1 ¿Cómo trabajan los científicos?

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1 ¿Cómo surge la idea del átomo? e

En la antigua Grecia, los principales sabios de la época proponían teorías diversas para explicar cómo estaba constituida la materia. Entre esos sabios –o filósofos– destaca Demócrito de Abdera, quien plantea por primera vez la existencia de los átomos.

a ¿Qué significa literalmente la palabra «átomo»? b ¿Qué diferencia hay entre un filósofo y un científico?

Si echamos un vistazo a nuestro alrededor, nos damos cuenta de que estamos rodeados de materia, que se presenta de muy diversas formas y en distintos estados de agregación. Pero ¿de qué está formada esta materia? La idea del átomo tiene 2500 años de antigüedad. ¿Es posible que siga vigente? La propuesta de Demócrito de que la materia estaba formada por átomos era una idea sin contrastar, una doctrina filosófica entre otras. Sin embargo, varios siglos después, la aplicación del método científico al estudio del comportamiento de los gases y de los cambios químicos de la materia hicieron posible profundizar en esta idea. ➚Las plantas, el suelo, el aire, los seres vivos estamos formados por

materia.

La teoría atómica de Dalton

Hacia el año 1800, la experimentación aplicada a la Química había dado como resultado el descubrimiento de varias leyes relacionadas con la combinación de los elementos químicos para dar compuestos. Sin embargo, no existía ninguna hipótesis ni modelo que explicase dichas leyes. Fue el químico y profesor inglés John Dalton quien rescató el concepto de átomo para explicar las leyes recién descubiertas, proponiendo un conjunto de hipótesis conocido como teoría atómica.

H Cl

La teoría atómica de Dalton se resume así: ➜ Los elementos están formados por pequeñas partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos. ➜ Los átomos de un mismo elemento son idénticos en su masa y propiedades; los átomos de elementos diferentes poseen distinta masa y propiedades diferentes. ➜ Los átomos de los elementos se combinan para formar compuestos en proporciones dadas por números enteros sencillos.

1:1 ➚Cloruro de hidrógeno. Se forma por la combinación de átomos de cloro (Cl) y de hidrógeno (H) en una proporción 1:1, con independencia del modo de preparación utilizado.

Cuando propuso su teoría atómica, Dalton postuló que los átomos eran indivisibles. Sin embargo, a finales del siglo xix, se comprobó que no lo son, ya que están formados por otras partículas más pequeñas. El estudio de las partículas subatómicas –más pequeñas que el átomo– se inicia en 1875, cuando el inglés William Crookes perfeccionó un aparato que se conoce como tubo de rayos catódicos.

El descubrimiento del electrón

Un tubo de rayos catódicos es un recipiente de vidrio que contiene dos placas metálicas, entre las cuales se aplica un gran voltaje (10 000 voltios), y en cuyo interior se ha hecho el vacío. En estas condiciones, la placa con carga negativa (cátodo) emite un haz invisible de partículas negativas hacia la otra placa, con carga positiva (ánodo). Este haz se detecta cuando incide sobre la pared opuesta del tubo, donde produce luminosidad a consecuencia del impacto de las partículas.

Los estudios del físico inglés Joseph John Thomson, publicados en 1897, determinaron que se trataba de partículas con carga negativa –ya que se desviaban hacia una placa positiva– y concluyeron con el cálculo del cociente entre su masa y su carga. Las partículas recibieron el nombre de electrones, nombre sugerido por el físico irlandés George Stoney. Posteriormente, en 1911, el físico estadounidense Robert Millikan consiguió calcular la carga de un electrón, que resultó ser del orden de 10–19 culombios. Por tanto, para caracterizar el electrón, la primera de las partículas subatómicas, fue necesaria la contribución de varios científicos a lo largo de casi cuatro décadas.

Partículas negativas

Cátodo

Ánodo

➚Experimento con el tubo de rayos catódicos.

1. Responde a las siguientes cuestiones basándote en la teoría atómica de Dalton: a) ¿Pueden dos elementos distintos estar formados por átomos iguales? b) ¿Cambiarán su naturaleza los átomos de un elemento al sufrir un proceso físico o químico? c) ¿Es posible la combinación de dos átomos de un elemento con un solo átomo de otro elemento? d) ¿Puede combinarse medio átomo de un elemento con un átomo de otro elemento? 2. La carga del electrón es muy pequeña. a) ¿Qué submúltiplo del culombio sería el más adecuado para expresarla? b) Calcula cuántos electrones aproximadamente serían necesarios para obtener la carga total de 15 C.

3. El atomismo de Demócrito no es una teoría científica, como sí lo es –aunque hoy día sabemos que no es correcta– la teoría atómica de Dalton. Explica cuál es la diferencia entre una doctrina filosófica y una auténtica teoría científica.

