1. I.E.S.Pedro Mercedes Curso 2009/2010 1
Departamento de Física y Química
ASPECTOS PREVIOS AL ESTUDIO DEL MODELO ONDULATORIO DEL ÁTOMO
A continuación te resumimos algunos fenómenos, hechos experimentales, hipótesis y
modelos, cronológicamente anteriores a la propuesta del modelo ondulatorio del átomo, que
proporcionaron los fundamentos sobre los que se elaboró ese modelo. La finalidad de este
documento es facilitarte la comprensión de todos esos conocimientos previos y permitirte completar
tus conocimientos a partir de lo que en él se contiene.
Experimentos de Thomson y modelo atómico
Básicamente un tubo de descarga de gases, o tubo de Crookes, es un tubo más o menos
cilíndrico que contiene un gas enrarecido (un gas a baja presión) y en el que hay dos
electrodos conectados a una fuente de tensión que proporciona una diferencia de
potencial eléctrico. Al cerrar el circuito se produce una luminosidad en el interior del
tubo cuyo color depende del gas encerrado en él.
Si en uno de esos tubos se reduce la presión del gas hasta valores cercanos al vacío, lo
único que se aprecia es una fosforescencia en el ánodo (electrodo positivo). Si
colocamos entre el cátodo (electrodo negativo) y el ánodo un molinillo, se aprecia que el
molinillo gira y si se coloca entre ambos electrodos un objeto opaco, tal como una cruz
de malta, se produce una zona de sombra en él ánodo.
Esas observaciones sugieren que se establece una corriente de partículas en el interior
del tubo que parten del cátodo y se dirigen hacia el ánodo: es lo que se conoce como
rayos catódicos
Puedes observar éste último efecto pinchando en el siguiente enlace
http://www.youtube.com/watch?v=Xt7ZWEDZ_GI&feature=user
Para estudiar las características y propiedades de los rayos catódicos, J.J. Thomson
perfeccionó los tubos de vacío introduciendo en ellos varias modificaciones:
colocó en el tubo un ánodo perforado
situó tras el ánodo un condensador de láminas planas conectadas a una fuente de
tensión eléctrica.
instaló tras el condensador un dispositivo que producía un campo magnético (Un
imán)
colocó una pantalla fluorescente en el extremo opuesto al cátodo
Había transformado el tubo de descarga en el origen del tubo de rayos catódicos, que no
es sino el dispositivo que nos ha permitido ver la televisión hasta la llegada de las
pantallas de plasma y LCD.
Con este instrumento llevó a cabo una serie de experiencias cuyo resumen es el
siguiente
Al conectar la fuente de tensión se observaba un punto luminoso en la pantalla,
lo que confirma que los rayos procedían del cátodo
Al aumentar la diferencia de potencial entre las placas del condensador se
observaba una desviación de los rayos hacia la placa positiva tanto mayor cuanto
mayor se hacía el voltaje entre placas. Por tanto, los rayos catódicos deben
poseer carga eléctrica negativa
Al colocar un campo magnético tras el condensador se producía una desviación
del haz de rayos catódicos; incluso , dependiendo del valor del campo magnético
podía contrarrestarse la desviación introducida por el campo eléctrico del
condensador
La fuerza magnética sobre una partícula cargada depende de su velocidad,
de su carga y del campo magnético. Con esta base, se pudo determinar la
relación entre la carga y la masa de las partículas que constituyen los
rayos catódicos y se constató que es independiente del material del que
está construido el cátodo.
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Aspectos previos al modelo ondulatorio del átomo

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Thomson consideró que todos los átomos debían poseer esa partícula a la
que llamó electrón
Los valores de la carga y de la masa del electrón son:
me = 9,1• 10-31 Kg
qe = - 1,6 • 10-19 C
C es el símbolo de culombio, la unidad de carga en el Sistema Internacional. El valor de
la carga del electrón es la carga eléctrica elemental
Puedes observar un vídeo en el que se muestra el efecto de un imán sobre un haz de rayos
catódicos en un tubo de Crookes pinchando en el siguiente enlace
http://www.youtube.com/watch?v=XU8nMKkzbT8&feature=related
(aunque está en inglés es fácilmente comprensible)
Los experimentos realizados por Thomson constituyeron la primera evidencia de la
existencia de partículas más pequeñas que los átomos, o partículas subatómicas, y
obligaron a proponer un modelo que intentase explicar cómo se integraban los
electrones en los átomos. Ese modelo es el modelo atómico de Thomson.
