Resumen de los modelos atómicos de Thomson y Rutherford

La historia moderna de los modelos atómicos inicia con las leyes ponderales, siendo estas la ley de proporciones definidas, la ley de proporciones recíprocas, la ley de conservación de la masa, y la ley de las proporciones múltiples.

Como vimos en la sección del modelo atómico químico, estas leyes se pueden modelar químicamente asumiendo la existencia de partículas con identidad química para los elementos llamadas átomos, y por agrupaciones de estos átomos que denominaremos moléculas.

A pesar de las múltiples modificaciones que sufrió el modelo atómico de Dalton a manos de otros autores como Stanislao Cannizzaro y Amadeo Avogadro, lo que tienen en común modelos es que se basaban en la medición de propiedades típicas para la química como la masa de una sustancia en una reacción química, los volúmenes de los gases bajo condiciones dadas de presión y temperatura, y las identidades de las sustancias reactantes y productos.

El átomo como partícula con estructura interna

Con el paso del tiempo, sin embargo, apareció una nueva serie de propiedades de la materia en especial la carga. el primero en estudiar las propiedades de la carga de manera científica fue Benjamín Franklin, al cual le debemos el acuñado de términos como carga positiva y carga negativa. Otra propiedad relacionada a la carga era el magnetismo, algunas sustancias eran capaces de atraer a otras sustancias o incluso más interesante, era el hecho de que algunas sustancias se oponían entre sí cuando se exponían a ciertas partes de sus cuerpos, pero cuando se exponían a sus opuestas se atraían.

El problema con las propiedades de carga y magnetismo era que la teoría del átomo químico no tenía explicación para estas propiedades físicas de la materia. Por ende, el modelo del átomo químico era por naturaleza incompleto. En otras palabras, se requería un nuevo modelo del átomo que llamaremos el átomo físico.

Para poder estudiar el átomo físico era necesario el desarrollo de nueva tecnología, y el instrumento primordial para esta primera etapa del átomo físico fue el denominado tubo de descarga. Un tubo de descarga es un tubo al cual se le extrae la mayor cantidad posible de aire u otros gases en su en su interior. Aquí es que los físicos se dieron cuenta que al pasar una corriente eléctrica por estos tubos casi al vacío se completaba el circuito, es decir cuando el tubo está lleno de aire está aislado al paso de corriente eléctrica, pero al vaciarse de la mayoría de su contenido gaseoso se vuelve altamente conductivo.

Con el tiempo los tubos de descarga pasaron a denominarse como los tubos de rayos catódicos, y con ellos los físicos comenzaron a realizar una serie de experimentos que los llevaron a concluir que lo que completaba un circuito eléctrico en estos descarga era una partícula relacionada con los átomos, pero a diferencia de ellos, esta partícula posee una carga eléctrica de tipo negativo, pues esta era desviada por cargas magnéticas, siendo atraída por las cargas positivas y repelida por las cargas negativas. Los rayos constituidos por estas partículas de carga negativa fueron denominados a la posteridad como los rayos catódicos, y estas partículas con carga negativa fueron denominadas como los electrones.

En este contexto, aparece una nueva magnitud matemática denominada la relación carga masa.

La relación carga masa es el cociente que ocurre entre la masa (m) de un cuerpo de partícula sobre la carga de este cuerpo (Q). Idealmente, la relación para un cuerpo de partículas se asumía como igual a la relación de masa de una sola partícula (mp) y carga de una sola partícula (q).

La clave radica en que al igual que sucede con la masa molar (M), relación carga masa (mQ) es única para cada ion en cada sustancia, y eso también incluye a las partículas como los electrones. El primero en determinar la relación carga masa del electrón fue el científico británico J.J Thomson en 1897. Al hacer esto, Thomson demostró que el electrón era de hecho una partícula con masa y carga, y que su relación carga-masa era mucho menor que la del ion hidrógeno H⁺.

