Modelos atómicos: sus creadores y experimentos (página 2)

Enviado por Aiskel Jose Prieto Boadas

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Cargas eléctricas: Es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas.

Robert Millikan:

Fue un físico estadounidense que gano le Premio Nóbel de Física en 1923 primordialmente por su trabajo para determinar el valor de la carga del electrón y el efecto fotoeléctrico. También investigo los rayos cósmicos.

Estudio en las universidades de Colombia, Berlín y Gotinga. En 1896 fue nombrado profesor de física en la universidad de Chicago. Abandono la universidad en 1921 para asumir el cargo de presidente del Instituto de California, en Pasadera.

Experimento de la Gota de Aceite

Se denomina experimento de la gota de aceite al experimento clásico realizado en 1909 por el físico estadounidense Robert Millikan y que le permitió medir la carga del electrón.

El experimento consiste en introducir en un gas, gotitas de aceite de un radio del orden de un micrómetro. Estas gotitas caen muy lentamente, con movimiento uniforme, con su peso compensado por la viscosidad del medio. Este tipo de movimiento viene regido por la ley de Stokes. Ahora bien, las gotas se cargan electrostáticamente al salir del atomizador por lo que su movimiento de caída se altera fuertemente si se hace actuar un campo eléctrico vertical. Ajustando convenientemente el campo, puede lograrse que la gota permanezca en suspensión.

Conociendo el valor m de la masa de la gota, la intensidad E del campo eléctrico y el valor g de la gravedad, puede calcularse la carga q de la gota en equilibrio:

mg = qE

Ec. Nº 1.

Millikan comprobó que las variaciones de esta carga eran siempre múltiplos de una carga elemental, indudablemente la del electrón. Por consiguiente pudo medir la carga eléctrica que posee un electrón. Este valor es: e = 1,602 × 10-19 culombios.

Para medir la velocidad caída de la gota al aire libre se ocupa la Ley de Stokes con lo cual se calcula la masa de la gota observando la velocidad de ascenso de la gota en el campo eléctrico nos permite calcular la fuerza sobre ella, y de aquí, la carga que posee la gota de aceite. Sin embargo, el experimento entregará la carga total de una gota, a través de esto podremos obtener una tabla y cierto grado de conocimiento experimental que la carga de un solo electrón puede ser determinada. Se seleccionarán gotas las cuales asciendan o desciendan lentamente, con lo cual tendremos la certeza que la gota posee una pequeña cantidad de electrones. Con todo esto, conoceremos la naturaleza atómica y eléctrica de la gota.

Joseph John Thomson

Fue un profesor universitario y físico británico, galardonado con el Premio Nóbel de Física en 1906 y descubrió del electrón.

Estudio en el Owens Collage y en el Trinity Collage, de la universidad de Cambridge. En esta institución enseño matemática y física, fue profesor de física experimental en el laboratorio de Cavendish, y rector del Trinity Collage (1918-1940).

En 1908 fue nombrado sir por el rey Jorge V del reino Unido.

Joseph John Thomson falleció en la ciudad de Cambridge, siendo enterrado en la Abadía de Westmister de Londres, muy cercano a la tumba de Isaac Newton.

Experimento Nº 1

Propagación de los rayos catódicos

El ánodo y el cátodo se hallan conectados a una fuente de alto voltaje (más de 10000 volts). En el tubo de vidrio se encuentra un gas a baja presión (aprox. 0,001 mm de Hg).

Figura Nº 1

Con este experimento Thomson averiguó cómo se desplazaban los rayos.

Pudo observar que los mismos se desplazaban en línea recta y producían un destello al llegar a una pantalla formada por una sustancia fluorescente.

Figura Nº 2

Experimento Nº 2

¿De dónde parten los rayos?

El ánodo y el cátodo se hallan conectados a una fuente de alto voltaje (más de 10000 volts). En el tubo de vidrio se encuentra un gas a baja presión (aprox. 0,001 mm de Hg).

Figura Nº 3

Con este experimento Thomson averiguó de dónde salían los rayos.

