De la realidad visual al átomo.


El átomo es una figura fundamental en la química y la física moderna. No obstante, algo tan básico y conocido a día de hoy ha sufrido una serie de modelizaciones teóricas a lo largo de la historia que han desembocado en nuestra concepción actual. El modelo atómico ha estado lleno de teorías controvertidas entre ellas, con huecos experimentales y muchas veces aguantándose con pinzas. Lo importante del modelo hasta hace tiempo no era si podía dibujarnos un átomo sino explicar la materia desde su base más sólida junto a sus interacciones.

Si no existiera habría que inventarlo. Parafraseando a un gran pensador, esta frase resume el nacimiento del átomo como concepto en la humanidad. De la Filosofía Griega, que se preguntaba sobre los temas básicos de la realidad visual, el entorno y que constituía las macroestructuras nació el término átomo. Aunque algunos pensadores de la época, como Demócrito o su discípulo Leucipo teorizaron sobre tal, ninguna base sólida parte de un experimento, por lo tanto no aportan ninguna prueba corroborada ni científicamente probado de que sus escritos sean de notable consistencia.

Un salto de 15 siglos después mueve a diferentes científicos a crear un modelo, siendo el primero de ellos el modelo de Dalton.

Este modelo se postula durante la primera década del siglo XIX. Dalton suponía que el átomo era una esfera diminuta. Omite la existencia de cuerpos con carga, como protones y electrones. La caracterización de Dalton sobre los átomos no da tanta importancia a su estructura sino a sus interacciones. Caracterizaba con las mismas propiedadess cuantitativas a los átomos que formaban un mismo compuesto químico. Como curiosidad cabe destacar que para Dalton, el átomo era indivisible y en ninguna reacción química para formar compuestos éste sufría alguna división. Dejó entrever que los átomos se relacionan, es decir, tienen diferentes formas de crear compuestos que hoy conocemos como moléculas.

Como podemos ver, algunos aspectos nos pueden parecer precarios en cuanto a su estructura actual y otros un tanto desorbitados para los físicos teóricos como la indivisibilidad atómica. Sin embargo, se aproxima peligrosamente a la realidad cuando presupone relaciones atómicas de diferente tipo. El modelo de Dalton se basa en conceptos simples que supondrán el germen de la evolución de teorías del átomo y del modelo actual.

Casi un siglo después, a finales del XIX, Thomson llega a una conclusión experimental que resulta fundamental. Hay dos partes claramente diferenciadas en el átomo, una negativa y otra positiva. Las cargas negativas se incrustaban en una gran masa positiva de manera que entre ambas cargas neutralizaban su efecto quedando en estado neutro. A estas conclusiones llegó a raíz del uso de rayos catódicos. Aunque este material no le permitió darle una base teórica lo bastante sólida como para definir una estructura correcta consiguió establecer el sistema de cargas pero sí para definir los conceptos de iones a base de la ganancia y pérdida de electrones. No pudo explicar otras radiaciones pero sirvió de inspiración para el modelo de Rutherford. Como curiosidad, Jean Perrin, un premio Nobel de 1926 modificó el modelo de Thomson para situar los electrones algo más externos a la carga positiva.

En 1911, el experimento Rutherford consolidó la fisionomía del átomo para los siguientes 50 años, al menos a nivel estructural. Rutherford dispone de una fuente de rayos alfa que proyecta sobre una lámina de oro. En el supuesto caso del átomo de Thomson, los rayos alfa atravesarían el núcleo positivo sin desviar ni un ápice su trayectoria. Esto fue un resultado generalizado para su experimento puesto que en muchas réplicas la trayectoria del rayo fue desviada. Esto es debido a que la presencia de electrones se halla en una situación externa, no involucrada en el núcleo. Con experimentos posteriores demostró la existencia del neutrón hacia 1920. Para su detrimento, no explicó las leyes de Maxwell y sus ecuaciones para el electromagnetismo que dictaban que la energía que desprendía el electrón en movimiento terminaría por hacer a éste caer sobre el núcleo que orbitaba. Tampoco pudo explicar la interacción magnética con la materia.

