Modelos atómicos

INTRODUCCIÓN En la presente investigación cuyo objetivo primordial es nuestro aprendizaje, se hablara sobre los modelos atómicos de los científicos Dalton, Thompson, Rutherford, Bohr y las ecuaciones de Schrodinger. Tomando en cuenta sus teorías de los átomos y aportes científicos al tema, relatando una breve historia sobre los modelos atómicos. Es en 1803 cuando el químico inglés John Dalton plantea una nueva teoría sobre la constitución de la materia. Sosteniendo que toda la materia podía dividirse en dos grupos: los elementos y los compuestos. Donde los elementos serian constituidos por unidades fundamentales (átomos) y Los compuestos se constituirían de moléculas, cuya estructura viene dada por la unión de átomos en proporciones definidas y constantes. Dalton seguía considerando el hecho de que los átomos eran partículas indivisibles. A finales del siglo XIX, se descubre que los átomos no son indivisibles, ya que se componían de varios tipos de partículas elementales. Siendo el electrón el primero en ser descubierto en el año 1897 por el investigador Joseph Thomson, quién recibió el Premio Nobel de Física en 1906. Posterior a eso, Hantaro Nagaoka durante sus trabajos ejecutados en Tokio, propuso su teoría donde sostuvo que los electrones girarían en órbitas alrededor de un cuerpo central cargado positivamente, es decir, al igual que el planeta gira alrededor del Sol. Entre los años 1909 y 1911 Ernest Rutherford descubre El núcleo del átomo mediante sus trabajos realizado en la Universidad de Manchester, El experimento utilizado consistía en dirigir un haz de partículas de cierta energía contra una plancha metálica delgada, de las probabilidades que tal barrera desviara la trayectoria de las partículas, se dedujo la distribución de la carga eléctrica al interior de los átomos. 1808 - Modelo atómico de Dalton. La teoría atómica fue introducida en la ciencia moderna por John Dalton (1766-1844). Para Dalton las sustancias simples o elementos están formados por átomos iguales entre sí, pero diferentes de un elemento a otro, deduciendo así que Las sustancias compuestas están formadas por átomos compuestos (moléculas) formados por la unión de dos o más átomos simples distintos. Al principio no estaba muy claro si el modelo atómico de Dalton sería un átomo o una molécula. 1897 - Modelo atómico de Thomson. El siguiente avance en la historia del átomo actual es agregado por Joseph John Thomson (1856-1940) y su teoría atómica, con la división del átomo entre cargas positivas y negativas, con fuerzas de atracción eléctricas. Según su modelo el átomo consistía en una esfera uniforme de materia cargada positivamente en la que se hallaban incrustados los electrones. Esto explicaba que la materia fuese eléctricamente neutra ya que en los átomos de Thomson la carga positiva era neutralizada por la negativa. Calcula la relación entre la carga y la masa de los átomos realizando un experimento, pasando un haz de rayos catódicos por un campo eléctrico y por uno magnético; con esto Thomson supone que las partículas que formaban los rayos catódicos no eran átomos cargados, sino fragmentos de átomos, es decir, partículas subatomicas a las que llamo electrones. 1911 - Modelo atómico de Rutherford. El modelo de Rutherford separa el núcleo con carga positiva de los electrones con carga negativa. Es decir, que los electrones estarían en órbitas circulares o elípticas alrededor del núcleo. Su práctica consistió en bombardear con partículas alfa una fina lamina de oro, la partícula alfa atravesaban la lamina y eran recogidas sobre una pantalla de sulfuro de cinc; mientras que la mayoría de las partículas la atravesaban sin desviarse o desviándose en poco ángulos, este hecho hizo suponer que las cargas positivas que las desviaban estaban dentro de los átomos ocupando un espacio muy pequeño, esta parte positiva fue llamada núcleo. Rutherford poseía información sobre la masa, el tamaño y la carga del núcleo , pero no tenía información acerca de la distribución o posición de los electrones. En su modelo, los electrones se movían alrededor del núcleo; pero observo una contradiccion: el electrón del átomo de Rutherford modificaba su dirección lineal continuamente, ya que seguía una trayectoria circular, por tanto debería emitir radiación electromagnética y esta causaría la disminución de la energía, así que debería describir una trayectoria en espiral hasta caer en el núcleo. 1913 - Modelo atómico de Bohr. Niels Bohr (1885-1962) Bohr aplica por primera vez una hipótesis a la estructura atómica, llevando a formular un nuevo modelo, superando al modelo atómico de Rutherford. Se aplicaba de la siguiente manera:  El electrón tenía ciertos estados definidos estacionarios del movimiento que le eran permitidos, cada uno de estos estados tenía una energía fija y definida.  Cuando un electrón estaba en uno de esos estados no variaba, pero cuando cambiaba de estado absorbía o desprendía energía.  En cualquier estado, el electrón se movía siguiendo una órbita circular alrededor del núcleo.  Los estados de movimiento electrónico eran aquellos en los cuales el movimiento angular del electrón era un múltiplo entero de h/2 X 3´14 Aplicando esta hipótesis se resolvía la dificultad del átomo de Rutherford: el electrón al girar alrededor del núcleo pero no iba perdiendo energía, sino que se situaba en uno de los estados estacionarios de movimiento que tenían una energía fija. Un electrón solo perdía o ganaba energía cuando saltaba de un estado a otro. La energía del electrón en el átomo es negativa porque es menor que la energía de electrón libre. Al aplicar la formula de Bohr a otros átomos se obtuvieron resultados satisfactorios: El modelo de Thomson presentaba un átomo estático y macizo. Las cargas positivas y negativas estaban en reposo neutralizándose mutuamente. Los electrones estaban incrustados en una masa positiva. Contribuciones de Sommerfeld 1916 Con la evolución, en el modelo de Sommerfeld se incluyen subniveles dentro de la estructura del átomo de Bohr, se descartan las órbitas circulares y se incorpora en cierta medida la Teoría de la Relatividad de Einstein. El modelo de Sommerfeld también configura los electrones como corriente eléctrica y no explica por qué las órbitas han de ser elípticas, yo creo que son elipsoides y que Sommerfeld lleva razón en que el electrón es un tipo especial de onda electromagnética, al que la Mecánica Global denomina ondón. Ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo La ecuación de Schrödinger, en su forma más general, indica la variación que sufre un estado físico, a lo largo del tiempo, cuando el sistema que describe se encuentra sometido a un hamiltoniano de la forma . En estas condiciones, la ecuación de Schrödinger se escribe de la forma (1) En la mayor parte de las ocasiones, el hamiltoniano puede escribirse como suma de los operadores de energía cinética y de energía potencial. Además, normalmente se puede descomponer el operador de energía cinética como la suma de la energía cinética de cada partícula, que suele poderse escribir en función del momento lineal (de igual forma que en mecánica cuántica), (2) Es también común escribir la ecuación de Schrödinger en base de posiciones. En esta base, se define la función de onda , que está relacionada con la probabilidad de que en el tiempo se encuentre la primera partícula en la posición , la segunda en , etc. Además, el operador momento se puede escribir como una derivada espacial, es decir . Así, pues, la ecuación de Schrödinger toma la forma de una ecuación diferencial en derivadas parciales (3) La forma en que Erwin Schrödinger derivó su ecuación, partiendo de una analogía entre las ecuaciones de Hamilton-Jacobi y la óptica geométrica, es la versión para una sola partícula, que se escribe de la forma (4) Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo En los casos en que el hamiltoniano es independiente del tiempo, el estado puede descomponerse en una combinación lineal de los estados propios del hamiltoniano, (5) Donde es el estado propio del hamiltoniano (o estado estacionario) con energía , que son solución de la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo, que en general se escribe de la forma (6) O bien, en la base de posiciones (7) Como podemos ver, esta segunda ecuación es equivalente a haber introducido la separación de variables (8) en la ecuación (3). De hecho, esta es la justificación de la descomposición (5). Parámetros Las diferentes versiones de la ecuación de Schrödinger contienen los siguientes parámetros: • Constante de Plank, : es la energía por unidad de frecuencia de cada cuanto de luz. Entra en la ecuación de Schrödinger para satisfacer las relaciones de conmutación canónicas, . • Constante imaginaria, : indica el carácter complejo de las funciones de onda. Representa una cantidad compleja tal que . • Energía propia, : valor propio del hamiloniano asociado a su n-ésimo estado propio. Condiciones de validez La ecuación de Schrödinger es útil en aquellas situaciones en que la acción del sistema (la integral temporal de la función lagrangiana) es muy pequeña, comparable al valor de la constante de Plank. Por otra parte, la ecuación de Schrödinger deja de ser válida en las condiciones siguientes: • Cuando la energía cinética, es comparable a la energía en reposo, en cuyo caso son importantes las correcciones relativistas. • Cuando existe creación y destrucción de partículas, en cuyo caso deben utilizarse los métodos de la teoría cuántica de campos (que también pueden incorporar la relatividad). • La descomposición (5) y, en general, el formulismo de la ecuación independiente del tiempo tiene sentido tan solo cuando el propio hamiltoniano es también independiente del tiempo. CONCLUSION Hoy en día la ciencia cuenta con infinidades de avances para nuestro beneficio, pero teniendo como todo sus pro y contras. En resumen respecto a los modelos atómicos: Es el Sr. Dalton quien da inicio a la generación de los modelos atómicos en el año 1803, y sus ideas básicas de su teoría, publicadas en 1808 y 1810 deduciendo lo siguiente: • La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas Átomos. • Los átomos de un elemento son iguales en todas sus propiedades, incluyendo el peso. • Diferentes elementos están formados por diferentes átomos. • Un compuesto químico es el resultado de la combinación de átomos de dos o más elementos en una proporción numérica simple. • Los átomos son indivisibles y conservan sus características durante las reacciones químicas. • En cualquier reacción química, los átomos se combinan en proporciones numéricas simples. • La separación de átomos y la unión se realiza en las reacciones químicas. En estas reacciones, ningún átomo se crea o destruye. Más adelante continua el Sr. Thomson, en 1897 demuestra la existencia del electrón. Sosteniendo que el átomo es como una torta cargada positivamente, en la que se incrustaban como pequeñas pasas que eran las cargas negativas o electrones. Tras la teoría de Thomson en 1911, Rutherford mediante investigaciones crea su teoría del átomo, sosteniendo que en la corteza están los electrones, con carga negativa y con una masa despreciable frente a la del núcleo. Los electrones giran en órbitas circulares concéntricas en torno al núcleo. Tras el descubrimiento del protón, efectuado por Rutherford en 1914, se llega a la conclusión de que el núcleo atómico estaba formado por protones, y que según sus cálculos, el núcleo debía tener un diámetro del orden de 10-15 m frente a los 10-10 m del átomo completo, es decir, unas cien mil veces más pequeño.