Demócrito y el primer átomo
Alrededor del año 400 antes de Cristo un filósofo griego llamado Demócrito desarrolló la idea de átomos. Él se preguntó: Si tú partes una pieza de materia por la mitad, y los trozos que te quedan los vuelves a partir por la mitad, ¿cuántas veces tienes que partir la materia para que ya no se pueda partir más? Demócrito pensó que esto terminaba en algún punto, el pedacito de materia más pequeño posible. A esas partículas básicas de materia Demócrito las llamó "átomos".
Las ideas de Demócrito sobre el átomo eran las siguientes:
- El átomo es demasiado pequeño como para poder verlo.
- El átomo es indivisible como su nombre lo indica.
- El átomo es sólido (no hay espacio vacío dentro de él).
- Los átomos son eternos porque son perfectos.
- Los átomos están rodeados por un espacio vacío (para explicar sus movimientos y cambios de densidad).
- Los átomos tienen un número infinito de formas (para explicar la diversidad observada en la naturaleza).
Por desgracia, las ideas sobre el átomo de Demócrito no tuvieron efectos duraderos sobre otros filósofos griegos, como Aristóteles. De hecho, Aristóteles rechazó la idea atómica como algo sin valor. La gente consideraba las opiniones de Aristóteles muy importantes y si Aristóteles pensaba que la idea atómica carecía de fundamento, entonces la mayoría de la gente pensaba lo mismo también.
Por más de 2000 años nadie hizo nada para continuar con las exploraciones que los griegos habían comenzado sobre la naturaleza de la materia. No fue sino hasta los inicios de 1800 que la gente comenzó de nuevo a cuestionar la estructura de la materia.
Modelo del átomo de Dalton
En la década de 1800 un químico inglés llamado John Dalton realizó experimentos con diversas sustancias químicas que mostraron que la materia, de hecho, parece estar compuestas por bultos de partículas elementales (átomos). Dalton fue el responsable del primer modelo de átomo con base científica.
El modelo atómico de Dalton fue expuesto en un libro llamado "Nuevo sistema de filosofía química", y decía lo siguiente:
- La materia está formada por partículas pequeñísimas llamadas "átomos".
- Estos átomos no se pueden dividir ni romper, no se crean ni se destruyen en ninguna reacción química, y nunca cambian.
- Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen la misma masa y dimensiones; por ejemplo, todos los átomos de hidrógeno son iguales.
- Los átomos de elementos diferentes son diferentes; por ejemplo, los átomos de oxígeno son diferentes a los átomos de hidrógeno.
- Los átomos pueden combinarse para formar compuestos químicos. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno y oxígeno pueden combinarse para formar moléculas de agua.
- Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.
- Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto. Por ejemplo, un átomo de carbono con uno de oxígeno forman monóxido de carbono (CO), mientras que dos átomos de oxígeno con uno de carbono, forman dióxido de carbono (CO2).
Algunos de estos planeamientos perdieron vigencia con el tiempo. Hoy sabemos que los átomos sí se pueden dividir y que no todos los átomos de un mismo elemento son iguales, pero es innegable que estas primeras ideas fueron muy importantes para la ciencia.
Símbolos utilizados por Dalton para representar los átomos de diferentes elementos.
Modelo del átomo de Thomson
En 1897, el físico inglés Joseph John Thomson descubrió el electrón y propuso un modelo para la estructura del átomo. Thomson se dio cuenta de que los electrones tenían carga "negativa" y pensó entonces que el resto de la materia tenía una carga "positiva". Según Thomson, el átomo consistía en una esfera con carga positiva que se encontraba incrustada por electrones, de carga negativa. Su modelo lucía como pasas pegadas en la superficie de un trozo de pastel.
El modelo de Thomson se llamó "Pudín de Thomson". El átomo estaba formado por una esfera con carga positiva mezclada con electrones "como pasas en un pastel".
Thomson decía que la carga de los electrones era suficiente como para neutralizar la carga positiva de la esfera, por lo que el átomo era eléctricamente neutro. El modelo de Thomson del átomo fue importante porque permitió relacionar la electricidad con el átomo. Pero, como cualquier otro modelo científico, tenía que ser perfeccionado para poder explicar nuevos fenómenos que ocurren en el laboratorio o en la naturaleza.
