Teorias y modelos atómicos II

J. B. Perrin
El primer modelo atómico considerado fué el denominado "budín con pasas" de J. J. THOMSON del cual el mismo científico intuía que era insuficiente; En 1903 el Físico - Químico Francés Jean Baptiste PERRIN modificó éste modelo al sostener que los electrones no se encuentran distribuidos en todo el átomo, sino estos se encuentran situados en la parte externa, posteriormente este modelo se descartó con el descubrimiento del núcleo atómico, PERRIN recibió el Premio Nobel de Física en 1926 por sus estudios de las estructuras discontinuas de la materia y principalmente por el descubrimiento sobre el equilibrio de sedimentación.

DESCUBRIMIENTO DEL NÚCLEO ATÓMICO 
E. Goldstein

Por el año 1886, el Físico Alemán Eugen GOLDSTEIN descubrió cierta luminosidad detrás del cátodo del tubo de rayos catódicos; Así si el cátodo se perfora y se convierte en una criba (especie de lámina agujereada) al cual se le aplica un potencial eléctrico se observara a una serie de rayos de luz que atraviesan el cátodo en sentido contrario a los rayos catódicos, estos rayos denominados CANALES (o rayos ANÓDICOS) se originan por el choque de los rayos catódicos con los átomos de los gases que se encuentran en el interior del tubo, durante estas colisiones los átomos del gas pierden sus electrones cargándose positivamente y moviéndose del ánodo al catódo. GOLDSTEIN comprobó que las características de estos rayos dependen del tipo de gas que los produce, esto resulta ser obvio, pues cada gas da un catión distinto al ionizarse. El descubrimiento del PROTÓN se efectúo al trabajar con el gas de hidrógeno dentro del tubo. Si en el tubo de RAYOS CANALES se coloca gas hidrógeno y se determina la relación carga/masa de las partículas (iones) de hidrógeno se obtiene: 9,58x104C/g y si la relacionamos con la (carga/masa) del electrón que resulto: 1,759x108C/g, esta nos indica que la masa de cada partícula (ión hidrógeno, protón) es 1835 veces mayor que la masa del electrón (ó masaiónhidrógeno, protón = 1836masaelectrón), además de observarse que la carga de cada partícula positiva (ión hidrógeno, protón) es numéricamente igual a la del electrón  (-1,6x10-19C) esto es: +1,6x10-19C.

Los rayos CANALES son de naturaleza corpuscular que impresionan las placas fotográficas, siendo el color dependiente del elemento empleado, por ejemplo el color rojo es en el hidrógeno, el amarillo oro en el nitrógeno, en el caso de su ángulo de desviación frente a la acción de los campos eléctricos y magnéticos esta es menor que en los rayos CATÓDICOS, empero el sentido de esta desviación prueba que son partículas cargadas positivamente. Los rayos CANALES cargan positivamente al metal sobre el cual inciden, también producen una ionización intensa en los gases que atraviesan, si embargo esta se detiene si la presión no es muy baja, debido a que su inercia es mayor que los rayos CATÓDICOS es lógico deducir que su masa es también mayor.


W. K. Röentgen
En 1895 el Físico Alemán Wilhelm Konrad Röentgen descubre los rayos "X" al observar que en las paredes del tubo de vidrio de rayos CATÓDICOS en los puntos alcanzados por estos además de producirse fluorescencia violeta se genera una nueva especie de rayos, que tenía como cualidad hacer luminosa una pantalla de cartón negro recubierta con una solución de cristales de platino-cianuro de bario, Ba[Pt(CN)6], determinando que los rayos desconocidos (de por eso rayos "X") producían una "radiación" muy penetrante e invisible que atravesaban grandes capas de papel e incluso metales menos densos que el plomo; estos rayos actualmente se conocen como rayos RÖENTGEN, un año despues de su descubrimiento su trabajo que no fue patentado por él, a pesar de la sugerencia de T. ALVA EDISON, es considerado producto de su agudeza científica más no de la casualidad, debido a este descubrimiento es que en 1901 W. K. RÖENTGEN recibe el Premio Nobel de Física.



En la actualidad se conoce que la naturaleza de los rayos "X" se debe a que estos se producen al bajar un electrón de la capa L (o capa 2) a la capa K ( o capa 1), de un átomo ubicado en la superficie de la pantalla.




