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Primeros modelos atómicos

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Primeros modelos atómicos Primeros modelos atómicos Document Transcript

  • I.E.S.Pedro Mercedes Curso 2009/2010 1 Departamento de Física y Química ASPECTOS PREVIOS AL ESTUDIO DEL MODELO ONDULATORIO DEL ÁTOMO A continuación te resumimos algunos fenómenos, hechos experimentales, hipótesis y modelos, cronológicamente anteriores a la propuesta del modelo ondulatorio del átomo, que proporcionaron los fundamentos sobre los que se elaboró ese modelo. La finalidad de este documento es facilitarte la comprensión de todos esos conocimientos previos y permitirte completar tus conocimientos a partir de lo que en él se contiene. Experimentos de Thomson y modelo atómico Básicamente un tubo de descarga de gases, o tubo de Crookes, es un tubo más o menos cilíndrico que contiene un gas enrarecido (un gas a baja presión) y en el que hay dos electrodos conectados a una fuente de tensión que proporciona una diferencia de potencial eléctrico. Al cerrar el circuito se produce una luminosidad en el interior del tubo cuyo color depende del gas encerrado en él. Si en uno de esos tubos se reduce la presión del gas hasta valores cercanos al vacío, lo único que se aprecia es una fosforescencia en el ánodo (electrodo positivo). Si colocamos entre el cátodo (electrodo negativo) y el ánodo un molinillo, se aprecia que el molinillo gira y si se coloca entre ambos electrodos un objeto opaco, tal como una cruz de malta, se produce una zona de sombra en él ánodo. Esas observaciones sugieren que se establece una corriente de partículas en el interior del tubo que parten del cátodo y se dirigen hacia el ánodo: es lo que se conoce como rayos catódicos Puedes observar éste último efecto pinchando en el siguiente enlace http://www.youtube.com/watch?v=Xt7ZWEDZ_GI&feature=user Para estudiar las características y propiedades de los rayos catódicos, J.J. Thomson perfeccionó los tubos de vacío introduciendo en ellos varias modificaciones: colocó en el tubo un ánodo perforado situó tras el ánodo un condensador de láminas planas conectadas a una fuente de tensión eléctrica. instaló tras el condensador un dispositivo que producía un campo magnético (Un imán) colocó una pantalla fluorescente en el extremo opuesto al cátodo Había transformado el tubo de descarga en el origen del tubo de rayos catódicos, que no es sino el dispositivo que nos ha permitido ver la televisión hasta la llegada de las pantallas de plasma y LCD. Con este instrumento llevó a cabo una serie de experiencias cuyo resumen es el siguiente Al conectar la fuente de tensión se observaba un punto luminoso en la pantalla, lo que confirma que los rayos procedían del cátodo Al aumentar la diferencia de potencial entre las placas del condensador se observaba una desviación de los rayos hacia la placa positiva tanto mayor cuanto mayor se hacía el voltaje entre placas. Por tanto, los rayos catódicos deben poseer carga eléctrica negativa Al colocar un campo magnético tras el condensador se producía una desviación del haz de rayos catódicos; incluso , dependiendo del valor del campo magnético podía contrarrestarse la desviación introducida por el campo eléctrico del condensador La fuerza magnética sobre una partícula cargada depende de su velocidad, de su carga y del campo magnético. Con esta base, se pudo determinar la relación entre la carga y la masa de las partículas que constituyen los rayos catódicos y se constató que es independiente del material del que está construido el cátodo. Física y Química 1º Bachillerato Aspectos previos al modelo ondulatorio del átomo