El descubrimiento del electrón marcó el comienzo de una carrera científica hacia la búsqueda de nuevas partículas subatómicas, que continuó con el descubrimiento del protón y el neutrón.

Más descubrimientos: el protón y el neutrón

En 1886, el físico alemán Eugen Goldstein realizó algunos experimentos con un tubo de rayos catódicos con el cátodo perforado. Observó unos rayos que atravesaban el cátodo en sentido contrario a los rayos catódicos. Recibieron el nombre de rayos positivos o rayos canales y pronto se supo que estaban formados por partículas cargadas positivamente. La confirmación de que existía una partícula positiva con la misma carga que el electrón y 1 837 veces su masa se produjo en 1919, por parte del físico neozelandés Ernest Rutherford, quien la llamó protón. Además del electrón y el protón, existe en el átomo una tercera partícula, el neutrón, que no posee carga eléctrica, de ahí su nombre. Su descubrimiento se produjo finalmente en 1932, cuando el físico inglés James Chadwick observó que una muestra de berilio bombardeada con partículas alfa emitía un haz de partículas que no se desviaban hacia ninguno de los polos positivo o negativo de unas placas cargadas eléctricamente. ➚Experimento de Chadwick.

Por tanto, en el transcurso de un siglo, el átomo dejó definitivamente de ser indivisible, como había postulado Dalton. Las evidencias experimentales mostraron que estaba compuesto por tres tipos de partículas:

➜ Los electrones, que se simbolizan como e –, son partículas de masa muy pequeña en comparación con la de un protón o un neutrón, que tienen carga negativa. ➜ Los protones, que simbolizamos como p+ , son partículas cuya masa es aproximadamente 1840 veces mayor que la de un electrón. Poseen carga eléctrica positiva, del mismo valor que la de un electrón. ➜ Los neutrones, simbolizados por n, son partículas cuya masa es muy similar a la de un protón, pero que no tienen carga eléctrica, es decir, son neutros.

CO2

O

Electrones (e ) -

Protones (p ) +

Neutrones (n)

e

4. Con ayuda de la bibliografía científica o de Internet, busca los datos de carga y masa de las tres partículas subatómicas que has estudiado en este apartado. Elabora una tabla adecuada para mostrar los citados datos. 5. La evolución sobre el conocimiento del átomo es uno de los ejemplos más notables de la aplicación del método científico. Construye una línea del tiempo, a partir de la idea atomista de Demócrito, hasta alcanzar el concepto moderno del átomo. Para ello:

Ten en cuenta los principales hitos y sus fechas.

Completa la información necesaria consultando libros o Internet.

Reserva un espacio para incluir más hitos que estudiarás en los próximos apartados.

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2 Hacia un modelo para el átomo e

Seguro que en ocasiones has visto dibujos o logotipos, como el de la ilustración, que representan átomos, ya que son bastante frecuentes.

a ¿Qué te sugiere un dibujo como este? b ¿Qué importancia crees que puede tener conocer cómo es el átomo?

El descubrimiento de las partículas subatómicas condujo inmediatamente a la necesidad de proponer modelos que explicasen cómo se encuentran distribuidas dichas partículas en el interior del átomo. El modelo de Thomson

El primer modelo para el átomo fue propuesto por Joseph John Thomson, justo después de que él mismo participara en el descubrimiento del electrón. Era muy sencillo y tuvo poca vigencia.

➜ Para Thomson, el átomo era una esfera compacta, maciza, de carga positiva, en la cual se encuentran incrustados los electrones, de carga negativa. ➜ El átomo es neutro al compensarse mutuamente las cargas de signo contrario.

Electrones

➚ El átomo, según Thomson.

El experimento de Rutherford

En 1911, Ernest Rutherford realizó un experimento crucial para comprender la estructura interna del átomo.

Fuente de partículas alfa

Bombardeó una delgadísima lámina de oro con partículas alfa, producidas al desintegrarse algunos elementos radiactivos.

Partículas alfa

Átomos de oro La mayoría atravesaban la lámina, y algunas se desviaban de su trayectoria.

Lámina de oro

Detector de partículas

Rutherford supuso acertadamente que las pocas partículas que resultaban desviadas e, incluso en algunos casos, salían rebotadas, eran repelidas por una carga de signo positivo, el mismo que poseen las partículas alfa. Por tanto, llegó a la conclusión de que la carga positiva del átomo debía concentrarse en una zona central, permitiendo que los rayos de partículas alfa atravesasen los átomos la mayoría de las veces sin alterar su trayectoria, tal y como se representa en el esquema.