Aunque el contexto de esto es un poco más complejo, podemos resumirlo de la siguiente manera, si tenemos en un tubo de descarga una cierta cantidad de gas de un elemento puro como hidrógeno, este normalmente no presenta propiedades de carga lo cual es consistente con el modelo del químico, es decir un átomo que no posee una estructura interna y que por lo tanto no debería manifestar propiedades eléctricas y magnéticas. Sin embargo, cuando se activa el circuito eléctrico, es como si la sustancia al interior del tubo comenzará a emitir electrones desde su interior, lo cual implicaba que el átomo poseía una estructura interna y que los electrones yacían en su interior.

Con esta información J.J Thomson creó el primer modelo del átomo físico, es decir un modelo atómico donde lo que empieza a importar es su estructura interna. Modelo atómico de Thomson busca explicar dos cosas: (1) los átomos son entidades neutrales cuando no están estimulados, recuerde que en una lámpara de hidrógeno éste no emite propiedades eléctricas o magnéticas por sí mismo, a menos que sea estimulado, por ende, el modelo atómico de Thomson debe explicar esa neutralidad; (2) cuando son estimulados por una carga eléctrica, los átomos emiten electrones desde su interior. Con esta información se hace evidente que el modelo más sencillo para explicar lo anterior es tomar el átomo de Dalton y dibujar en su interior electrones como se muestra en la siguiente figura:

Los electrones serán los portadores de la carga negativa, mientras que la masa que constituye lo que antes era el átomo de Dalton sería el portador de la carga positiva. Tradicionalmente este modelo del átomo se conoce como el modelo del pastel con pasas, donde las pasas son los electrones y la masa del pastel es la carga positiva que lo rodea.

La existencia del núcleo

En 1896, el científico francés Henri Becquerel (1852-1908) descubrió que un compuesto de uranio emite espontáneamente radiación de alta energía. Esta emisión espontánea de radiación se llama radiactividad. A sugerencia de Becquerel, Marie Curie y su esposo, Pierre, comenzaron experimentos para identificar y aislar la fuente de radiactividad en el compuesto. Concluyeron que eran los átomos de uranio.

Un estudio más detallado de la radiactividad, realizado principalmente por el científico británico Ernst Rutherford, reveló tres tipos de radiación: alfa (α), beta (β) y gamma (γ). Las trayectorias de la radiación (α) y (β) se desvían por un campo eléctrico al igual de los electrones, aunque en direcciones opuestas por ende uno tenía carga negativa y la otra carga positiva; La radiación (γ) no se ve afectada por el campo por lo que era de carga neutra. Rutherford (1871-1937) fue una figura muy importante en este período de la ciencia atómica. Después de trabajar en la Universidad de Cambridge como aprendiz de J. J. Thomson, se trasladó a la Universidad McGill en Montreal, donde realizó una investigación sobre la radiactividad que le valió el Premio Nobel de Química de 1908. En 1907 regresó a Inglaterra como miembro de la facultad de la Universidad de Manchester, donde realizó sus famosos experimentos de dispersión de partículas (α), que se describen a continuación.

Rutherford demostró que los rayos (α) y (β) consisten en partículas que se mueven rápidamente. De hecho, las partículas (β) son electrones de alta velocidad y pueden considerarse el equivalente radiactivo de los rayos catódicos siendo atraídos por la placa positiva mientras que las partículas (α) eran positivas y se concluía que eran los átomos que habían perdido sus electrones por dos detalles, si masa era mucho mayor que la de un electrón, y poseían una carga relativa de +2 en comparación con el -1 de cada electrón.

Con estos instrumentos Rutherford desarrollo nueva serie de tecnologías para nuevos experimentos. El más famoso de estos experimentos es el experimento de la lámina de oro. Aunque en realidad fueron varios experimentos con diseños experimentales un poco diferentes unos de otros, sólo explicaremos el diseño final. En este experimento se tiene un emisor de partículas pesadas alfa, las cuales eran básicamente átomos ligeros de helio, los cuáles eran disparados al oro que estaba conformado por átomos mucho más grandes. Dado el modelo atómico de Thomson modelaba la carga positiva como una entidad dispersa, Rutherford esperaba que las partículas Alfa atravesarán directamente los átomos de oro. Aunque la mayoría de las partículas (α) atravesaron los átomos de oro como se esperaba, había una pequeña cantidad de ellas que había sido dispersada y algunas de ellas incluso habían rebotado de regreso al emisor.

