¿Cómo surgieron los diferentes modelos atómicos?

Desde la era de la filosofía griega antigua hasta la mecánica cuántica moderna, la teoría atómica ha tenido múltiples actualizaciones, cada una de las cuales fue bastante revolucionaria para su época.

Nuestra comprensión de la naturaleza de las cosas que nos rodean está en constante cambio. Las cosas que parecen bastante obvias ahora pueden no haber existido hace un siglo o pueden volverse obsoletas en las próximas décadas. Un ejemplo perfecto de cómo la ciencia se refina a sí misma con el tiempo ha sido la evolución de la teoría atómica.

Comencemos por los buenos viejos tiempos, cuando la ciencia no se basaba en pruebas, sino más bien como una forma de filosofía; la gente creía que todo estaba hecho de sólo cuatro elementos: agua, fuego, tierra y aire. ¡Imagínese lo fácil que habría sido la química en ese entonces!

Demócrito

Alrededor del 400 a. C., un filósofo griego llamado Demócrito propuso la teoría de que todo en el mundo estaba hecho de diminutas partículas indestructibles llamadas “átomos”, que significa “no se puede cortar”. Creía que las propiedades de los materiales dependían del tipo de átomos del que estaban hechos. Por ejemplo, las cosas ácidas o de sabor fuerte estaban hechas de partículas con bordes puntiagudos, las cosas dulces estaban hechas de átomos más redondeados y suaves, mientras que los metales estaban hechos de átomos duros. Aparte de esta mala interpretación de la forma, Demócrito estaba bastante en el camino correcto con respecto a la composición atómica que dicta las propiedades de una sustancia.

Sin embargo, esta teoría fue desacreditada en gran medida por Aristóteles, el influyente social original, que creía que todo en el planeta estaba formado por cuatro elementos: tierra, fuego, agua y aire.

John Dalton

La siguiente parada en la teoría atómica en constante cambio llegó casi 2.000 años después, de un químico británico y entusiasta de la meteorología llamado John Dalton. Realizó experimentos en los que mezcló dos gases y observó su comportamiento. La mayoría de los gases que probó existían de forma independiente sin ser molestados por la presencia del otro. Sin embargo, encontró algo diferente cuando se permitió que el óxido nítrico interactuara con el oxígeno atmosférico. 36 medidas de gas nitroso puro reaccionaron con 100 medidas de aire para dar 80 medidas de un nuevo gas que no era ni nitroso ni oxigenado.

Esto despertó su curiosidad, por lo que realizó el mismo experimento con diferentes volúmenes de gas. Observó que los gases reaccionaban entre sí solo en una proporción fija, lo que dio lugar a la ley de proporciones múltiples y la teoría del atomismo.

Dalton teorizó que todo en este mundo estaba compuesto de átomos: diminutas esferas sólidas indestructibles que eran únicas para cada elemento. Los átomos de diferentes elementos se combinan para formar diferentes compuestos y se reorganizaron durante las reacciones químicas. Incluso después de 200 años, parte de este concepto sigue siendo cierto.

JJ Thompson

Hasta finales del siglo XIX, los átomos se representaban como partículas indivisibles; la primera persona en romper esta noción fue el físico inglés JJ Thompson y su confiable tubo de rayos catódicos. Dentro de un tubo de vidrio al vacío, se generó un haz visible de partículas o rayos catódicos aplicando alto voltaje a través de electrodos metálicos. La corriente de partículas producidas por el metal se desvió de la carga negativa y tendió hacia la carga positiva.

Después de repetir este experimento varias veces con otros metales, se le ocurrió el primer modelo atómico. Su famoso modelo de pudín de ciruela describía un átomo como una partícula hecha de una masa cargada positivamente (el pudín) con pequeñas cargas negativas incrustadas (como ciruelas).

Tubo de rayos catódicos y modelo de pudín de ciruela

Modelo de tubo de rayos catódicos y pudín de ciruela (Crédito de la foto: Wikimedia commons)

Ernest Rutherford

Después de cierta resistencia inicial, este modelo se hizo bastante popular en el mundo científico, pero Ernest Rutherford, nacido en Nueva Zelanda, no estaba convencido. A principios del siglo XX, la radiactividad estaba de moda y Rutherford descubrió los rayos alfa, beta y gamma durante su trabajo sobre la desintegración radiactiva. Quería desarrollar un método para producir partículas alfa y usarlo para sondear la estructura de un átomo.

