historia de los modelos atomicos

1. MODELOS ATOMICOS
Física para Ingeniería
MIGUEL DEL ANGEL RODRIGUEZ PALACIOS | 701
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL SURESTE DE VERACRUZ
Ing. Saraí Nintai Orozco Gracia

2. 1
Contenido
Introducción........................................................................................................................................ 2
Concepto de átomo y estructura. ....................................................................................................... 2
Historia del átomo............................................................................................................................... 2
Modelo de Dalton. .............................................................................................................................. 7
Experimentos que condujeron al descubrimiento del electrón. ........................................................ 8
Modelo de Thompson. Inconvenientes. ............................................................................................. 9
Descubrimiento del protón................................................................................................................. 9
Experimento de Rutherford. ............................................................................................................. 10
Modelo de Rutherford. Inconvenientes............................................................................................ 10
Descubrimiento del neutrón............................................................................................................. 11
Características generales de los espectros atómicos........................................................................ 12
Modelo de Bohr. Éxitos e inconvenientes......................................................................................... 13
Modelo mecano cuántico. Orbitales y números cuánticos............................................................... 14
Conclusión......................................................................................................................................... 16
Bibliografía ........................................................................................................................................ 17

3. 2
Introducción
Se realizará una investigación sobre la evolución de los modelos atómicos, desde
el modelo de Dalton hasta el mecano-cuántico vigente en la actualidad. A la vez, se
pretende que se reflexione acerca de cómo se construyen los modelos y las teorías
científicas.
Concepto de átomo y estructura.
Parte más pequeña de una sustancia que no se puede descomponer químicamente.
Cada átomo tiene un núcleo compuesto de protones las cuales son partículas
positivas y neutrones las cuales son partículas sin carga. Los electrones o también
llamadas partículas negativas, se mueven alrededor del núcleo. Los átomos de
diferentes elementos contienen diferentes números de protones, neutrones y
electrones.
Un átomo está constituido por un núcleo central muy denso, que contiene protones
y neutrones, y por electrones que se mueven alrededor del núcleo a una distancia
relativamente grande.
Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, que se
denomina número atómico y se representa por Z.
Historia del átomo
El primero en proponer la existencia de pequeñas partículas
invisibles fue Mosco de Sidón con la colaboración de Estrabón y
al filosofo sexto Empírico. Mosco de Sidón ya hablaba de
diminutas partículas indivisibles desde antes de la Guerra de
Troya.
A Leucipo Se le atribuye la fundación del atomismo al poner "en tela
de juicio la suposición aparentemente natural que afirma que cualquier
trozo de materia, por muy pequeño que sea, siempre puede dividirse
en otros trozos aún más pequeños".
Demócrito era un discípulo de Leucipo, desarrollo el atomismo como
doctrina filosófica, afirmando que la realidad esta construida tanto por
átomos como por el vacío, Se le ha considerado como «el padre de la
física» o el padre de la ciencia moderna.
Pero la filosofía occidental no fue la única que exploró estos
pensamientos. Así conocemos a Kanada, sobrenombre que
significa “comedor de partículas” pues dicen, que fue
desmenuzando su comida en partes cada vez más pequeñas,
cuando se le ocurrió que debía haber un límite. Sostenía que todo
lo que existe esta formado por partículas mínimas de tierra, agua,
fuego y aire, excepto el tiempo, el espacio, el éter, el espíritu y el alma.