  • I.E.S.Pedro Mercedes Curso 2009/2010 2 Departamento de Física y Química Thomson consideró que todos los átomos debían poseer esa partícula a la que llamó electrón Los valores de la carga y de la masa del electrón son: me = 9,1• 10-31 Kg qe = - 1,6 • 10-19 C C es el símbolo de culombio, la unidad de carga en el Sistema Internacional. El valor de la carga del electrón es la carga eléctrica elemental Puedes observar un vídeo en el que se muestra el efecto de un imán sobre un haz de rayos catódicos en un tubo de Crookes pinchando en el siguiente enlace http://www.youtube.com/watch?v=XU8nMKkzbT8&feature=related (aunque está en inglés es fácilmente comprensible) Los experimentos realizados por Thomson constituyeron la primera evidencia de la existencia de partículas más pequeñas que los átomos, o partículas subatómicas, y obligaron a proponer un modelo que intentase explicar cómo se integraban los electrones en los átomos. Ese modelo es el modelo atómico de Thomson. Hay que tener en cuenta que, en el momento del descubrimiento del electrón en 1897, no se conocía todavía ninguna otra partícula subatómica, por lo que era difícilmente explicable el origen de la masa de los átomos y el hecho de que no tuvieran carga eléctrica neta. Thomson concibió un átomo como una esfera de carga eléctrica positiva difusa en la que se encontraban incrustados los electrones con carga eléctrica negativa. Resulta obvio pensar que el mérito de este modelo es únicamente testimonial pues resulta imposible explicar con él el valor de la masa de los átomos a no ser que se supusiera que los átomos poseen varios miles de electrones. El experimento de Rutherford En 1909 Ernest Rutherford propuso a Geiger y Marsden la realización de un experimento en el que deberían lanzar partículas procedentes de una fuente radiactiva contra una lámina de oro de unos pocos átomos de espesor. El objetivo del experimento era corroborar la idea de Rutherford de que las partículas atravesarían la lámina metálica sin desviarse apenas. Sin embargo, los resultados no fueron los esperados; de hecho había un número significativamente alto de partículas α que sufrían una desviación importante e, incluso, algunas de ellas parecían rebotar en la lámina. El análisis y las conclusiones que Rutherford extrajo del experimento las podemos resumir de la siguiente manera: Si la mayoría de las partículas α atraviesan la lámina de oro sin desviarse es porque no encuentran ningún obstáculo en su camino; de aquí se puede deducir que la mayor parte del volumen del átomo está vacío. Si hay un número significativo de partículas que sufren una desviación apreciable es porque, en su camino a través de la lámina, se ejerce sobre ellas una fuerza de la suficiente magnitud como para variar la dirección de su movimiento. Teniendo en cuenta que las partículas α viajan a velocidad elevada, que poseen una masa de 4 u aproximadamente y que tienen carga eléctrica positiva de valor doble que la del electrón, la única explicación a la desviación es que sufran una fuerza eléctrica repulsiva por parte de alguna región del átomo con carga positiva. Física y Química 1º Bachillerato Aspectos previos al modelo ondulatorio del átomo
  • I.E.S.Pedro Mercedes Curso 2009/2010 3 Departamento de Física y Química Para que algunas partículas reboten, debe existir alguna parte del átomo con masa contra la que choque las partículas radiactivas. Por tanto, debe existir en el interior del átomo una zona con partículas que posean masa y carga eléctrica positiva. Esa clase de partícula subatómica recibió el nombre de protón. Medida su masa resultó ser mp= 1,67×10-27 kg y su carga igual a la del electrón pero de signo negativo +1,6×10-19 C. En el siguiente enlace encontrarás más información sobre el experimento de Rutherford incluyendo un applet interactivo http://www.deciencias.net/proyectos/quimica/atomo/rutherford.htm Y en esta otro encontrarás una recreación virtual (está en inglés, pero puedes consultar la transcripción en castellano) http://www.librosite.net/data/glosarios/petrucci/videos/cap2/experimento_de_rutherfor d.htm El modelo atómico de Rutherford La evidencia de la existencia de los protones llevó a Rutherford a proponer en 1911 un modelo atómico similar a un sistema planetario, el modelo atómico de Rutherford El núcleo constituye la parte central del átomo donde se concentra casi toda la masa y