Lo anterior implicaba que el portador de la carga positiva no era una entidad dispersa y grande, sino por el contrario era una partícula altamente densa y muy pequeña, en comparación con el resto del átomo, pero a pesar de ser tan pequeño este portaba la gran mayoría de la masa del átomo completo. En resumen, teníamos una partícula muy pequeña muy masiva y muy positiva, y se le dio el nombre de núcleo del átomo.

Las partículas subatómicas del núcleo

Los núcleos atómicos poseían una carga relativa igual al valor absoluto de sus electrones en estado fundamental, pero la masa relativa del núcleo era mayor que su carga positiva, en algunos casos casi el doble.

En este punto surgió otra hipótesis corpuscular una partícula en el núcleo debía poseer carga positiva única de +1 como si fuera un átomo desnudo de hidrógeno, y la masa restante debía pertenecer a una partícula nueva que no poseía carga.

En 1917, Rutherford logró generar estos núcleos de hidrógeno a partir de una reacción nuclear entre partículas alfa y gas nitrógeno, los cual implicaba aparentemente que los átomos pesados estaban hechos de hidrógeno, una idea que había sido propuesta por William Prout en 1815 de que los átomos de los elementos más pesados eran básicamente uniones de átomos de hidrógeno. Para este punto era evidente que la masa del núcleo contenía algo más que solo núcleos de hidrógeno, pero lo importante aquí es que en honor a Prout, Rutherford denominó a los núcleos desnudos del hidrógeno como los protones “proutons” en 1920.

Rutherford era consiente del hecho de esta masa fantasma, y fue quien propuso la hipótesis de una partícula neutra aun no aislada y hasta se aventuró a darle el nombre de neutrón por la raíz latina para neutralis (neutro) y el sufijo griego -on (un sufijo utilizado en los nombres de partículas subatómicas, es decir, electrón y protón). Sin embargo, las referencias a la palabra neutrón en relación con el átomo se pueden encontrar en la literatura ya en 1899 (Feather, 1960).

En 1931, Walther Bothe y Herbert Becker descubrieron que, si la radiación de partículas alfa del polonio caía sobre el berilio, el boro o el litio, se producía una radiación inusualmente penetrante. La radiación no estaba influenciada por un campo eléctrico por lo que era neutra, por lo que Bothe y Becker asumieron que era radiación gamma. Al año siguiente, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot-Curie en París demostraron que si esta radiación "gamma" caía sobre la parafina o cualquier otro compuesto que contenga hidrógeno, expulsa protones de muy alta energía (Joliot-Curie & Joliot-Curie, 1932). Ni Rutherford ni James Chadwick en el Laboratorio Cavendish en Cambridge estaban convencidos por la interpretación de los rayos gamma. Chadwick realizó rápidamente una serie de experimentos que mostraron que la nueva radiación consistía en partículas no cargadas con aproximadamente la misma masa que el protón (Chadwick, 1932). Estas partículas eran neutrones verdaderos, partículas sin carga que explicarían la masa faltante del núcleo de muchos átomos. Chadwick ganó el Premio Nobel de Física de 1935 por este descubrimiento.

El átomo químico-físico

Desde la época de Rutherford, a medida que los físicos han aprendido más y más sobre los núcleos atómicos, la lista de partículas que componen los núcleos ha crecido y sigue aumentando. Sin embargo, como químicos, podemos tener una visión simple del átomo porque solo tres partículas subatómicas (el protón, el neutrón y el electrón) influyen en el comportamiento químico. Adicionalmente, es innecesario reconocer como estas partículas se organizan al interior del átomo, simplemente debemos reconocer que una de estas, el electrón, puede ganarse o perderse muy fácil, proceso denominado ionización. La pérdida o ganancia de neutrones afecta la identidad física del átomo afectando su masa, a estos átomos del mismo elemento, pero distinta masa los llamamos isótopos. Finalmente, la ganancia o pérdida de protones afecta la identidad química del átomo, transmutándolo de un elemento a otro. Estos procesos se encuentran ordenados del más sencillo y que cuesta menos energía al más complicado, así es más fácil que fluyan electrones a que los átomos se transmuten en otros elementos.