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[TRABAJO GRUPAL DE INVESTIGACIÓN: MODELOS Tema 2 ATÓMICOS] Física y Química 4º de ESO Profesora: Julia Bonilla

Este documento es el resultado de vuestras búsquedas de internet y en libros del Departamento para obtener información de los Modelos Atómicos. Ahora…a estudiárselo! MODELO DE THOMSON (1898) ¿En qué consiste el modelo?

El primer modelo formal sobre el átomo fue propuesto por el británico J.J. Thomson a principios del s. XX, según el cual el átomo es como un volumen de carga positiva y densidad uniforme con los electrones incrustrados en la superficie (“studded with raisins”). El conjunto resultaba neutro y estable. Hechos experimentales que propulsaron la aparición del modelo

El mismo J.J. Thomson descubrió el electrón en 1897 mediante un experimento utilizando un tubo hermético de descarga donde encerraba un gas cualquiera a baja presión. Al provocar el paso de corriente se producía una luminiscencia desde el cátodo (-) al ánodo (+). Esta luminiscencia, de alta energía cinética, estaba constituída por partículas con masa y carga negativa (e-), por tanto se comportaba como una corriente eléctrica. A estos rayos se le denominaron rayos catódicos. Errores del modelo

El descubrimiento de la radioactividad por Becquerel a principios del s. XX, impulsó el uso de esta nueva “energía” para el estudio de la materia. E. Rutherford, discípulo de J.J. Thomson, utilizó la radioactividad para estudiar la materia descubriendo la existencia de espacios vacíos en el átomo. El átomo, por tanto, no se ajusta al modelo propuesto por Thomson de cargas electrostáticas positivas y negativas en un átomo macizo; resulta un modelo muy simple que no explica por qué se producen los fenómenos radioactivos.

MODELO DE RUTHERFORD (1911) ¿En qué consiste el modelo?

El modelo de Rutherford presenta un átomo con un núcleo central pequeño cargado positivamente, que contiene casi toda la masa del átomo, donde los electrones, de masa despreciable, giran en órbitas concéntricas en torno a dicho núcleo. Con frecuencia a la región donde se encuentran los electrones se le denomina corteza. El número de cargas eléctricas negativas (debidas a los electrones) y de las positivas 1


[TRABAJO GRUPAL DE INVESTIGACIÓN: MODELOS Tema 2 ATÓMICOS] (debida al núcleo) debe ser el mismo ya que el átomo debía seguir siendo eléctricamente neutro. Este modelo es también conocido como el modelo planetario. Hechos experimentales que propulsaron la aparición del modelo

En 1886, el físico alemán E.Goldstein, observó, utilizando un tubo de descarga con un cátodo perforado, unos rayos que viajaban en sentido contrario a los rayos catódicos, y cuya masa dependía de la naturaleza del gas introducido en el tubo. Estos rayos, denominados canales, tenían carga positiva. Cuando el gas introducido era H2, los rayos canales estaban formados por partículas de igual carga eléctrica que el electrón pero de signo contrario y de masa 1837 veces mayor. Era el protón. En el año 1896 se descubrió accidentalmente una nueva propiedad de la materia que posteriormente se denominó radiactividad. Este fenómeno se produjo al colocar sales de uranio sobre una placa fotográfica en una zona oscura, comprobando que dicha placa se ennegrecía. Las sales de uranio emitían una radiación capaz de atravesar papeles negros y otras sustancias opacas a la luz ordinaria. Estos rayos se denominaron en un principio rayos Becquerel en honor a su descubridor. Esta propiedad (que presentan ciertos elementos) la utilizó E. Rutherford para estudiar la estructura de la materia. El experimento de “la lámina de oro” consistió en mandar un haz de partículas radioactivas α (alfa) sobre una fina lámina de oro y observar como dicha lámina afectaba a la trayectoria de dichos rayos. Según el modelo de Thomson, los rayos no deberían atravesar la lámina. El resultado fue que la gran mayoría de las partículas α atravesaron la lámina y sólo unas pocas, con distintos ángulos, rebotaron. La explicación fue la siguiente: el átomo no es macizo: tiene huecos, por eso casi todas las partículas atraviesan la lámina. Las que se desviaron pasaron cerca de un centro de carga positiva, ya que las partículas α también lo son y se repelen. Solo algunas, muy escasas, rebotaron (ángulo de 180º aproximadamente), son las que impactaron justamente en el núcleo. Errores del modelo

El modelo planetario contradice las leyes del electromagnetismo, propuestas por Maxwell en el s. XIX, que asientan las bases de una de las partes más importantes de la física con aplicaciones tan importantes como la generación de la electricidad que llega a nuestras casas. Estas leyes están hoy en día tan definidas, que el propio A. Einstein

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[TRABAJO GRUPAL DE INVESTIGACIÓN: MODELOS Tema 2 ATÓMICOS] las alabó como “el más profundo y provechoso trabajo que la física ha experimentado desde los tiempos de Newton”. Según estas leyes, una carga eléctrica, como el electrón, en movimiento, debería perder energía continuamente en forma de radiación (luz), con lo que llegaría un momento que el electrón caería sobre el núcleo y la materia, que está compuesta por átomos se destruiría en un tiempo muy breve.

MODELO DE BOHR (1913) ¿En qué consiste el modelo?