toda la carga eléctrica positiva La corteza electrónica está constituida por los electrones que giran en órbitas circulares a gran distancia del núcleo La suma de las cargas eléctricas de los electrones debe ser igual a la carga eléctrica positiva del núcleo pues los átomos son eléctricamente neutros Aunque hay algunos textos que afirman, refiriéndose a este modelo, que el núcleo del átomo está constituido por protones y neutrones, es preciso señalar que Rutherford sólo utilizó en él los protones pues hasta 1932 no fue descubierto el neutrón. Este modelo presentaba dos deficiencias muy significativas  no explica los espectros discontinuos de los átomos  describe un átomo inestable, pues según las leyes del electromagnetismo, una carga eléctrica en movimiento (tal como el electrón) desprende energía, por lo que su velocidad sería cada vez menor y, por tanto, el radio de la órbita disminuiría continuamente hasta que el electrón acabase cayendo sobre el núcleo Espectros discontinuos de los átomos. Desde mediados del siglo XIX, gracias a los trabajos de Kirchhoff y de Bunsen, se conocía ya el hecho de que al excitar un conjunto de átomos del mismo elemento, es decir, al proporcionarles energía mediante una descarga eléctrica o calentarlos mediante la llama, los átomos así tratados emitían energía en forma de radiaciones electromagnéticas de frecuencias determinadas. También se había observado que cuando ese conjunto de átomos recibía una radiación electromagnética absorbía sólo unas frecuencias determinadas y siempre las mismas. Las observaciones experimentales referidas a los espectros reunían, esencialmente las siguientes propiedades eran discontínuos o discretos: sólo se emitían o absorbían unas frecuencias determinadas, Física y Química 1º Bachillerato Aspectos previos al modelo ondulatorio del átomo
  • I.E.S.Pedro Mercedes Curso 2009/2010 4 Departamento de Física y Química el espectro de emisión de un átomo y el de absorción eran complementarios: las líneas que aparecían en el de emisión se correspondían con zonas estrechas negras en el de absorción, los espectros de absorción y de emisión de un átomo son característicos de ese átomo y podían ser utilizados para confirmar la presencia de este tipo de átomos en una muestra, todos los átomos de un elemento producen espectros iguales Espectro de emisión del nitrógeno En el siguiente enlace encontrarás una explicación gráfica de la diferencia entre espectros de absorción y de emisión http://www.iesaguilarycano.com/dpto/fyq/ma/ma6.html Y en este otro podrás consultar los espectros de emisión y de absorción de todos los elementos de la Tabla Periódica http://personales.ya.com/casanchi/fis/espectros/espectros01.htm#2 La radiación del cuerpo negro y la Hipótesis de Planck En Física se entiende por cuerpo negro todo aquel que absorbe todas las frecuencias de las radiaciones que le llegan o bien aquel cuerpo capaz de emitir radiación en todas las frecuencias del espectro electromagnético; por tanto, podríamos decir que un cuerpo negro es un emisor perfecto. Evidentemente, un cuerpo negro es un modelo científico usado para estudiar el comportamiento de un sistema material en relación con la emisión y la absorción de energía. Uno de los problemas que presentaba era que, mediante el uso de las leyes de la Termodinámica, no podía explicar algunos aspectos relacionados con la cantidad de energía transferida, la temperatura y la longitud de onda de la radiación emitida o absorbida. Max Planck se interesó por esta dificultad del modelo y acabó proponiendo en 1900 una explicación de la manera con la que los cuerpos emiten y absorben energía. Esa explicación está contenida en lo que se conoce como Hipótesis de Planck Según esta Hipótesis cuando un cuerpo absorbe o emite energía en forma de radiación electromagnética no lo hace de forma continua, sino en forma de pequeños paquetes de energía denominados cuantos Cada uno de esos cuantos transporta una energía proporcional a la frecuencia de la radiación electromagnética E h donde h es la Constante de Planck cuyo valor es 6,62 • 10-34 J·s y es la frecuencia de la radiación electromagnética. Por primera vez en la Historia de la Ciencia se aventuraba la posibilidad de que la energía, y todos los fenómenos relacionados con ella, no tuvieran carácter continuo sino que estuvieran cuantizados. Esto abrió las puertas al desarrollo de la Física cuántica Física y Química 1º Bachillerato Aspectos previos al modelo ondulatorio del átomo
