Modelos atómicos, de Dalton al núcleo

¿En qué se distinguen los modelos del átomo?

La idea de una partícula que ya no se parte es vieja. En el siglo V antes de nuestra era, Leucipo y Demócrito llamaron átomos a partículas finitas, con forma y tamaño, que podían unirse. Aristóteles, en cambio, armó la materia con fuego, tierra, aire y agua, y la consideró divisible sin límite. Esas propuestas no se pusieron a prueba con experimentos. ¹

John Dalton publicó en 1807 una teoría atómica que sí se usa para leer los cambios químicos. Sus postulados son estos. ¹

1. La materia está hecha de partículas muy pequeñas llamadas átomos. El átomo es la unidad más pequeña de un elemento que participa en un cambio químico.
2. Un elemento tiene un solo tipo de átomo, con una masa característica, igual para todos los átomos de ese elemento. Una muestra visible contiene muchísimos átomos con las mismas propiedades químicas.
3. Los átomos de un elemento difieren en propiedades de los de cualquier otro elemento.
4. Un compuesto junta átomos de dos o más elementos en una proporción pequeña de enteros. En ese compuesto, la proporción se mantiene.
5. En un cambio químico los átomos no se crean ni se destruyen: se reordenan y aparecen sustancias distintas.

Ideas clave

• Dalton: un elemento, un tipo de átomo. Un compuesto, enteros en proporción fija. En la reacción, los átomos se reacomodan. ¹
• La ley de las proporciones definidas dice que toda muestra pura de un compuesto trae los mismos elementos en la misma proporción de masa. La de las proporciones múltiples compara dos compuestos de los mismos elementos: las masas guardan una razón de enteros pequeños. ¹
• El tubo de rayos catódicos mostró partículas negativas, más ligeras que el átomo e iguales vinieran del metal que vinieran. Son los electrones. ²
• El modelo de pudín de pasas reparte la carga positiva y embebe los electrones. El de la lámina de oro concentra la masa y la carga positiva en un núcleo pequeño. ²
• El protón es el núcleo de hidrógeno, positivo, dentro del núcleo. El neutrón, hallado en 1932, no tiene carga y explica el resto de la masa. ²
• Cómo se acomodan los electrones alrededor de ese núcleo se lee en la configuración electrónica, no en una órbita dibujada a mano. ²

Si un elemento fuera un solo tipo de átomo, no se descompone en sustancias con menos tipos de átomos. Y si los átomos no aparecen ni desaparecen, la masa total se conserva en el cambio. Eso es la lectura microscópica de la conservación de la materia. ¹

Joseph Proust mostró que todas las muestras de un compuesto puro contienen los mismos elementos en la misma proporción de masa. Es la ley de las proporciones definidas, o de composición constante. La idea de Dalton de una razón fija de átomos cuadra con esa ley. La recíproca no vale: dos sustancias pueden compartir la misma razón de masas y no ser el mismo compuesto. ¹

La ley de las proporciones múltiples habla de otro caso. Cuando dos elementos forman más de un compuesto, una masa fija de uno reacciona con masas del otro en una razón de enteros pequeños. Cobre y cloro forman un sólido verde y otro café. Por cada cantidad de cobre, el café lleva el doble de cloro que el verde. La teoría lo lee como un átomo de cobre con un cloro, frente a un átomo de cobre con dos cloros. ¹

A finales del siglo XIX el átomo dejó de verse como macizo. J. J. Thomson usó un tubo de vidrio casi sin aire y dos electrodos. Al aplicar alto voltaje aparece un rayo catódico. El rayo se desvía hacia la carga positiva y se aleja de la negativa, y sale igual si se cambian los metales de los electrodos. Con un campo magnético a la vez, Thomson calculó la razón carga entre masa: esas partículas pesan mucho menos que un átomo. Son negativas, están en todos los átomos y hoy se llaman electrones. George Stoney acuñó el nombre en 1891. ²

Robert Millikan, en 1909, midió la carga de gotas de aceite. La carga de cada gota es un múltiplo de $1.6 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}$. Esa cantidad es la carga de un electrón. Con la razón carga-masa de Thomson se obtiene también la masa del electrón. El átomo de Dalton, indivisible, ya no cerraba. ²

En 1904 Thomson propuso el pudín de pasas: una masa positiva con electrones negativos embebidos, en cantidades que se cancelan, porque el átomo es neutro. En 1903 Hantaro Nagaoka había propuesto otra imagen, una esfera positiva con un halo de electrones, parecida a Saturno. ²