Hay que tener en cuenta que, en el momento del descubrimiento del electrón en 1897,
no se conocía todavía ninguna otra partícula subatómica, por lo que era difícilmente
explicable el origen de la masa de los átomos y el hecho de que no tuvieran carga
eléctrica neta.
Thomson concibió un átomo como una esfera de carga eléctrica positiva difusa en
la que se encontraban incrustados los electrones con carga eléctrica negativa.
Resulta obvio pensar que el mérito de este modelo es únicamente testimonial pues
resulta imposible explicar con él el valor de la masa de los átomos a no ser que se
supusiera que los átomos poseen varios miles de electrones.
El experimento de Rutherford
En 1909 Ernest Rutherford propuso a Geiger y Marsden la realización de un experimento
en el que deberían lanzar partículas procedentes de una fuente radiactiva contra una
lámina de oro de unos pocos átomos de espesor. El objetivo del experimento era
corroborar la idea de Rutherford de que las partículas atravesarían la lámina metálica sin
desviarse apenas.
Sin embargo, los resultados no fueron los esperados; de hecho había un número
significativamente alto de partículas α que sufrían una desviación importante e, incluso,
algunas de ellas parecían rebotar en la lámina.
El análisis y las conclusiones que Rutherford extrajo del experimento las podemos
resumir de la siguiente manera:
Si la mayoría de las partículas α atraviesan la lámina de oro sin desviarse es
porque no encuentran ningún obstáculo en su camino; de aquí se puede deducir
que la mayor parte del volumen del átomo está vacío.
Si hay un número significativo de partículas que sufren una desviación apreciable
es porque, en su camino a través de la lámina, se ejerce sobre ellas una fuerza
de la suficiente magnitud como para variar la dirección de su movimiento.
Teniendo en cuenta que las partículas α viajan a velocidad elevada, que poseen
una masa de 4 u aproximadamente y que tienen carga eléctrica positiva de valor
doble que la del electrón, la única explicación a la desviación es que sufran
una fuerza eléctrica repulsiva por parte de alguna región del átomo con
carga positiva.
Para que algunas partículas reboten, debe existir alguna parte del átomo con
masa contra la que choque las partículas radiactivas.
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Por tanto, debe existir en el interior del átomo una zona con partículas
que posean masa y carga eléctrica positiva.
Esa clase de partícula subatómica recibió el nombre de protón. Medida su masa resultó
ser mp= 1,67×10-27 kg y su carga igual a la del electrón pero de signo negativo
+1,6×10-19 C.
En el siguiente enlace encontrarás más información sobre el experimento de Rutherford
incluyendo un applet interactivo
http://www.deciencias.net/proyectos/quimica/atomo/rutherford.htm
Y en esta otro encontrarás una recreación virtual (está en inglés, pero puedes consultar la
transcripción en castellano)
http://www.librosite.net/data/glosarios/petrucci/videos/cap2/experimento_de_rutherford.htm
El modelo atómico de Rutherford
La evidencia de la existencia de los protones llevó a Rutherford a proponer en 1911 un
modelo atómico similar a un sistema planetario, el modelo atómico de Rutherford
El núcleo constituye la parte central del átomo donde se concentra casi toda
la masa y toda la carga eléctrica positiva
La corteza electrónica está constituida por los electrones que giran en órbitas
circulares a gran distancia del núcleo
La suma de las cargas eléctricas de los electrones debe ser igual a la carga
eléctrica positiva del núcleo pues los átomos son eléctricamente neutros
Aunque hay algunos textos que afirman, refiriéndose a este modelo, que el núcleo del
átomo está constituido por protones y neutrones, es preciso señalar que Rutherford sólo
utilizó en él los protones pues hasta 1932 no fue descubierto el neutrón.