Interponiendo un objeto metálico opaco, como se muestra en la figura, en el camino de los rayos observó que se formaba una sombra en la pared opuesta al cátodo. Esto indicaba quelos rayos partían del cátodo. Por eso se los llamaRAYOS CATÓDICOS.

Figura Nº 4

Experimento Nº 3

¿Tienen masa los rayos?

El ánodo y el cátodo se hallan conectados a una fuente de alto voltaje (más de 10000 volts). En el tubo de vidrio se encuentra un gas a baja presión (aprox. 0,001 mm de Hg).

Figura Nº 5

Con este experimento Thomson averiguó si los rayos tenían masa.

En el camino de los rayos interpuso una pequeña rueda. Observó que la rueda giraba como consecuencia del paso de los rayos. Por lo tanto los rayos poseían masa.

Figura Nº 6

Experimento Nº 4

¿Qué carga tienen los rayos?

El ánodo y el cátodo se hallan conectados a una fuente de alto voltaje (más de 10000 volts). En el tubo de vidrio se encuentra un gas a baja presión (aprox. 0,001 mm de Hg).

Figura Nº 7

Con este experimento Thomson averiguó qué carga tenían los rayos.

Utilizando un campo eléctrico o un campo magnético, comprobó que los rayos se desviaban alejándose del polo negativo del campo y se acercaban al polo positivo. Este comportamiento indicaba que los rayos eran partículas negativas.

Figura Nº 8

Modelo atómico de Thomson

Cuando Thomson propuso su modelo atómico se sabía que los átomos eran neutros

Teniendo en cuenta lo que se sabía del átomo, y luego de los experimentos mencionados, Thomson propuso el siguiente modelo:

El átomo se encuentra formado por una esfera de carga positiva en la cual se encuentran incrustadas las cargas negativas (electrones) de forma similar a como se encuentran las pasas de uva en un pastel. Además, como el átomo es neutro la cantidad de cargas positivas es igual a la cantidad de cargas negativas.

Figura Nº 9

Ernest Rutherford

Fue un físico y químico británico. Se le considera el padre de la física nuclear. Descubrió la radiación alfa y beta, y que la radiactividad iba acompañada por una desintegración de los elementos, lo que le valió ganar el Premio Nóbel de Química en 1908. También se le debe el descubrimiento de la existencia de un núcleo atómico, en el que se formaron Niels Bohr y Oppenheimer.

Su influencia en este terreno de la física que descubrió fue pues especialmente relevante.

Experimento Rutherford

El experimento de Rutherford, también llamado "experimento de la lámina de oro", fue realizado por Hans Geiger y Ernest Marsden en 1909, bajo la dirección de Ernest Rutherford en los Laboratorios de Física de la Universidad de Manchester. Los resultados obtenidos y el posterior análisis tuvieron como consecuencia la rectificación del modelo atómico de Thomson (modelo atómico del panqué con pasas) y la propuesta de un modelo nuclear para el átomo.

El experimento consistió en "bombardear" con un haz de partículas alfa una fina lámina de metal y observar cómo las láminas de diferentes metales afectaban a la trayectoria de dichos rayos.

Las partículas alfa se obtenían de la desintegración de una sustancia radiactiva, el polonio. Para obtener un fino haz se colocó el polonio en una caja de plomo, el plomo detiene todas las partículas, menos las que salen por un pequeño orificio practicado en la caja. Perpendicular a la trayectoria del haz se interponía la lámina de metal. Y, para la detección de trayectoria de las partículas, se empleó una pantalla con sulfuro de zinc que produce pequeños destellos cada vez que una partícula alfa choca con él.

Según el modelo de Thomson, las partículas alfa atravesarían la lámina metálica sin desviarse demasiado de su trayectoria:

· La carga positiva y los electrones del átomo se encontraban dispersos de forma homogénea en todo el volumen del átomo. Como las partículas alfa poseen una gran masa (8.000 veces mayor que la del electrón) y gran velocidad (unos 20.000km/s), la fuerzas eléctricas serían muy débiles e insuficientes para conseguir desviar las partículas alfa.

· Además, para atravesar la lámina del metal, estas partículas se encontrarían con muchos átomos, que irían compensando las desviaciones hacia diferentes direcciones.