4. 3
Entramos en una era de ciencia experimental, donde las hipótesis se ponen a
prueba con datos extraídos de la realidad. Dalton, que conocía el comportamiento
de los gases, vio que las ideas de Demócrito encajaban con sus estudios y
presentó el primer modelo científico del átomo. Para el los átomos eran pequeñas
bolas duras, macizas e invisibles de carga neutra.
Luego, a finales del siglo XIX, Thomson descubría el electrón abriendo la veda a nuevas
propuestas atómicas. El modelo cúbico representó un paso importante hacia el
entendimiento del enlace químico. Representa al átomo como un cubo, con los electrones
colocados en cada uno de los vértices. Introdujo el concepto de enlace covalente.
Fue una época llena de descubrimientos, entre ellos, el fenómeno de radiactividad o los
espectros de emisión de luz de los elementos. Todo esto debía encajar y el físico japonés
Hantaro Nagaoka lo intentó con una propuesta que se parecía al sistema de Saturno.
Propuso un modelo atómico con partículas negativas orbitando en anillos alrededor de una
gran masa central positiva.

5. 4
a raíz de los experimentos con rayos catódicos de Thomson, se da forma a su peculiar
modelo años después. Por aquel entonces aún se refería a los electrones como corpúsculos
de carga de negativa. Plantea el modelo coo una esfera de carga positiva, semejante a una
masa de pudin con pasas pequeñas de cargas negativas distribuidas en el interior.
Perrin demostró que las cargas negativas de los rayos catódicos se transferían al “exterior”
del átomo y de ahí nace su modelo planetario con carga positiva central. Sugirió que la
carga positiva estaba en el centro del átomo y que las cargas negativas son externas a
dicho núcleo, como en un sistema planetario.
Poco después Rutherford haría chocar partículas alfa contra una fina lámina de
oro. Comprobó que algunas de estas partículas se desviaban, incluso en sentido
opuesto, lo que significaba que debían estar chocando contra un núcleo de carga
positiva y que el resto del átomo estaba casi vacío. Esta visión del átomo se ha
instalado en la cultura popular como una abstracción lo bastante buena para ayudar
a entender sus partes fundamentales pero insuficiente para explicar las
interacciones químicas o fenómenos de naturaleza cuántica. Rutherford demostró
que el átomo debía tener un núcleo de carga positiva que concentraba casi toda la
masa. Los electrones de carga negativa, giran a su alrededor.

6. 5
Partiendo del modelo de Rutherford, Bohr dispuso los electrones en órbitas
circulares ordenadas por niveles de energía. Las limitaciones del modelo dieron pie
al desarrollo de la Mecánica Cuántica, pero por su sencillez aún se utiliza para
comprender la teoría atómica. Bohr planteo que los electrones debían tener orbitas
circulares estables alrededor del núcleo, a distintos niveles energéticos, para
explicar los espectros de emisión del átomo.
Sommerfeld vio que el modelo de Bohr era incompleto, propuso que los electrones también
seguían orbitas elípticas y que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles de
energía, concluyó que debía haber subniveles dentro de un mismo nivel energético.
Además, aplicó un enfoque relativista en sus estudios puesto que los electrones pueden
alcanzar velocidades cercanas a la de la luz.
Schrödinger describió el comportamiento ondulatorio del electrón, sin posición definida
dentro del átomo en una zona de probabilidad, los orbitales atómicos. Su ecuación para la
función de onda es una de las más famosas de la física. Para este punto ya no se utilizan
orbitas, sino orbitales, que dan la probabilidad de ubicación del electrón como partícula y
onda a la vez. Se le considera a este como un modelo “cuántico no relativista”.

7. 6
Con los experimentos de James Chadwick se observaron energías muy superiores
de las que cabría esperar en ciertas colisiones radioactivas, encontrando el neutrón,
partícula predicha por Rutherford en 1920. Gracias a esto el retrato del átomo se
completaba. Con su aportación a la física, el núcleo de los átomos pasa a tener
protones y neutrones.
Llegamos al modelo final nacido en 1928 con la ecuación de Dirac, una versión
relativista de la de Schrödinger; y con la aportación de Jordan, introduciendo el
espín, el modelo Dirac-Jordan incorpora correcciones relativistas al modelo de
Schrödinger y tiene en cuenta otras interacciones y propiedades cuánticas como el
spin. Ahora sabemos que neutrones y protones están conformados a su vez de
quarks y que estos pueden interactuar con las partículas virtuales del vacío.

