Estructura atómica: modelos atómicos, Rutherford y Bohr
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A principios del siglo XX, la física descubrió que el átomo, que se creía indivisible, tiene una estructura interna. Entenderla dio origen a la física contemporánea: la física atómica, la nuclear y la mecánica cuántica.
La evolución de los modelos atómicos
| Modelo | Año | Idea principal |
|---|---|---|
| Dalton | 1808 | Los átomos son esferas macizas e indivisibles; los de un mismo elemento son iguales |
| Thomson («pudín de pasas») | 1897 | Descubrió el electrón. El átomo es una esfera positiva con electrones incrustados |
| Rutherford (nuclear) | 1911 | Casi toda la masa y la carga positiva están en un núcleo diminuto; los electrones giran alrededor |
| Bohr | 1913 | Los electrones giran solo en ciertas órbitas permitidas, con energía definida |
| Mecánico-cuántico (actual) | 1926 | Los electrones no siguen órbitas: se describen con orbitales, regiones de probabilidad |
El experimento de Rutherford
Ernest Rutherford (con Geiger y Marsden) bombardeó una lámina muy delgada de oro con partículas alfa (positivas) y observó, con una pantalla fluorescente, hacia dónde salían:
- Casi todas atravesaron la lámina sin desviarse → el átomo es, en su mayor parte, espacio vacío.
- Algunas se desviaron → hay una zona con carga positiva que las repele.
- Muy pocas rebotaron hacia atrás → esa zona es muy pequeña y concentra casi toda la masa: el núcleo.
Si el núcleo de un átomo fuera del tamaño de una canica, el átomo completo sería como un estadio de futbol.
Problema del modelo: según la física clásica, un electrón girando debería perder energía y caer al núcleo. Los átomos, sin embargo, son estables.
La espectroscopia y el modelo de Bohr
Cuando un gas se calienta o se le aplica electricidad, emite luz. Al separarla con un prisma no se ve un arcoíris continuo, sino líneas de colores definidas: el espectro de emisión, que es como la «huella digital» de cada elemento. Así se descubrió el helio en el Sol antes que en la Tierra.
Niels Bohr explicó estas líneas:
- Los electrones solo pueden estar en ciertas órbitas (niveles de energía) sin perder energía.
- Cuando un electrón salta de un nivel alto a uno bajo, emite un fotón con la energía de la diferencia entre los niveles: (el fotón).
- Para subir de nivel, el electrón debe absorber un fotón con esa energía exacta.
Como los niveles son fijos, solo se emiten ciertas frecuencias: por eso el espectro tiene líneas. El modelo de Bohr funciona muy bien para el hidrógeno y fue el primer paso hacia la mecánica cuántica.
Partículas del átomo
| Partícula | Carga | Ubicación | Masa relativa |
|---|---|---|---|
| Protón | ( C) | Núcleo | 1 |
| Neutrón | 0 | Núcleo | 1 |
| Electrón | Alrededor del núcleo | 1/1836 |
- Número atómico (): número de protones; define al elemento.
- Número de masa (): protones más neutrones.
- Isótopos: átomos del mismo elemento con distinto número de neutrones (por ejemplo, carbono-12 y carbono-14).
Comprueba lo aprendido
1. ¿Qué concluyó Rutherford al ver que casi todas las partículas alfa atravesaban la lámina de oro?
Que el átomo es, en su mayor parte, espacio vacío, con un núcleo muy pequeño.
2. Según Bohr, ¿qué ocurre cuando un electrón pasa a un nivel de menor energía?
Emite un fotón cuya energía es igual a la diferencia entre los dos niveles.
Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:
Ejercicios resueltos de física contemporánea
Referencias
- Hewitt, P. G. (2007). Física conceptual (10.ª ed.). Pearson Educación.
- Serway, R. A., Moses, C. J. y Moyer, C. A. (2006). Física moderna (3.ª ed.). Cengage Learning.
- Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).