Pero se observó que un pequeño porcentaje de partículas se desviaban hacia la fuente de polonio, aproximadamente una de cada 8.000 partículas al utilizar una finísima lámina de oro con unos 200 átomos de espesor. En palabras de Rutherford ese resultado era "tan sorprendente como si le disparases balas de cañón a una hoja de papel y rebotasen hacia ti".

Rutherford concluyó que el hecho de que la mayoría de las partículas atravesaran la hoja metálica, indica que gran parte del átomo está vacío, que la desviación de las partículas alfa indica que el deflector y las partículas poseen carga positiva, pues la desviación siempre es dispersa. Y el rebote de las partículas alfa indica un encuentro directo con una zona fuertemente positiva del átomo y a la vez muy densa.

El modelo atómico de Rutherford mantenía el planteamiento de Thomson, de que los átomos poseen electrones, pero su explicación sostenía que todo átomo estaba formado por un núcleo y una corteza. El núcleo debía tener carga positiva, un radio muy pequeño y en él se concentraba casi toda la masa del átomo. La corteza estaría formada por una nube de electrones que orbitan alrededor del núcleo.

Según Rutherford, las órbitas de los electrones no estaban muy bien definidas y formaban una estructura compleja alrededor del núcleo, dándole un tamaño y forma indefinida. También calculó que el radio del átomo, según los resultados del experimento, era diez mil veces mayor que el núcleo mismo, lo que implicaba un gran espacio vacío en el átomo.

Figura Nº 10

Arriba Resultados esperados: Las partículas alfa pasando a través del modelo del pudín sin verse alteradas.

Abajo: Resultados observados: Una pequeña parte de las partículas eran desviadas, demostrando la existencia de un minúsculo volumen de carga positiva.

Figura Nº 11

Modelo atómico de Rutherford

Este modelo fue históricamente importante, en la comprensión de la materia. La idea básica que introdujo Joseph Thomson para formular el modelo era que los átomos poseen electrones, pero sostenía que estos encontrarían girando alrededor de un núcleo central. En ese núcleo se concentraría toda la carga positiva del átomo y casi toda la masa, y su tamaño debía ser muy pequeño en comparación al de todo átomo.

Según Rutherford, las orbitas de los electrones no están muy bien definidas u forman una obstante, los resultados de su experimento, permitieron calcular que el radio del átomo era diez veces mayor que el núcleo mismo, lo que hace que haya un gran espacio vació en el interior de los átomos.

El modelo atómico de Rutherford fue sustituido muy pronto por el de Bohr, que utilizo algunas de las hipótesis iniciales de la mecánica cuántica para describir la estructura de las orbitas de los electrones.

La importancia del modelo de Rutherford residió en proponer la existencia de un núcleo en el átomo. Termino que, paradójicamente no aparece en sus escritos. Lo que Rutherford considero esencial, para explicar los resultados experimentales, fue “una concentración de carga” en el centro del átomo.

Niels Bohr

Fue un físico danés que realizo importantes contribuciones para la comprensión de la estructura del átomo y la mecánica cuántica.

Nació en Copenhague, hijo de Christian Bohr y Ellen Adler. Tras doctorarse en la universidad de Copenhague en 1911, completo sus estudios en Manchester, Inglaterra a las órdenes de Ernest Rutherford.

En 1943 Bohr escapo a Suecia para evitar su arresto, viajando posteriormente a Londres. Una vez a salvo, apoyo los intentos anglos-americanos para desarrollar armas atómicas, en la creencia errónea de que la bomba alemana era inminente, trabajo en los Álamos, Nuevo México (EE.UU.) en el Proyecto Manhatthan.

Después de la guerra, abogando por los usos pacíficos de la energía nuclear, retorno a Copenhague, ciudad en la que residió hasta su fallecimiento en 1962.

Modelo Atómico de Bohr

Este modelo es estrictamente un modelo del átomo de hidrógeno tomando como punto de partida el modelo de Rutherford, Niels Bohr trata de incorporar los fenómenos de absorción y emisión de los gases, así como la nueva teoría de la cuantización de la energía desarrollada por Max Planck y el fenómeno del efecto fotoeléctrico observado por Albert Einstein.