Los rayos "X" presentan las siguientes propiedades:
  • Al igual que los rayos ultravioleta (UV) y los rayos catódicos, estos excitan la fluorescencia de diversos cuerpos como las pantallas recubiertas de sulfuro de zinc (ZnS), tungstato de calcio (Ca(WO3)2), Ba[Pt(CN)6],...
  • Se observa acción química, impresionan, ennegresen las placas fotográficas.
  • Ionizan el aire pemitiendo su conductividad, dicha ionización puede medirse con una cámara de Geiger.
  • Su poder de penetración es inversa a la masa atómica de la sustancia, así los huesos son poco penetrados siendo por tanto observados a través de una placa radiográfica, capas gruesas de plomo detienen a estos rayos.
  • Son ondas electromagnéticas (OEM) por lo que experimentan fenómenos de reflexión, refracción, difracción, interferencia,... 

Hacía finales del siglo XIX los científicos estaban interesados en el fenómeno de la fluorescencia, uno de ellos fué el Físico Francés Antoine Henri BECQUEREL, en uno de sus muchos experimentos colocó unos cristales de sulfato de potasio y uranilo dihidratado, K2SO4.(UO2)SO4.2H2O, sobre una placa fotográfica envuelta con papel negro y expuesta a la luz solar, observando que el destello fluorescente liberado por el compuesto de uranio atravesó el papel, como consecuencia la porción de la película que se encontraba debajo de los cristales del mineral se oscureció, lo que no ocurría cuando llegaba la luz solar directamente a la película pues el papel impedía su penetración, esto como era lógico de esperar significaba una gran diferencia entre la luz solar y la fluorescencia emitida por el mineral debido a que este último debería tener mayor energía; es así que en Febrero de 1896 BECQUEREL hizo los arreglos necesarios para seguir con nuevos experimentos, pero por esa fecha en Francia era Invierno, por lo que impedia que el Sol brillara por varios días, entonces optó por postergar su trabajo, por lo que envolvió los cristales del mineral junto con la película envolviéndolos con el papel negro; pero luego de varios días, el 1 de Marzo, regreso a continuar su trabajo, al inspeccionar la muestra encontró que la película fotográfica había sido revelada, su interpretación fué: "... el uranio emitía espontáneamente sin la necesidad del estímulo de la luz exterior...". Mas adelante analizó a un mineral impuro de uraninita denominado Pechblenda que contiene óxido de uranio, UO2, encontrando que este mineral afectaba más a la película fotográfica que el mineral inicial sospechando como causante a algún elemento desconocido, su trabajo fué continuado por sus colaboradores, el Físico Francés Pierre CURIE (murió en 1906) y la Física y Química Polaca Marie Sklodowska CURIE (murió en 1934) ambos lograrían aislar dos nuevos elementos, en 1898 fué el Polonio (Po) y en 1902 el elemento Radio (Ra). En 1903 tanto BECQUEREL (murió en 1908) como los esposos CURIE fuerón galardonados con el Premio Nobel de Física por sus trabajos relacionados con la radiactividad espontánea, en 1911 Marie CURIE fué galardonada por segunda vez, en este caso, con el Premio Nobel de Química por el estudio y demostración de la obtención del Ra.


Becquerel; Pierre y Marie Curie

Al fenómeno producido por algunos elementos como el Ra, U, Po se le denomina RADIACTIVIDAD la cual es la espontánea ruptura de un átomo por emisión de partículas y/o radiación.



En 1899 se demostró que estas radiaciones eran desviadas por el campo eléctrico y magnético los cuales no eran perceptibles por la vista pero su evidencia se notaba por sus efectos como la fluorescencia; sin embargo en 1902, Ernest RUTHERFORD y su colaborador Frederick SODDY enuncian una teoría acerca de la radiactividad: "cuando una sustancia radiactiva emite una particula (alfa (α) o beta (β), descubierta por RUTHERFORD) se transforma en un elemento distinto con diferentes propiedades físicas y químicas", esta teoría se contraponia a la noción del átomo indivisible de DALTON. Posteriormente a los rayos "α" y "β", se encontró un tercer tipo de radiación al que se denominarón rayos gamma (γ). De estos tres rayos se puede mencionar brevemente sus siguientes características:

  • Los rayos ALFA (α), son de naturaleza corpuscular, formados por núcleos de helio, producen fluorescencia, con una velocidad inicial de desintegración de 20000km/s pierden sus propiedades poco despues de ser emitidos, estos pueden ser detenidos por una lámina de papel o de aluminio (Al) de espesor igual a 0,1mm, frente a un campo eléctrico se desvían al polo negativo, esto es porque presentan carga positiva y frente a un campo magnético se desvían al polo sur.
  • Los rayos BETA (β), son de naturaleza corpuscular, semejantes a los electrones, su velocidad de penetración inicial es de alrededor de 270000km/s, siendo detenidos por láminas de metal con un espesor de 5mm, frente a un campo eléctrico se desvían al polo positivo, esto es porque presentan carga negativa y frente a un campo magnético se desvían al polo norte.
  • Los rayos GAMMA (γ), son de naturaleza electromagnética, formadas por fotones, siendo su velocidad de penetración inicial semejante a la luz, pueden ser detenidos por bloques de Plomo (Pb) de unos 30cm de espesor, no son desviados por campos eléctricos, ni magnéticos, esto evidencia su electroneutralidad. 


MODELO ATÓMICO DE ERNEST RUTHERFORD


Ernest Rutherford y colaboradores
Observándose que en los átomos existen cargas negativas y positivas en la cual se manifiesta electroneutralidad atómica, es lógico suponer que esta característica se debería a que el número de cargas  positivas y negativas deben ser iguales, algunos científicos trataban de explicar como es que se hallaban estas cargas distribuidas en el interior del átomo, entre estos científicos se encontraban RUTHERFORD y sus colaboradores H. GEIGER y E. MARSDEN.
 
En 1909 Hans GEIGER y Ernest MARSDEN investigarón el paso de las partículas alfa emitidas por el elemento radiactivo Po, a través de una lámina delgada de Platino (Pt), 4,0x10-5cm de espesor, la mayoría de las partículas alfa atravesaban en línea recta , sin embargo alrededor de uno de cada 8000 partículas alfa experimento una desviación de 90o, y alguna todavía más con respecto a la dirección de incidencia, este trabajo hizo que RUTHERFORD comentara: "... fué el más increibe evento que ha ocurrido en mi vida, es tan increibe como si al disparar una granada de 15 pulgadas (38cm) sobre el papel higiénico, éste rebotara y le golpeara a uno mismo...". Por ese entonces se sabía que la masa de una partícula alfa era 7300veces más pesada que el electrón, entonces era imposible que estos provocaran una considerable desviación del proyectil. De acuerdo con el modelo de THOMSON donde la carga positiva está dispersa en todo el átomo, se esperaban pequeñas deflexiones debidas a las colisiones múltiples. A sugerencia de RUTHERFORD, GEIGER y MARSDEN midierón la probabilidad de rebote del proyectil colocando el detector entre la fuente y la laminilla de oro (dicha experiencia se denomino "pan de oro"), el resultado fué positivo.


En un inicio RUTHERFORD llego a la conclusión que entre los átomos del metal existían grandes espacios vacíos debido a que la mayoría de los rayos atravezaban a la laminilla, también observo que como era poca la cantidad de partículas alfa que habían sido fuertemente desviadas, esto se podía explicar por la existencia de una diminuta y densa parte del átomo con carga positiva. En 1911 Ernest RUTHERFORD, Físico y Químico Británico - Neozelandés, propone un nuevo modelo atómico, en el cual toda la carga positiva se coloca en el centro del átomo, allí se encontraría casi toda la masa del átomo, este diminuto y pesado centro de carga positiva más adelante se denominaría NÚCLEO atómico; . Al modelo atómico de RUTHERFORD se le conoce como "Sistema solar en miniatura".


En este modelo, Rutherford enuncia los siguientes postulados:
  1. El átomo esta constituido por un núcleo central muy pequeño de diámetro 10000veces menor que el átomo, con casi la totalidad de la masa del átomo, el núcleo tiene carga positiva.
  2. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones girando circular y concéntricamente respecto del núcleo y no caen debido al equilibrio entre la fuerza centrífuga y la fuerza de atracción electrónica junto a la gravitatoria entre el núcleo y el electrón.
  3. Todo átomo es eléctricamente neutro, debido al equilibrio entre el número de cargas eléctricas positivas (en el núcleo) y el número de cargas eléctricas negativas (electrones fuera del núcleo).
Rutherford para un mejor entendimiento de lo que planteaba empleo la paradoja siguiente: "El átomo es como el estadio de Fútbol del Manchester y el núcleo es como una pelota de tenis ubicada en su centro".

En 1908, E. RUTHERFORD fué galardonado con el Premio Nobel de Química por sus investigaciones en las desintegraciones de los elementos y la Química de las sustancias radiactivas.


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