3.2. Los modelos atómicos

A lo largo de los siglos, se pusieron de manifiesto fenómenos eléctricos naturales (sin saber nada de la existencia de los electrones).

El descubrimiento del electrón tiene su origen en las investigaciones W. Crookes y J.J. Thomson, que experimentaron con unos tubos de rayos misteriosos. Estos tubos son ampollas de vidrio con discos metálicos en su interior en las que se hace vacío. Al aplicar una diferencia de potencial aparece los rayos.

En estos tubos se observó:

• Los rayos se propagaban en línea recta. Si se acercaba un imán, los rayos se curvaban. DEBÍAN ESTAR FORMADOS POR "ALGO" CARGADO ELÉCTRICAMENTE.

• Se proyectaba una sombra en uno de los laterales de la ampolla de vidrio, por lo que los rayos debían proceder del lado opuesto, concretamente donde se encontraba el cátodo.

• Introduciendo en la ampolla de vidrio un molinillo, el molinillo se mueve al activar la corriente en los electrodos, por lo que los rayos DEBÍAN ESTAR FORMADOS POR PARTÍCULAS CON MASA.

Thomson llevó a cabo unas modificaciones en los tubos de rayos catódicos, situando unas placas metálicas cargadas eléctricamente al paso del rayo. Observó que los rayos eran desviados siempre hacia el lado donde se encontraba la placa con carga positiva, por lo que estos rayos debían estar formados por PARTÍCULAS CON MASA Y CARGADOS NEGATIVAMENTE. Thomson logró determinar la relación entre la carga y la masa del electrón. Años más tarde, Millikan determinaría el valor de la carga, pudiendo así despejarse la masa del electrón.

Además observó que los rayos aparecían independientemente del gas contenido en la ampolla de vidrio e independientemente de los metales usados en la constitución de los electrodos. ESAS PARTÍCULAS ESTABAN EN TODO TIPO DE MATERIA.

El descubrimiento por parte de J. J. Thomson de la primera partícula subatómica, el electrón, llevó a los científicos a proponer un primer modelo. Se sabía que había unas partículas más pequeñas que el átomo y que tenían carga negativa. Al ser la materia eléctricamente neutra, debía haber “algo” que tuviera carga positiva. Así llegaron al siguiente modelo conceptual del átomo según Thomson:

“El átomo es una esfera cargada positivamente en la que se encuentran incrustados los electrones en número suficiente para que el conjunto sea eléctricamente neutro”.

Si alguno de los electrones incrustados se desprendía de la masa positiva, se formaría un ion positivo. Así, este modelo explicaba la naturaleza eléctrica de la materia.

El descubrimiento del electrón y estas emisiones radiactivas llevaron a los científicos a estimar que el átomo era más complejo de lo que Dalton supuso.

¿Por qué os cuento esto? Porque para llegar al siguiente modelo atómico, el protagonista, E. Rutherford, utilizó rayos alfa. Veamos que pasó...

En 1911, E. Rutherford y sus colaboradores llevaron a cabo un experimento consistente en lanzar partículas alfa contra una lámina muy fina de oro. Si la materia fuese como se estipulaba a través del modelo de Thomson, las partículas responderían uniformemente. El resultado fue muy diferente.

• La mayor parte de las partículas alfa atravesaban la lámina de oro sin inmutarse, es decir, como si no hubiese nada.

• Unas pocas partículas se desviaban, como si pasasen cerca de algo que las “empujase” hacia un lado.

• Muy pocas rebotaban hacia atrás, como si hubiesen “chocado” contra algo.

La conclusión era evidente, el átomo no era uniforme, debía estar prácticamente vacío, y dentro de él debía haber algo que desviase las partículas alfa. Rutherford se imaginó el átomo constituido por un núcleo con carga positiva, alrededor del cual orbitaban tantos electrones como fuese necesario para que la materia fuese eléctricamente neutra.

La absorción y emisión de energía por parte de los átomos da lugar a la formación de unas rayas de emisión o absorción que indican que los electrones no deben estar en cualquier parte orbitando alrededor de los núcleos atómicos como proponía Rutherford en su modelo atómico. El primer espectro observado fue el espectro atómico del hidrógeno, concretamente la serie espectral de Balmer (que corresponde con la emisión/absorción de radiación dentro del espectro visible).

Los espectros son característicos de cada átomo, y tienen una explicación consolidada según el modelo atómico propuesto por Bohr, que se detalla a continuación.

Bohr postula un nuevo modelo atómico que pretende solventar las incoherencias que aparecieron derivadas del modelo atómico de Rutherford, enunciando que:

• Los electrones se encuentran en capas electrónicas girando en órbitas circulares bien definidas y estables. [no en cualquier órbita, si fuese en cualquier órbita, se obtendrían espectros continuos, pero la realidad fue que los espectros atómicos eran discontínuos]

• Si el electrón permanece en un nivel energético, ni absorbe ni emite energía; pero si el electrón cambia de nivel, sí emite o absorbe energía. Emite energía si baja de nivel (observándose una línea espectral de emisión, es decir, un color si hablamos de radiación visible) y absorbe energía si sube de nivel (observándose una línea espectral de absorción, es decir, una línea negra sobre un espectro contínuo si hablamos de radiación visible).

Estos conceptos de absorción y emisión de energía, vamos a “creérnoslo” en este curso. En el siguiente veremos cómo se llegó a esta conclusión.

Con el modelo atómico de Bohr aparece el concepto de corteza electrónica del átomo, que es la zona alrededor del núcleo del átomo que contiene los electrones. 

Los electrones, a diferencia de lo que proponía Rutherford, se ubican en capas o niveles de energía, denominándose K, L, M y N, a las capas situadas en los niveles 1, 2, 3 y 4 respectivamente. Dentro de cada capa o nivel, puede haber subniveles. 

A pesar de que el modelo atómico de Bohr explicaba ciertos fenómenos, resultó nuevamente insuficiente para explicar otros fenómenos descubiertos posteriormente, que no vamos a estudiar en este curso. Estos fenómenos llevaron al modelo mecano-cuántico, que es válido en la actualidad, según el cual:

• El átomo está constituido por cargas positivas y negativas, como propuso Thomson (hasta aquí nada nuevo).

• Esas cargas positivas y negativas se distribuyen en un núcleo cargado positivamente, y una corteza electrónica donde se encuentran los electrones con carga negativa, como propuso Rutherford (nada nuevo).

• Los electrones no se encuentran en cualquier zona, sino distribuidos por niveles, como propuso Bohr (vaaaaale, nada nuevo...).

• Pero los electrones no orbitan órbitas circulares o elípticas, sino que se encuentran deslocalizados en nubes donde hay probabilidad de encontrarlo, llamados orbitales (🤯, vaaale, olvídalo, en este curso ya está bien...).