Hizo lo que todos los físicos de la época hicieron: ideó un experimento. El experimento de la lámina de oro, también conocido como un experimento de Geiger-Marsden, consistió en una delgada lámina de lámina de oro con una pantalla circular recubierta de sulfuro de zinc detrás que destellaría cada vez que una partícula alfa la golpeara. Rutherford esperaba que las partículas atravesaran la lámina y golpearan la pantalla detrás de ella. Si bien la mayoría de las partículas se comportaron como se esperaba, algunas se desviaron en un ángulo superior a 90 grados.

Experimento de lámina de oro Geiger-Marsden

Experimento de lámina de oro Geiger-Marsden (Crédito de la foto: Kurzon / Wikimedia commons)

Respaldado por sus observaciones, se le ocurrió un nuevo modelo atómico que refutó el anterior. Propuso una estructura atómica en la que la mayor parte de la masa del átomo se concentraba en un centro cargado positivamente (que más tarde llamó núcleo, en latín “nuez”), alrededor del cual los electrones orbitaban como planetas alrededor del sol.

Niels Bohr

Un año después de la publicación de la teoría atómica de Rutherford, Niels Bohr encontró una discrepancia en el modelo. Si los electrones orbitaran alrededor de un centro cargado positivamente, en algún momento, esos electrones perderían su energía y colapsarían en el núcleo, haciendo que los átomos fueran inestables. Sin embargo, ese no fue el caso, ya que la mayoría de los átomos demostraron ser bastante estables (aparte de los radiactivos).

Aquí es donde entró en escena la física cuántica. Bohr utilizó el concepto de energía cuantificada para proponer que los electrones se movían alrededor del núcleo en órbitas o capas fijas. Las conchas más cercanas al núcleo tienen menor energía y la más lejana tiene la más alta. Si un electrón salta a una órbita de menor energía, emite la energía extra en forma de radiación, manteniendo así la estabilidad atómica.

Aunque el modelo de Bohr no es válido para sistemas complejos de varios electrones, este modelo sigue siendo la representación más popular de la estructura atómica en la mayoría de los libros de texto.

Animación del átomo de Bohr

(Crédito de la foto: Kurzon / Wikimedia commons)

Modelo de Schrödinger

No importa cuánto lo intentemos, no hay forma de evitar las complejidades de la mecánica cuántica. Con el establecimiento del comportamiento cuántico de entidades como los electrones, quedó bastante claro que el modelo atómico de Bohr no satisfacía el principio de incertidumbre de Heisenberg. Según el principio de incertidumbre, es imposible conocer la posición exacta y la trayectoria de los electrones en un átomo, lo que significa que no pueden existir en órbitas fijas, como planteó Bohr.

Combinando el concepto de dualidad onda-partícula y el principio de incertidumbre, Erwin Schrödinger ideó el modelo mecánico cuántico de un átomo. En este modelo, los electrones no giran alrededor del núcleo en órbitas circulares, sino más bien como nubes de electrones en un orbital atómico, una región dentro del átomo donde la probabilidad de encontrar un electrón es más alta. También formuló las ecuaciones de onda de Schrödinger, que nos ayudarían a calcular con precisión la energía de los niveles de electrones en un átomo. Este nuevo y mejorado modelo atómico no nos dice dónde está un electrón, sino dónde podría estar.

Primeros modelos de átomo

Evolución de los modelos atómicos a lo largo de los años (Crédito de la foto: IlluScientia / Wikimedia commons)

La humanidad siempre ha estado plagada de grandes preguntas: ¿Qué constituye el mundo que nos rodea? ¿Y por qué los diferentes materiales se comportan de manera diferente?

Cada paso en la evolución de la teoría atómica nos ha acercado un poco más a comprender los secretos de las partículas subatómicas que gobiernan nuestro vibrante y vivaz mundo. Y sin embargo… ¡siempre hay más que aprender!