 

El modelo que lo precedió fue el modelo de Bohr. Se considera el primer modelo moderno ya que la esctructura comprendida estaba comprobada y solo debía los enigmas a efectos cuánticos. Los electrones se sitúan a ciertas órbitas y pueden moverse entre ellas emitiendo o absorbiendo energía bajo el lema E = hf. Aunque la idea de órbitas era razonable Bohr nunca la pudo demostrar.

Erwin Schrödinger también toma asiento en el debate atómico. Parte de las ecuaciones de De Broglie sobre la naturaleza ondulatoria de la materia para aplicarlas sobre el electrón. Describe orbital, la zona de máxima probabilidad para encontrar un electrón en un tiempo t determinado y describe la ecuación de Schrödinger. A partir de aquí derivarán los tres números atómicos conocidos para orbitales. Sobre este modelo se cimentarían el Principio de indeterminación de Heisenberg que dictamina como imposible conocer la posición y velocidad de un electrón simultáneamente. El espín, no derivará de la ecuación del modelo, es una propiedad intrínseca del electrón que corrigió Pauli.

 File:HAtomOrbitals.png

En cuanto a la actualidad, el modelo atómico ha evolucionado hacia la definición de partículas subatómicas y diferentes tipos de interacciones entre ellas, pero este tema merece una entrada a parte.

La historia de los modelos atómicos ha sido controvertida y hoy en día se sigue escribiendo, sin un modelo no nace otro al igual que sin una pregunta no nace una respuesta. Desde Demócrito hasta al CERN, todos son culpables de que poco a poco tiremos más del hilo deshaciendo la maraña de la estructura de la materia.

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21 Respuestas a “De la realidad visual al átomo.

  1. lo que quiero saber como es el átomo de verdad es es que la profesora nos escribió esto si los átomo son tan pequeños que nadie ha podido observarlos realmente como son

  2. Un método más selectivo de la zona es espectroscopía de pérdida de energía de electrones, Que mide la pérdida de energía de un haz de electrones dentro de un microscopio electrónico de transmisión cuando interactúa con una porción de una muestra. La átomo sonda tomógrafo tiene una resolución sub-nanométrica en 3-D y químicamente se pueden identificar los átomos individuales usando el tiempo de vuelo espectrometría de masas.

  3. 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.

  4. Pingback: De la realidad visual al átomo

  5. yo necesito saber algo mas de perrin no encuentro nada nadamas lo mismo y lo mismo

  6. Héctor de Jesús Monsalve Gómez

    Sólo existen tres dimensiones, ya que la cuarta (el tiempo) está implícita en las anteriores. ¡O cómo hacer para medir el espacio, sin el tiempo?

  7. Muy completa esta entrada. Solo resaltar el papel fundamental de Einstein en su descubrimiento realizado en el año 1905, al explicar el movimiento térmico de los átomos individuales que forman un fluido .Dio satisfacción a lo que hasta entonces había sido un auténtico enigma de la biología y la química y que se conoce como “el movimiento Browniano” . Lo siento, pasión por Einstein.

    http://www.nodo50.org/ciencia_popular/articulos/Einstein5.htm

  8. La moraleja, más allá de precisiones científicas, es que los modelos que elaboran los científicos en base al conocimiento que se tiene hasta el momento en que los formulan, se van ajustando paulatinamente a medida que la realidad nos permite irla conquistando, conociendo más; lo cual nos lleva a entender que todo conocimiento es provisional pero necesario; un peldaño que sirve para ascender en el conocimiento de la realidad .