  • I.E.S.Pedro Mercedes Curso 2009/2010 5 Departamento de Física y Química El efecto fotoeléctrico Una radiación visible (la luz del sol) o no visible (los rayos infrarrojos) arranca electrones de una superficie metálica produciendo una corriente eléctrica capaz de accionar un dispositivo mecánico o electrónico. Ese fenómeno es el efecto fotoeléctrico En 1905 Einstein explicó que, para que se produzca una corriente de este tipo, es necesario iluminar un metal con una energía cuyo valor sea igual o superior a la energía umbral del metal, E0 (energía mínima a partir de la que se pueden arrancar electrones de la superficie metálica); de lo contrario, aunque la intensidad de la radiación luminosa fuese muy elevada, no se establecía la corriente eléctrica. Así, cuando un fotón ilumina una superficie metálica le proporciona una cantidad de energía que se emplea en arrancar los electrones de la superficie (energía umbral) y en acelerarlos comunicándoles una energía cinética 1 E h E0 m v 2 si, para expresar la energía umbral, usamos la hipótesis de 2 1 Planck, la expresión anterior se convierte en E h h 0 m v 2 donde 0 es la 2 frecuencia umbral del metal. Esta explicación suponía que la luz puede ser considerada como un chorro de partículas, denominadas fotones, cada una de las cuales transporta una energía h que puede ser transmitida a un átomo o a una partícula. De esta forma puede entenderse el mecanismo mediante el que se produce la absorción de energía al iluminar un átomo o la emisión de energía por parte de un átomo. El modelo atómico de Böhr Tomando como base la hipótesis de Planck, la explicación del efecto fotoeléctrico y los estudios previos sobre los espectros atómicos, Niels Böhr en 1913 propuso un modelo atómico estructurado alrededor de tres postulados a partir de los cuales se podían realizar cálculos del valor de las magnitudes atómicas y que superaba las dificultades que presentaba el modelo atómico de Rutherford El modelo atómico de Böhr se construye a partir de los siguientes postulados: 1. Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas circulares estacionarias sin emitir energía 2. Son órbitas estacionarias aquellas en las que el momento angular del electrón es múltiplo entero de la constante de Planck dividida por 2π 3. Cuando se producen saltos electrónicos entre órbitas tiene lugar la emisión o la absorción de un fotón cuya energía es E E2 E1 h Además de estos tres postulados, el modelo asumía la propuesta de Rutherford acerca de la constitución y la situación del núcleo atómico. El primero de los postulados permitía salvar la dificultad que presentaba el modelo de Rutherford en cuanto a su inestabilidad. El segundo postulado introduce la idea de cuantización en la estructura atómica Establece que no es posible que las órbitas tengan cualquier radio, sino sólo aquellos que cumplan la condición establecida por el postulado. Además, introduce un parámetro, el número cuántico n, que sólo puede tomar valores enteros de manera que el radio de las sucesivas órbitas permitidas depende del valor de este número cuántico. Física y Química 1º Bachillerato Aspectos previos al modelo ondulatorio del átomo
  • I.E.S.Pedro Mercedes Curso 2009/2010 6 Departamento de Física y Química Por otra parte, hay un paralelismo entre el valor del radio orbital y la energía del electrón en la órbita debido a que ambas magnitudes, radio y energía, dependen del valor del número cuántico n. Representación esquemática del modelo de Bohr: Física y Química 1º Bachillerato Aspectos previos al modelo ondulatorio del átomo