“El átomo es un pequeño sistema solar con un núcleo en el centro y electrones moviéndose alrededor del núcleo en orbitas bien definidas.” Las orbitas están cuantizadas (los e- pueden estar solo en ciertas orbitas)

· Cada orbita tiene una energía asociada. La más externa es la de mayor energía.

· Los electrones no radian energía (luz) mientras permanezcan en orbitas estables.

· Los electrones pueden saltar de una a otra orbita. Si lo hace desde una de menor energía a una de mayor energía absorbe un cuanto de energía (una cantidad) igual a la diferencia de energía asociada a cada orbita. Si pasa de una de mayor a una de menor, pierde energía en forma de radiación (luz).

El mayor éxito de Bohr fue dar la explicación al espectro de emisión del hidrogeno. Pero solo la luz de este elemento. Proporciona una base para el carácter cuántico de la luz, el fotón es emitido cuando un electrón cae de una orbita a otra, siendo un pulso de energía radiada. Bohr no puede explicar la existencia de orbitas estables y para la condición de cuantización. Bohr encontró que el momento angular del electrón es h/2π por un método que no puede justificar.

Figura Nº 12

El modelo de Bohr es muy simple y recuerda al modelo planetario de Copérnico, los planetas describiendo órbitas circulares alrededor del Sol. El electrón de un átomo o ión hidrogenoide describe también órbitas circulares, pero los radios de estas órbitas no pueden tener cualquier valor.

Consideremos un átomo o ión con un solo electrón. El núcleo de carga Ze es suficientemente pesado para considerarlo inmóvil.

Figura Nº 13

Si el electrón describe una órbita circular de radio r, por la uniforme.

Ec. Nº 2

En el modelo de Bohr, solamente están permitidas aquellas órbitas cuyo momento angular está cuantizado.

Ec. Nº 3

n es un número entero que se denomina número cuántico, y h es la constante de Planck 6.6256·10-34 Js.

Los radios de las órbitas permitidas son:

Ec. Nº 4

Donde a0 se denomina radio de Bohr. a0 es el radio de la órbita del electrón del átomo de Hidrógeno Z = 1 en su estado fundamental n = 1.

La energía total es:

Ec. Nº 5

En una órbita circular, la energía total E es la mitad de la energía potencial:

Ec. Nº 6

La energía del electrón aumenta con el número cuántico n.

La primera energía de excitación es la que lleva a un átomo de su estado fundamental a su primer (o más bajo) estado excitado. La energía del estado fundamental se obtiene con n = 1, E1 = -13.6 eV y la del primer estado excitado con n = 2, E2 = -3.4 eV. Las energías se suelen expresar en electrón-voltios (1eV=1.6 10-19 J).

La frecuencia f de la radiación emitida cuando el electrón pasa del estado excitado E2 al fundamental E1 es

Ec. Nº 7

CONCLUSIÓN

Lo que Millikan hizo fue poner una carga eléctrica en una gota de aceite, y medir qué tanta fuerza eléctrica era necesario para detener la gotita en su caída.

La carga eléctrica que posee una partícula, puede ser calculada por la medición de la fuerza experimentada por ella en un campo eléctrico (E) de magnitud conocida.

Thomson en sus experimentos estableció en las propiedades de los rayos que estos mismos se desplazaban en líneas rectas, partían del cátodo, poseían masa y eran partículas negativas.

Thomson estableció que los átomos pueden dividirse en las llamadas partículas fundamentales: Electrones, Protones y Neutrones.

El experimento de Rutherford, rectificó el modelo atómico de Thomson.

El experimento de Rutherford consistió en "bombardear" con un haz de partículas alfa una fina lámina de metal y observar cómo las láminas de diferentes metales afectaban a la trayectoria de dichos rayos.

El modelo de Bohr es estrictamente un modelo del átomo de hidrógeno tomando como punto de partida el modelo de Rutherford.

Bohr proporcionó una base para el carácter cuántico de la luz.