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.