El físico danés N. Bohr propuso su modelo atómico como una corrección del modelo planetario de Rutherford basándose en los siguientes postulados: 1) Los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo. 2) Sólo son estables ciertas órbitas, aquellas que cumplen una condición física fundamental: que su momento angular (una magnitud física propia del movimiento circular) sea múltiplo de la constante de Planck (una nueva constante “cuántica”). 3) Un electrón permanecerá estable en su órbita a no ser que absorba energía (pasa a una órbita superior) o que emita, porque “está excitado” (pasa a una órbita inferior). Hechos experimentales y teóricos que propulsaron la aparición del modelo

Teoría cuántica de Planck: a nivel microscópico, las partículas con carga en movimiento, como el electrón, no pueden emitir energía de forma continua. Lo hacen a modo de “paquetes o cuantos de energía” que Planck denominó fotones. Así pues, un electrón girando en torno al núcleo en una órbita no emite ni absorbe energía, puesto que cada órbita se dice “está cuantizada”, tiene un valor de energía estable. Cuando un electrón absorbe fotones pasa a un nivel superior y cuando emite fotones a un nivel inferior. Cuando los átomos de una sustancia son calentados (Li metal, Na metal o K metal) emiten energía sólo a ciertos valores (longitudes de onda, λ) de manera que cada elemento tiene sus “propias bandas” creando un espectro atómico característico. Esta emisión discontinua de energía o radiación sólo podía ser explicada admitiendo un nuevo modelo para explicar la física a nivel microscópico: la física cuántica. 3


[TRABAJO GRUPAL DE INVESTIGACIÓN: MODELOS Tema 2 ATÓMICOS] El efecto fotoeléctrico. Einstein recibió el premio nobel por la explicación al hecho experimental de que cuando se irradia con luz una superficie con suficiente energía, esta emite electrones superficiales, produciendo corriente. Este hecho puso en evidencia la relación existente entre energía luminosa y electrones. Errores del modelo

En los espectros de emisión atómicos, cuando se trabajaba con mucha precisión, aparecían bandas muy finas, correspondientes a saltos entre subniveles y no niveles que el modelo de Bohr no supo explicar. En realidad, este modelo, que es también un modelo planetario, era demasiado simple para explicar el comportamiento de los electrones. Además, el modelo de Bohr es muy determinista: predice localizaciones exactas para los electrones. La realidad es que sólo podemos tener una idea de la región en la que puede ubicarse un electrón, pero no podremos determinar su trayectoria exacta.

MODELO ACTUAL (1920) ¿En qué consiste el modelo?

El modelo actual fue desarrollado en los años 20 por Schrödinger y Heisenberg y consiste en un complejo modelo matemático que sólo puede resolverse a la perfección para el átomo más sencillo del universo: el de hidrógeno. Para el resto de los “sistemas de electrones” o átomos se recurre a aproximaciones. Actualmente, el átomo se considera un sistema mecano-cuántico, es decir, un sistema de cargas (positivas, negativas y neutras) que se encuentran en equilibrio debido a la interacción de distintos tipos de fuerzas (electrostática, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil) que siguen las reglas de la mecánica de “lo pequeño”, la mecánica cuántica. Esta consideración implica que las órbitas definidas en el modelo de Bohr son sustituídas por los orbitales. Los orbitales son regiones del espacio donde la probabilidad de encontrar a un electrón es muy alta. Los orbitales tienen distinta forma geométrica dependiendo de qué tipo sean (distancia al núcleo, energía, orientación espacial…): La geometría de los orbitales se obtiene de resolver la ecuación de Schrödinger para el caso del átomo de hidrógeno. Para ello hay que admitir una compleja afirmación: los electrones, que son cuerpos materiales, con masa, son también ondas (como la luz) y viajar por

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[TRABAJO GRUPAL DE INVESTIGACIÓN: MODELOS Tema 2 ATÓMICOS] el espacio con ambas configuraciones. Es algo así como admitir que somos duales: buenos y malos, responsables e irreponsables… Hechos teóricos que propulsaron la aparición del modelo

La dualidad onda-corpúsculo de De Broglie (1924): De Broglie, físico francés propuso que toda partícula material en movimiento (como el electrón) tiene asociada una onda cuya longitud de onda (λ) se relaciona con la masa con la siguiente ecuación:

Siendo h la constante de Planck y p el producto de la masa (m) por la velocidad (v). El principio de incertidumbre de Heisenberg (1927): Este principio establece la imposibilidad de determinar simultáneamente la posición y la velocidad del electrón, lo que implica que si determinamos la posición se comete mucho error en la velocidad,así mismo, si se desea conocer la velocidad del electrón en un instante determinado, se comete una imprecisión muy grande en la posición. Esto nos lleva concluir que no se puede predecir la trayectoria de un electrón; sólo se puede conocer la región aproximada del espacio dónde este puede encontrarse. Siendo x la incertidumbre en la posición, p la incertidumbre en la velocidad y h la constante de Planck. PARA SABER MÁS DE ESTE MODELO http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/usrn/lentiscal/1-cdquimicatic/applets/actual/teoriamodeloactual.htm Errores del modelo

En el resto de los átomos distintos al hidrógeno, la ecuación de Schrödinger no se resuelve bien, hay que recurrir a aproximaciones.

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Modelos atomicos