Este modelo presentaba dos deficiencias muy significativas
 no explica los espectros discontinuos de los átomos
 describe un átomo inestable, pues según las leyes del electromagnetismo, una
carga eléctrica en movimiento (tal como el electrón) desprende energía, por lo
que su velocidad sería cada vez menor y, por tanto, el radio de la órbita
disminuiría continuamente hasta que el electrón acabase cayendo sobre el núcleo
Átomos, núcleos e isótopos
En 1932 Chadwick descubrió el neutrón, partícula sin carga eléctrica y con una masa
aproximadamente igual a la del protón.
Para identificar los núcleos atómicos que intervienen en procesos nucleares se utilizan
dos parámetros que permiten conocer la constitución del núcleo al que se refieren: el
número atómico y el número másico.
El número atómico, Z, es el número de protones que contiene un núcleo
El número másico, A, es el número de partículas con masa de un núcleo
La forma de simbolizar un núcleo de un átomo es la siguiente
A
Z X en la que X representa el símbolo, A el número másico y Z
el número atómico
Si representamos por p+ el número de protones de un núcleo y por n0 el de
neutrones, podemos escribir las siguientes igualdades
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Z = p+
A = p + + n0 = Z + n0
n0 = A – Z
Las ligeras diferencias en la masa de átomos de la misma clase quedaron explicadas tras
el descubrimiento de los neutrones mediante la introducción del concepto de núcleos
isótopos
decimos que dos o más núcleos son isótopos cuando poseen el mismo número
atómico pero diferente número másico; es decir, cuando poseen el mismo
número de protones pero diferente número de neutrones.
La denominación que se les da a estos núcleos proviene del griego y significa el mismo
lugar. Ese lugar igual es el que un elemento ocupa en la Tabla Periódica: dos átomos
isótopos son dos átomos del mismo elemento que se diferencian en que tienen distinto
número de neutrones.
Ahora una aclaración importante
en átomos eléctricamente neutros, el número de electrones es igual al de
protones, o sea, al número atómico. Pero esto no es cierto en iones
monoatómicos positivos o negativos
Espectros discontinuos de los átomos.
Desde mediados del siglo XIX, gracias a los trabajos de Kirchhoff y de Bunsen, se
conocía ya el hecho de que al excitar un conjunto de átomos del mismo
elemento, es decir, al proporcionarles energía mediante una descarga eléctrica o
calentarlos mediante la llama, los átomos así tratados emitían energía en forma
de radiaciones electromagnéticas de frecuencias determinadas.
También se había observado que cuando ese conjunto de átomos recibía una
radiación electromagnética absorbía sólo unas frecuencias determinadas y
siempre las mismas.
Las observaciones experimentales referidas a los espectros reunían,
esencialmente las siguientes propiedades
eran discontínuos o discretos: sólo se emitían o absorbían unas
frecuencias determinadas,
el espectro de emisión de un átomo y el de absorción eran
complementarios: las líneas que aparecían en el de emisión se
correspondían con zonas estrechas negras en el de absorción,
los espectros de absorción y de emisión de un átomo son característicos
de ese átomo y podían ser utilizados para confirmar la presencia de este
tipo de átomos en una muestra,
todos los átomos de un elemento producen espectros iguales
Espectro de emisión del nitrógeno
En el siguiente enlace encontrarás una explicación gráfica de la diferencia entre espectros
de absorción y de emisión
http://www.iesaguilarycano.com/dpto/fyq/ma/ma6.html
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Y en este otro podrás consultar los espectros de emisión y de absorción de todos los
elementos de la Tabla Periódica
http://personales.ya.com/casanchi/fis/espectros/espectros01.htm#2
La radiación del cuerpo negro y la Hipótesis de Planck
En Física se entiende por cuerpo negro todo aquel que absorbe todas las frecuencias
de las radiaciones que le llegan o bien aquel cuerpo capaz de emitir radiación en
todas las frecuencias del espectro electromagnético; por tanto, podríamos decir que
un cuerpo negro es un emisor perfecto.
Evidentemente, un cuerpo negro es un modelo científico usado para estudiar el
comportamiento de un sistema material en relación con la emisión y la absorción de
energía. Uno de los problemas que presentaba era que, mediante el uso de las leyes
de la Termodinámica, no podía explicar algunos aspectos relacionados con la
cantidad de energía transferida, la temperatura y la longitud de onda de la radiación
emitida o absorbida.