Ernest Rutherford, con Hans Geiger y Ernest Marsden, lanzó partículas alfa, positivas y rápidas, contra una lámina muy delgada de oro. La mayoría cruzó sin desviarse. Algunas se desviaron un poco. Muy pocas regresaron casi de frente. Rutherford comparó ese rebote con disparar un proyectil contra papel de seda y verlo volver. ²

De ahí salen dos conclusiones. El volumen del átomo es, en su mayor parte, espacio vacío: si no, las alfa no pasarían. Y hay un cuerpo pequeño, pesado y positivo, el núcleo, en el centro. Las alfa solo se desvían cuando se acercan a ese núcleo. Los electrones, mucho más ligeros, no les cambian el rumbo. El modelo nuclear deja casi toda la masa en un núcleo positivo muy pequeño, rodeado de electrones, de modo que el átomo completo es neutro. ²

Rutherford identificó el núcleo de hidrógeno como pieza de otros núcleos y lo llamó protón. Los protones no cubren toda la masa. En 1932 James Chadwick halló el neutrón: sin carga, con masa cercana a la del protón. ²

Ejemplos resueltos

Un dibujo que destruye átomos

En un esquema, los reactivos son dos esferas verdes unidas y dos esferas moradas unidas. El producto es una sola pareja verde-morada. ¿Choca con Dalton?

1. Al empezar hay dos átomos verdes y dos morados. Al terminar hay uno y uno. ¹
2. El postulado 5 dice que los átomos se reordenan, no que desaparezcan.
3. El dibujo viola ese postulado: faltan átomos en el producto.
4. Un dibujo válido conserva el conteo de cada color y solo cambia quién está unido a quién.

Por qué el pudín no explica el rebote

Las partículas alfa son positivas. En el pudín de pasas la carga positiva está repartida en todo el átomo.

1. Una alfa que cruza una carga difusa no encuentra un centro capaz de devolverla. ²
2. En el experimento, casi todas pasan y unas pocas regresan. Hace falta un blanco pequeño y muy positivo.
3. Ese blanco es el núcleo. El resto del volumen no las desvía.
4. El modelo nuclear sustituye al pudín justo por esa evidencia, no por gusto.

Qué partícula completa la masa

El núcleo concentra casi toda la masa, y los protones solos no la explican.

1. Rutherford ya tenía el protón, positivo, como bloque del núcleo. ²
2. Faltaba masa sin carga nueva. Una partícula neutra es difícil de detectar.
3. Chadwick, en 1932, halló el neutrón, con masa parecida a la del protón y carga cero.
4. Dos átomos con los mismos protones y distintos neutrones son el mismo elemento y no pesan igual. Eso se desarrolla en isótopos y masa atómica.

Errores comunes

Decir que Dalton ya incluía electrones. Su átomo no se parte. El electrón es de Thomson y Millikan, un siglo después. ¹

Creer que la lámina de oro mostró que el átomo es macizo. El resultado mayoritario es el contrario: casi todo el haz pasa. El núcleo se infiere de las pocas que rebotan. ²

Confundir el pudín de pasas con el modelo nuclear. En el primero la positiva está extendida. En el segundo está en el núcleo y los electrones quedan fuera. ²

Atribuir el neutrón a Rutherford. Él nombró el protón. El neutrón es el resultado de Chadwick, en 1932. ²

Cómo lo pregunta el examen

Piden el modelo que corresponde a un experimento: rayo catódico y electrón, lámina de oro y núcleo, o conservación de átomos en una reacción. También preguntan qué postulado de Dalton rompe un dibujo en el que sobran o faltan esferas. Lee primero el dato experimental y después el nombre del modelo. Si el reactivo dice que la mayoría de las alfa rebotan, esa descripción no es la del experimento.

Resumen

• Dalton: átomos de un elemento iguales entre sí, compuestos en razón de enteros, y átomos que solo se reordenan. ¹
• Proust fija la proporción de masa de un compuesto. Dos compuestos de los mismos elementos comparan masas en enteros pequeños. ¹
• Thomson halló el electrón, negativo y más ligero que el átomo. Millikan midió su carga. ²
• El pudín reparte la carga positiva. La lámina de oro la concentra en un núcleo pequeño. ²
• Protón y neutrón están en el núcleo. El neutrón no tiene carga y completa la masa. ²