8. 7
Modelo de Dalton.
Toda la materia esta hecha de átomos que a su vez son indivisibles e
indestructibles, todos los átomos de un mismo elemento son idénticos y los que son
de diferentes elementos varían en masa y propiedades. Los compuestos están
formados por una combinación de dos o mas tipos diferentes de átomos, tienen los
mismos tipos de átomos y en las mismas proporciones.
Adicionalmente a estos principios básicos, Dalton propuso que los átomos de dos
elementos que interactúan entre sí para formar moléculas, obedecen la Ley de
Conservación de la Masa. Lo que significa que el número y las clases de átomos
que contienen las moléculas son iguales al número y tipo de átomos de los
productos usados en la reacción química.
Una conclusión de pensar que los átomos eran las partículas mas pequeñas de la
materia fue visualizarlos como esferas sólidas y duras por lo que muchas de sus
presentaciones las hizo con modelos hechos con bolas de madera,
Dalton pensaba que los átomos de todos los elementos permanecían individuales
por lo que no pudo percatarse que en algunos elementos los átomos existen en
moléculas, como por ejemplo el oxígeno puro que existe como O2, También pensó
erróneamente que el compuesto más simple entre dos elementos es siempre un
átomo de cada uno.

9. 8
Experimentos que condujeron al descubrimiento del electrón.
Los experimentos de J.J. Thomson con tubos de rayos catódicos mostraron
que todos los átomos contienen pequeñas partículas subatómicas con carga
negativa, llamadas electrones.
Thomson comenzó a experimentar con tubos de rayos catódicos. Los tubos de
rayos catódicos son tubos de vidrio sellados en los que se ha extraído la mayor
parte del aire. Al aplicar un alto voltaje entre los electrodos, que se encuentran uno
a cada lado del tubo, un rayo de partículas fluye del cátodo al ánodo. Los tubos se
llaman "tubos de rayos catódicos" porque el rayo de partículas o "rayo catódico" se
origina en el cátodo. El rayo puede ser detectado al pintar el extremo del tubo
correspondiente al ánodo con un material conocido como fósforo. Cuando el rayo
catódico lo impacta, el fósforo produce una chispa o emite luz.
Para verificar las propiedades de las partículas, Thomson colocó el tubo de rayos
catódicos entre dos placas con cargas opuestas, y observó que el rayo se desviaba,
alejándose de la placa cargada negativamente y acercándose a la placa cargada
positivamente. De este hecho infirió que el rayo estaba compuesto de partículas
negativamente cargadas.
De esta evidencia se concluyo que Las partículas deben existir como partes del
átomo, pues la masa de cada partícula es tan solo 1/2000 de la masa de un átomo
de hidrógeno y que las partículas subatómicas se encuentran dentro de los átomos
de todos los elementos.

10. 9
Modelo de Thompson. Inconvenientes.
El modelo atómico de Thomson no pudo explicar cómo se mantiene la carga en los
electrones dentro del átomo. Tampoco pudo explicar la estabilidad de un átomo. La
teoría no mencionó nada sobre el núcleo del átomo.
Los protones y los neutrones aún no eran descubiertos y Thomson un científico
serio se basó principalmente en crear una explicación con los elementos
científicamente probados en la época. Fue rápidamente descartado por los
experimentos de la lámina de oro. En este experimento se demostró que debería
existir algo dentro del átomo con una fuerte carga positiva y mayor masa, el núcleo.
Descubrimiento del protón.
Quien descubrió el protón fue el químico y físico británico Ernest
Rutherford, después de experimentar con gas nitrógeno y detectar
signos de lo que parecían ser núcleos de hidrógeno, Rutherford
concluyó que probablemente esos núcleos se tratasen de partículas
elementales.
A partir de los años setenta la evidencia científica demostró que el protón estaba
constituido por otras partículas más pequeñas llamadas hadrones y mesones, que
son, en realidad, las verdaderas partículas elementales ya que, hasta ahora, no hay
evidencia de que puedan dividirse aún más o que contengan otras estructuras en
su interior.

