Modelos Atomicos

De los griegos al siglo XX

UNO de los logros más importantes de la física del siglo XX fue llegar a comprender la estructura atómica de la materia. El deseo por conocer cuáles son los bloques últimos que la constituyen ha acompañado al hombre seguramente desde tiempo inmemorial. Entre los griegos de la antigüedad existió la idea de que el Universo o cosmos que nos rodea surgió de un caos original. Pero no fue sino hasta el siglo V a. C. que el filósofo Demócrito propuso la teoría atómica según la cual la materia está constituida en su más íntima escala por partículas indivisibles llamadas átomos. De este modo los griegos hablaban, por ejemplo, de átomos de agua. Esta primaria teoría atómica evolucionó con el desarrollo científico de la humanidad y ahora sabemos que los átomos de agua de los antiguos griegos son en realidad moléculas, esto es, estructuras que a su vez están compuestas por los elementos simples que ahora conocemos como átomos.

En el siglo XVIII, los experimentos realizados por Dalton, Lavoisier, Cavendish y otros científicos mostraron claramente la existencia de átomos y moléculas pero no fue sino hasta el siglo XIX que los estudios de electrólisis realizados por Faraday dieron evidencia de la naturaleza atómica de la electricidad. Posteriormente Thomson, al estudiar la conducción de la electricidad a través de gases rarificados, descubre los rayos catódicos y muestra que éstos están compuestos por partículas con carga eléctrica negativa que llamó electrones. Este fue un descubrimiento muy importante, pues mostró conclusivamente que los átomos contienen electrones, de lo cual se infiere que los átomos tienen de alguna manera una estructura interna.

El primer modelo moderno de un átomo fue propuesto por Thomson en 1907. De acuerdo con él, el átomo es una nube o pasta de carga positiva —requerida para equilibrar la carga negativa de los electrones, pues en total los átomos son neutros— que contiene a los electrones libremente en su interior en forma similar a un pastel con pasas, como de hecho se llegó a conocer ese modelo. No obstante, experimentos realizados por Rutherford en 1911 mostraron que la carga positiva del átomo no se encuentra uniformemente distribuida como Thomson supuso en su modelo, sino concentrada en un punto llamado núcleo, alrededor del cual giran los electrones. El modelo atómico de Rutherford explicaba algunos resultados experimentales observados, pero entró en conflicto con la teoría electromagnética clásica, que predice que toda partícula con carga eléctrica en movimiento acelerado debe radiar energía en forma de ondas electromagnéticas. Debido a que un electrón que se mueve en sentido circular uniforme está sometido a una aceleración —pues aunque no cambia la magnitud de la velocidad, cambia constantemente su dirección— éste radiará energía. Por tanto, el modelo de Rutherford predice que los átomos son inestables pues cada electrón, al girar alrededor del núcleo, radiará su energía y se colapsará hacia el núcleo atómico siguiendo una trayectoria espiral en un proceso que toma sólo una cien millonésima de segundo. Es decir que, ¡el Universo tal como lo conocemos no existiría!

La solución a este problema fue dada por el físico danés Niels Bohr en 1913. El modelo atómico de Bohr propone que los electrones únicamente pueden girar alrededor del núcleo en ciertas órbitas estables y que el pasar de una órbita estable a otra requiere del intercambio de cantidades cuantizadas de energía. Este modelo tuvo gran éxito pues sus predicciones coinciden con las observaciones espectroscópicas del hidrógeno estudiadas por varios científicos como Balmer, Lyman y otros. Es decir, con su modelo Bohr no sólo explicó la estabilidad atómica sino que, tomando

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