jueves, 24 de noviembre de 2011

¿De qué está hecha la materia (I)? Modelos atómicos.

Desde que el ser humano se hace preguntas (característica ésta que nos diferencia de los animales), una de las más importantes y recurrentes es: ¿de qué está hecha la materia?
A lo largo de siglos de historia, muchas han sido las creencias o hipótesis propuestas. Aritósteles y sus cuatro elementos, Demócrito y sus "átomos", los alquimistas y el flogisto,...
Los modelos atómicos que empezaron a intentar explicar los resultados experimentales comenzaron a circular a partir del siglo XIX:

Dalton (1808): La materia está compuesta por partículas muy pequeñas (átomos), indivisibles y que no se pueden destruir. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí. Éste modelo fracasó al no poder explicar los rayos catódicos, ni la presencia de electrones.

Dalton y su modelo atómico.

Thomson (1898), después del descubrimiento del electrón, determinó que la materia se componía de dos partes, una negativa y una positiva. La negativa estaba constituida por electrones, los cuales se encontraban  inmersos en una masa de carga positiva.

Thomson y su modelo atómico.

Rutherford (1920), a partir de los resultados de su famoso experimento, propuso que el átomo se compone de una parte positiva y una negativa, pero a diferencia del anterior, la parte positiva se concentra en el núcleo, el cual contiene prácticamente toda la masa del átomo, mientras que los electrones están en una corteza orbitando al núcleo, en órbitas circulares o elípticas con un espacio vacío entre ellos. Sin embargo éste modelo contradecía clamorosamente al Electromagnetismo, ya que una carga en movimiento (el electrón), debería emitir energía continuamente, por lo que terminaría por caer en el núcleo. Además, este modelo tampoco puede explicar los espectros atómicos.

Rutherford y su modelo atómico.

A pesar de ser un modelo obsoleto, es la percepción más común del átomo que tiene el público en general.

Para poder solucionar el catastrófico problema de los electrones en movimiento, que van radiando continuamente energía y perdiendo "altura" hacia el núcleo atómico, Bohr (1913) fue el primero en proponer un modelo, aplicable al átomo de hidrógeno, de niveles energéticos cuantizados. 

Bohr y su modelo del átomo de hidrógeno.
 
Se basa en de tres postulados:
  1. Los electrones están orbitando el núcleo en órbitas circulares sin radiar energía. [contradictorio con el electromagnetismo... pero bueno, es un postulado]
  2. Solo son permitidas ciertas órbitas, aquellas en las que el electrón posea un momento angular múltiplo de h-barra (constante de Plank). No todas las energías son posibles, están cuantizadas. [ésta sería la justificación del primer postulado, englobado en el reciente descubrimiento de los cuantos de energía de Planck]
  3. Para poder subir o bajar un nivel, el electrón ha de absorber o emitir un fotón con energía igual a la diferencia energética entre los dos niveles. [Con ésto quedarían explicados los espectros atómicos observados]
Pero todo esto es un modelo para el átomo de hidrógeno, ya que en cuanto se cambia de elemento, las cosas se complicaban mucho y se vio que había que buscar otro modelo más general que explicase todos los fenómenos observados.

Aquí es donde acude al rescate la mecánica cuántica.

El modelo atómico de Schrödinger (1926): En este modelo, se abandona la idea de electrones como pequeñas esferas girando alrededor del núcleo, para pasar a la nueva y revolucionaria idea. Los electrones se describen mediante funciones de onda, que son soluciones de la famosa ecuación de Schrödinger. A partir de esa función de onda, podemos calcular cuál es al probabilidad de que el electrón se encuentre en una zona determinada del espacio. Esa zona es lo que se conoce como orbital.

Representación de orbitales, junto a la famosa ecuación.


A partir de aquí y con la revolución de la Mecánica Cuántica y la Relatividad, se produce un cambio radical en la manera de ver el mundo. Toda la física cambió a comienzos del siglo XX con éstas dos nuevas teorías, pudiéndose explicar fenómenos incomprensibles hasta ese momento y predecir efectos que se han podido comprobar posteriormente.

Como homenaje a una gran parte de los físicos que hicieron posible estos cambios a todos los niveles, dejo una foto de la famosa Conferencia Solvay, de 1927 en Bruselas, donde podemos ver a una gran parte de los padres de la Nueva Física:

Leed abajo los nombres y asombraos. Están todos.
 
De abajo a arriba y de izquierda a derecha:

Primera fila: Irving Langmuir, Max Planck, Marie Skłodowska Curie, Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles Eugène Guye, Charles Thomson Rees Wilson, Owen Willans Richardson.

Segunda fila: Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr.

Tercera fila: Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Howard Fowler, Léon Brillouin.


2 comentarios:

  1. La información de este blog me sirvió mucho, pero hay algo que me inquieta yy es que escribieron atómicos con tilde en la a dejando la palabra de esta forma "átomicos", se que no es la gran cosa, pero no estaría mal corregirlo desde mi punto de vista. Gracias por la información.

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