11. 10
Experimento de Rutherford.
El experimento consistió con una lamina de oro, se le aplican partículas y muchas
de ellas se desvían, incluso salen rebotadas en sentido opuesto. La pantalla de
sulfuro de zinc revela el resultado dando una señal luminosa, tanto como si al
disparar un cañón sobre una hoja de papel distante, la bala rebotara y volviera hacia
el cañón.
Este experimento demostró que los átomos son un espacio prácticamente vacío, a
excepción de un pequeño núcleo central, cargado positivamente, que es el que
provoca que alguna de las partículas alfa positivas se desvíe o rebote.
Modelo de Rutherford. Inconvenientes.
No era perfecto ni completo, de hecho, de acuerdo a las leyes
de Newton era algo imposible y tampoco explicaba un aspecto
importante de las leyes de Maxwell. Este modelo no pudo
explicar cómo se mantenían unidas un grupo de cargas
positivas en el núcleo. Según la teoría eléctrica, las cargas
positivas se deberían repeler. Sin embargo, el núcleo era la
unión de varios Protones.
Las leyes fundamentales de la electrodinámica también fueron un problema para
este modelo atomico, ya que al considerar que los electrones con carga negativa
giran alrededor del núcleo, según las leyes de Maxwell, deberían emitir radiación
electromagnética. Esta radiación consumiría energía que haría que los electrones
colapsaran con el núcleo. Por lo tanto, no podía explicar la estabilidad del átomo.

12. 11
Descubrimiento del neutrón.
A partir de 1920 se realizaron varios experimentos que intentaron comprobar las
sugerencias de Rutherford, hasta que, en 1932, Chadwick logró verificar la
presencia de estas partículas sin carga en y del mismo tamaño de un protón, del
cual ya se tenía conocimiento.
Antes de ser descubierto el neutrón, se creía que un núcleo de número de masa A
y carga Z veces la del protón, estaba formada por A protones y A-Z electrones. Pero
existen varias razones por las que un núcleo no puede contener electrones. Un
electrón solamente podría encerrarse en un espacio de las dimensiones de un
núcleo atómico (10-12 cm) si fuese atraído por el núcleo mediante una fuerza
electromagnética muy fuerte e intensa; sin embargo, un campo electromagnético
tan potente no puede existir en el núcleo porque llevaría a la producción espontánea
de pares de electrones negativos y positivos.
En 1932 Chadwick, realizó una serie de
experimentos de los que obtuvo unos resultados
que no concordaban con los que predecían las
fórmulas físicas: la energía producida por la
radiación era muy superior y en los choques no se
conservaba el momento. Para explicar tales
resultados, era necesario optar por una de las
siguientes hipótesis: o bien se aceptaba la no
conservación del momento en las colisiones o se afirmaba la naturaleza corpuscular
de la radiación. Como la primera hipótesis contradecía las leyes de la Física, se
prefirió la segunda. los resultados obtenidos quedaban explicados pero era
necesario aceptar que las partículas que formaban la radiación no tenían carga
eléctrica. Tales partículas tenían una masa muy semejante a la del protón, pero sin
carga eléctrica, por lo que se pensó que eran el resultado de la unión de un protón
y un electrón formando una especie de dipolo eléctrico.
Este descubrimiento haría posible el descubrimiento de la fisión atómica.

13. 12
Características generales de los espectros atómicos.
Cuando se irradia la materia con radiación electromagnética, la materia puede
absorber, y posteriormente emitir, ciertas longitudes de onda, o frecuencias, en
relación con su estructura interna. Cuando los cuerpos sólidos, líquidos o gases a
alta presión son excitados convenientemente por medio de calor o electricidad, se
observan sus colores característicos. Estos colores constituyen un todo continuo, lo
que se traduce en el color rojo de la resistencia de un calentador o en el blanco
característico de una bombilla.
Esto sucede porque existen muchos átomos excitados que emiten ondas de luz
cuyas coloraciones parciales se solapan produciendo un espejismo luminoso de
continuidad.
Dependiendo del gas utilizado esta marcara una “huella digital” si se le pone con un
prisma a separar las barras de colores propias del gas reflejadas o absorbidas por
el mismo, dando así el resultado de la interacción del gas con la luz y produciendo
ondas propias que reflejan el color característico de cada gas.

