que fue el electrón es una onda estacionaria. Por lo tanto, ya no se acepta que hay órbitas de electrones en derredor del núcleo. En realidad, se habla de un nuevo concepto: nubes electrónicas. Estas nubes son consideradas como espacios alrededor del núcleo donde existe una gran posibilidad de hallar un electrón. Empero, no hay una certeza absoluta del ubicación de tales electrones.

Dicho en otras palabras, este es un modelo atómico que acepta la imposibilidad de saber exactamente la ubicación de un electrón. Se considera que este se desplaza tan rápido, y con tal liberan de energía, que solamente se puede estimar aproximadamente su ubicación.

Un dato interesante, es que se considera que los electrones se mueven una velocidad muy similar a la de la luz. Por ende, para cualquier tipo de cálculo es menester tener en cuenta las leyes de la relatividad. En estas leyes, la velocidad de la luz es una constante muy importante; misma que tiene ciertas implicaciones a la hora de hacer un cálculo físico y matemático.

A manera de conclusión

Lo cierto, es que nadie ha podido ver un átomo. Todo lo que hemos mostrado hasta ahora, son especulaciones acerca del aspecto atómico. Vale decirse que en actualidad se tiene la certeza de que es imposible contemplar un átomo. Por ende, solamente se puede imaginar cómo su aspecto. Incluso, hay una versión un tanto más radical. Este indicar que los seres humanos solamente pueden tener una visión aproxima del átomo, nunca tener una plena certeza de su aspecto.

El más reciente modelo, que señalan la existencia de nubes de electrones, deja en claro que el átomo cambia de forma constantemente. Solamente podemos saber la posibilidad de ubicar un electrón en un sitio en derredor al núcleo atómico. No obstante, no se puede saber con exactitud las órbitas y ubicaciones de los electrones.

En dado caso, la importancia de los modelos atómicos es que sean prácticos. En nuestra época, me importa tanto tener una representación de un átomo, sino que modelo atómico permite prever su comportamiento. Esto es de gran importancia en experimentos relacionados con la fisión y la fusión nuclear, siendo que este par de estratagemas son consideradas como el futuro energético del planeta.

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