  9. La ecuación de Schrödinger solo se aplica para el átomo de H, tienes razón y de hecho en CC la podrás encontrar: https://cuentos-cuanticos.com/2011/08/26/orbitales-atomicos-una-mentira-de-instituto/.
    Tienes razón en el comentario que me enlazas, pero nunca he dicho que la ecuación de Schrödinger sea aplicable a otros elementos, porque su pragmatismo quedó anulado hace mucho tiempo. En el artículo que lees digo que la ecuación sirve para obtener los números cuánticos y según el modelo, para hallar la zona de más probabilidad de encontrar ese electrón. Hoy en día sabemos que solo alcanza la probabilidad en esa dirección dada, no en todo el espacio. He encontrado algo difícil de interpretar tu comentario, aquí escribo hasta el modelo de Schrödinger y no sobre los modelos actuales que corrigen todas las deficiencias de los modelos anteriores. Si lo que tratas es de señalarme un error de este modelo te diré que tienes razón, pero que como modelo tiene funciones que han quedado obsoletas y para interpretarlo y entenderlo no deberíamos tener en cuenta conocimientos que por razones históricas sí tenemos. No encuentro ningún punto de desacato Tom, salvo el histórico que he referido anteriormente.

    • No, no, no,… estas a la defensiva y con las pistolas cargadas,… Yo cuando comento en los blog, donde me gusta un articulo, es para enriquecerlo y abordar otro punto de vista. Incluso en ocasiones ni coincido con lo que escribo 100%, pero si entiendo que amplia y enriquece el debate. Calmaos, no voy por ahí,… Su escrito es excelente, he impecable,… por eso me robo mi tiempo,…

      • No no Tom, mis disculpas. Como digo antes no entendí muy bien tu comentario pero ya me ha quedado claro 🙂 creía que la información que aportas (muy correcta por cierto) e intentaba explicar que Schrodinger no pudo llegar tan lejos como estamos ahora. Agradezco tu tiempo y tus comentarios, espero que nos leamos proximamente Tom, un verdadero placer.

      • Sólo para precisar, la ecuación de Schrödinger sólo se puede resolver de forma exacta para el Hidrógeno, de hecho para todos los sistemas hidrógenoides. Para átomos con más de un electrón lo que se hace es introducir aproximaciones. Es decir, podemos entender su estructura y propiedades sin más que ir introduciendo aproximaciones cada vez mejores a la ecuación de Schrödinger correspondiente.

        Para que quede claro, la ecuación de Schrödinger se puede plantear para cualquier átomo, el problema está en resolver esta ecuación. Pero sabemos como resolverla con el grado de aproximación que queramos, así que en cierto modo, la ecuación de Schrödinger se aplica a todos los átomos.

  10. “Pero aquí, también hay una sutileza, que esta mal divulgada. O intencionalmente, mal divulgada, para exagerar la Mecánica Quántica. Primero, para los demás átomos y moléculas; que no son el átomo de hidrogeno, la ecuación de Schrodinger y demás, no sirve de mucho, casi de nada y hay que calzar los valores que dan las mediciones (estabilidad que le sale fácil a la naturaleza,… como lo hace; no sabemos bien), mas otra cantidad de parámetros mas. Nada de la cantidad de soluciones claras, exactas y bellamente didácticas que da la Mecánicas Clásica…. “
    http://francisthemulenews.wordpress.com/2012/09/18/la-modulacion-anual-observada-por-damalibra-y-la-existencia-de-materia-oscura/#comment-22043

    • Tienes razón y lamento el error, gran consejo que procuraré aplicar de ahora en adelante, gracias 🙂

    • “Primero, para los demás átomos y moléculas; que no son el átomo de hidrogeno, la ecuación de Schrodinger y demás, no sirve de mucho, casi de nada…”

      Siento decirte, amigo mío, que te equivocas, hay todo un campo de la ciencia (véase química cuántica) dedicado a resolver aproximaciones de calidad de la Ecuación de Schrödinger para sistemas multiatómicos, aproximaciones que en muchos casos son suficientes para dar explicaciones a problemas químicos que de otra forma sería imposible comprender.

  11. El modelo de Dalton se postula en 1808, más tarde, Thomson en 1897; 89 años no son 100 años evidentemente, ni siquiera hay un cambio de siglo pero utilizo la última frase que citas para hacer patente que hay un espacio considerable de tiempo entre modelo y modelo debido a las restricciones experimentales. Lamento si induce a la confusión.

  12. “Este modelo se postula durante la primera década del siglo XIX…”
    “Casi un siglo después, a finales del XIX,…”

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