14. 13
Modelo de Bohr. Éxitos e inconvenientes.
En el modelo de Rutherford, lo electrones
en movimiento con carga eléctrica
negativa deberían emitir radiación
electromagnética de acuerdo a las leyes
de Electromagnetismo, lo que haría que
esa pérdida de energía hiciera que los
electrones redujeran su órbita
moviéndose en espiral hacia el centro
hasta colapsar con el núcleo.
El modelo de Bohr resolvió esta
problemática indicando que los
electrones orbitan alrededor del núcleo,
pero en ciertas orbitas permitidas con una energía específica proporcional a la
constante de Planck. Este modelo de niveles de energía, significaba que los
electrones solo pueden ganar o perder energía saltando de una órbita permitida a
otra y al ocurrir esto, absorbería o emitiría radiación electromagnética en el proceso.
En este modelo las partículas con carga positiva se encuentran en un volumen muy
pequeño comparado con el tamaño del átomo y contienen la mayor parte de la masa
del átomo. El modelo de Bohr fue el primero en introducir el concepto de
cuantización lo que lo ubica como un modelo entre la mecánica clásica y la
mecánica cuántica.
El problema con este modelo es que el modelo no da ninguna razón por la cual los
electrones se limitan únicamente a órbitas específicas.
El modelo atómico de Bohr era capaz de modelar el comportamiento de los
electrones en átomos de hidrógeno, pero no era tan exacto cuando se trataba de
elementos con mayor cantidad de electrones, tenía conflictos para explicar el
efecto Zeeman. Este efecto que se observa cuando las líneas espectrales se
dividen en dos o más en presencia de un campo magnético externo y estático.

15. 14
Modelo mecano cuántico. Orbitales y números cuánticos.
Los orbitales presentan formas y tamaños diversos (ver tabla), dependiendo de la
atracción existente entre los electrones y el núcleo y de la repulsión que se ejercen
los orbitales entre sí por tener cargas de igual signo.

16. 15
La solución de la ecuación de onda de Schrödinger da origen a cuatro tipos de
valores llamados números cuánticos. Estos números proporcionan una mejor
característica de los electrones.
- Número cuántico principal o nivel de energía (n)
- Número cuántico secundario u orbital (ℓ)
- Número cuántico magnético (m)
- Número cuántico espín (s).
N= Especifica el nivel energético del orbital, siendo el primer nivel el de menor
energía, y se relaciona con la distancia promedio que hay del electrón al núcleo en
un determinado orbital.
ℓ= También es conocido como el número cuántico del momento angular orbital o
número cuántico azimutal.
M= Número cuántico magnético, representa la orientación de los orbitales en el
espacio, o el tipo de orbital, dentro de un orbital especifico. Asume valores del
número cuántico secundario negativo (-l) pasando por cero, hasta el número
cuántico positivo (+l).
S= Número cuántico de spin, que describe la orientación del giro del electrón. Este
número tiene en cuenta la rotación del electrón alrededor de su propio eje a medida
que se mueve rodeando al núcleo. Asume únicamente dos valores +1/2 y -