Max Planck se interesó por esta dificultad del modelo y acabó proponiendo en 1900
una explicación de la manera con la que los cuerpos emiten y absorben energía. Esa
explicación está contenida en lo que se conoce como Hipótesis de Planck
Según esta Hipótesis cuando un cuerpo absorbe o emite energía en forma de
radiación electromagnética no lo hace de forma continua, sino en forma de pequeños
paquetes de energía denominados cuantos
Cada uno de esos cuantos transporta una energía proporcional a la frecuencia de la
radiación electromagnética
E h
donde h es la Constante de Planck cuyo valor es 6,62 • 10-34 J·s
y es la frecuencia de la radiación electromagnética.
Por primera vez en la Historia de la Ciencia se aventuraba la posibilidad de que la
energía, y todos los fenómenos relacionados con ella, no tuvieran carácter continuo
sino que estuvieran cuantizados. Esto abrió las puertas al desarrollo de la Física
cuántica
El efecto fotoeléctrico
Una radiación visible (la luz del sol) o no visible (los rayos infrarrojos) arranca
electrones de una superficie metálica produciendo una corriente eléctrica capaz de
accionar un dispositivo mecánico o electrónico. Ese fenómeno es el efecto
fotoeléctrico
En 1905 Einstein explicó que, para que se produzca una corriente de este tipo, es
necesario iluminar un metal con una energía cuyo valor sea igual o superior a la
energía umbral del metal, E0 (energía mínima a partir de la que se pueden arrancar
electrones de la superficie metálica); de lo contrario, aunque la intensidad de la
radiación luminosa fuese muy elevada, no se establecía la corriente eléctrica.
Así, cuando un fotón ilumina una superficie metálica le proporciona una cantidad de
energía que se emplea en arrancar los electrones de la superficie (energía umbral) y
en acelerarlos comunicándoles una energía cinética
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E h E0 m v 2 si, para expresar la energía umbral, usamos la hipótesis de
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Planck, la expresión anterior se convierte en E h h 0 m v 2 donde 0 es la
2
frecuencia umbral del metal.
Esta explicación suponía que la luz puede ser considerada como un chorro de
partículas, denominadas fotones, cada una de las cuales transporta una energía h
que puede ser transmitida a un átomo o a una partícula. De esta forma puede
entenderse el mecanismo mediante el que se produce la absorción de energía al
iluminar un átomo o la emisión de energía por parte de un átomo.
El modelo atómico de Böhr
Tomando como base la hipótesis de Planck, la explicación del efecto fotoeléctrico y los
estudios previos sobre los espectros atómicos, Niels Böhr en 1913 propuso un modelo
atómico estructurado alrededor de tres postulados a partir de los cuales se podían
realizar cálculos del valor de las magnitudes atómicas y que superaba las dificultades
que presentaba el modelo atómico de Rutherford
El modelo atómico de Böhr se construye a partir de los siguientes postulados:
1. Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas circulares estacionarias sin
emitir energía
2. Son órbitas estacionarias aquellas en las que el momento angular del electrón es
múltiplo entero de la constante de Planck dividida por 2π
3. Cuando se producen saltos electrónicos entre órbitas tiene lugar la emisión o la
absorción de un fotón cuya energía es E E2 E1 h
Además de estos tres postulados, el modelo asumía la propuesta de Rutherford
acerca de la constitución y la situación del núcleo atómico.
El primero de los postulados permitía salvar la dificultad que presentaba el modelo de
Rutherford en cuanto a su inestabilidad.
El segundo postulado introduce la idea de cuantización en la estructura atómica
Establece que no es posible que las órbitas tengan cualquier radio, sino sólo aquellos
que cumplan la condición establecida por el postulado. Además, introduce un parámetro,
el número cuántico n, que sólo puede tomar valores enteros de manera que el radio de
las sucesivas órbitas permitidas depende del valor de este número cuántico.
Por otra parte, hay un paralelismo entre el valor del radio orbital y la energía del
electrón en la órbita debido a que ambas magnitudes, radio y energía, dependen del
valor del número cuántico n.
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Representación esquemática del modelo de Bohr:
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