Modelo del átomo de Rutherford
En 1911, un físico de Nueva Zelanda llamado Ernest Rutherford descubrió el núcleo del átomo. Su nuevo modelo del átomo mostraba que la carga eléctrica positiva y la mayor parte de la masa del átomo estaban concentradas en un núcleo que era casi un punto. Rutherford pensó que el electrón se movía alrededor del núcleo atómico como los planetas alrededor del Sol, y que la atracción de la fuerza eléctrica jugaba el mismo rol que la gravedad juega para los planetas; de aquí es donde se adoptó el nombre de "modelo atómico planetario".
Rutherford descubrió el núcleo del átomo al lanzar "patículas alfa" sobre una placa metálica. Varias partículas atrevesaban el metal, pero extrañamemente algunas rebotaban; lo hacían porque eran rechazadas por la carga eléctrica de los núcleos atómicos presentes en el metal.
Rutherford propuso un modelo de átomo que parecía un Sistema Solar en miniatura: así como un planeta era atraído hacia el Sol por la fuerza de la gravedad, el electrón era atraído hacia el núcleo del átomo por la fuerza de la electricidad.
Pero apareció algo terriblemente mal con el modelo de Rutherford del átomo. Según la teoría del electromagnetismo de Maxwell, los electrones deberían gradualmente perder energía y precipitarse en espiral hacia el núcleo atómico, pero sabemos que eso no sucede, de lo contrario no existiríamos. El modelo atómico planetario parecía condenado a la muerte, pero un brillante joven de Dinamarca aparecería para salvarlo.
Modelo del átomo de Bohr
En 1913 el físico danés Niels Bohr propuso una teoría revolucionaria que dice que los electrones no caen en espiral hacia el núcleo atómico y propuso algunas reglas de lo que sucede. (Esto inició un nuevo enfoque en la ciencia porque por primera vez las reglas tuvieron que adaptarse a la observación independientemente de cómo entraban en conflicto con las teorías de la época).
Bohr dijo: "Aquí hay algunas reglas que parecen imposibles, pero que describen la manera en que funcionan los átomos, así que vamos a fingir que son correctas y a usarlas". Bohr llegó con tres reglas que estaban de acuerdo con la experimentación:
Regla 1: Los electrones describen órbitas circulares entorno al núcleo del átomo sin perder energía.
Regla 2: Los electrones pueden orbitar sólo a ciertas distancias permitidas del núcleo.
Regla 3: Los átomos irradian (pierden) energía cuando un electrón salta de una órbita de mayor energía a una órbita de menor energía. También, un átomo absorbe (gana) energía cuando un electrón es impulsado de una órbita de baja energía a una órbita de alta energía.
Bohr decía que los electrones no podían encontrarse en cualquier órbita: sólo podían estar en órbitas cuyo momento angular fuera un múltiplo entero de la constante reducida de Planck.
En la década de 1920, experimentos posteriores demostraron que el modelo del átomo de Bohr tenía algunos problemas. El átomo de Bohr parecía demasiado simple para describir los elementos más pesados.
Modelo del átomo de Schrödinger
En 1926 el físico austríaco Erwin Schrödinger desarrolló un poderoso modelo del átomo. El modelo de Schrödinger asume que los electrones no son partículas, sino ondas, y trata de describir las regiones en el espacio (orbitales) en donde es más probable encontrarlos. En lugar de tratar de decirnos dónde está el electrón en cualquier momento, el modelo de Schrödinger describe la probabilidad de que un electrón se pueda encontrar en una región dada del espacio en un momento dado. Este modelo ya no nos dice dónde está el electrón, sólo nos dice dónde podría estar.
Átomos con distintos números de orbitales. Las zonas más oscuras representan las zonas donde es más probable encontrar el electrón.
El modelo de Bohr fue un modelo unidimensional que usó un número cuántico para describir la distribución de los electrones en el átomo. La única información que era importante era el tamaño de la órbita, la cual fue descrita por el número cuántico n. El modelo de Schrödinger permitió al electrón ocupar el espacio tridimensional. Por lo tanto, se requieren tres coordenadas, o tres números cuánticos, para describir los orbitales en donde los electrones pueden ser encontrados.
Las tres coordenadas que provienen de las ecuaciones de onda de Schrödinger son los números cuánticos principal (n), angular (l) y magnético (m). Estos números cuánticos describen el tamaño, forma y orientación en el espacio de los orbitales de un átomo.