17. 16
Conclusión
Podemos decir entonces que el modelo atómico ah pasado por la mente y
contribución de muchos físicos para poder acercarse a un modelado mas preciso y
que pueda sostener todas las leyes de la física y sustentar el estudio de la misma
para poder seguir haciendo descubrimientos en el campo, a pesar de que la idea
nació desde la antigua Grecia se consolido hasta la época de la física moderna es
donde se le dio su forma mas adaptable.
Vimos también que no solo es el hecho de ver que forma tiene el átomo o podría
tener, ya que este nunca tiene una forma fija, sino de que también se tiene que
tomar en cuenta la interacción de los protones y neutrones que contiene este mismo
para que pueda estabilizarse y cumplir con los criterios para que se considere un
modelo “aceptable” ya que también tenemos varias interacciones como el “spin” y
la llamada “energía nuclear fuerte” las cuales establecen el orden de la materia y
permiten que todo lo que existe hoy sea posible.
Fue necesaria la contribución de generaciones de físicos para poder llegar al
entendimiento y dominio del tema.

18. 17
Bibliografía
-Anónimo (---) de cáncer, Tema “átomo”, sitio web:
https://www.cancer.gov/espanol/publicaciones/diccionario/def/atomo
-Oriol Planas (14 de marzo de 2019) de Energía nuclear, Tema “estructura del
átomo”, sitio web: https://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-
nuclear/atomo/estructura#:~:text=Un%20%C3%A1tomo%20est%C3%A1%20const
ituido%20por,y%20se%20representa%20por%20Z.
-Carlos Pazos (---) de molasaber, Tema “El átomo a lo largo de la historia”, sitio web:
https://molasaber.org/2020/06/09/el-atomo-a-lo-largo-de-la-historia/
-Anónimo (---) de geoenciclopedia, Tema “Modelo atómico de Dalton”, sitio web:
https://www.geoenciclopedia.com/modelo-atomico-de-dalton/
-Anónimo (---) de Khan academy, Tema “descubrimiento del electrón y del núcleo”,
sitio web: https://es.khanacademy.org/science/ap-chemistry/electronic-structure-of-
atoms-ap/history-of-atomic-structure-ap/a/discovery-of-the-electron-and-
nucleus#:~:text=Los%20experimentos%20de%20J.J.,con%20carga%20negativa%
2C%20llamadas%20electrones.
-Anónimo (---) de geoenciclopedia, Tema “Modelo atómico de Thomson”, sitio web:
https://www.geoenciclopedia.com/modelo-atomico-de-thomson/
-Protón". En: Significados.com. Disponible
en: https://www.significados.com/proton/ Consultado: 30 de noviembre de 2020,
12:03 pm
-Anónimo (---) de qorganica, Tema “El experimento de Rutherford”, sitio web:
http://www.qorganica.es/QOT/T0/historia_atomo_exported/l114.htm
-Anónimo (---) de geoenciclopedia, Tema “Modelo atómico de Rutherford”, sitio web:
https://www.geoenciclopedia.com/modelo-atomico-de-rutherford/
-Jose Varela (29 Feb 2016) de Ciencia y tecnología, Tema “El descubrimiento del
neutrón; Chadwick.” Sitio web:

19. 18
https://ahombrosdegigantescienciaytecnologia.wordpress.com/2016/02/29/el-
descubrimiento-del-neutron-chadwick/
-Anónimo (---) de iesbinef, Tema “Espectros atómicos”, sitio web:
http://iesbinef.educa.aragon.es/fiqui/Matomicos/espectros/espectros.htm
-Anónimo (---) de Geoenciclopedia, Tema “Modelo Atómico de Bohr”, sitio web:
https://www.geoenciclopedia.com/modelo-atomico-de-bohr/
-Anónimo (---) de rsefalicante, Tema “MODELO MECANO-CUÁNTICO DEL
ÁTOMO I”, sitio web: http://rsefalicante.umh.es/TemasAtomo/Atomo11.htm
-Anónimo (---) de quimicas, Tema “Orbitales”, sitio web:
https://www.quimicas.net/2019/09/orbital-s.html
-Anónimo (---) de apuntesquimica, Tema “Numeros cuanticos”, sitio web:
https://apuntesquimica.weebly.com/nuacutemeros-cuaacutenticos.html