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El descubrimiento del electrón y del núcleo

El experimento de los rayos catódicos de Thomson y el experimento de la lámina de oro de Rutherford.

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Puntos más importantes

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.

El modelo del budín de pasas de Thomson para el átomo consiste en electrones con carga negativa ("pasas") dentro de un "budín" con carga positiva.

El experimento de la lámina de oro de Rutherford mostró que el átomo es en su mayoría espacio vacío con un pequeño y denso núcleo con carga positiva.

Basado en estos resultados, Rutherford propuso el modelo nuclear del átomo.

Introducción: continuar a partir de la teoría atómica de Dalton

En un artículo previo sobre la teoría atómica de Dalton, discutimos los siguientes postulados:

Toda la materia está hecha de partículas indivisibles llamadas átomos, que no pueden crearse ni destruirse.

Los átomos del mismo elemento tienen idénticas masas y propiedades físicas.

Los compuestos son combinaciones de átomos de 222 o más elementos.

Todas las reacciones químicas involucran el reordenamiento de átomos.

Las ideas de Dalton resultaron ser fundamentales para la teoría atómica moderna. Sin embargo, una de estas suposiciones subyacentes resultó ser incorrecta. Dalton pensó que los átomos eran las unidades más pequeñas de la materia -−minuspequeñas esferas duras que no podían dividirse en partículas más fundamentales—. Esta suposición persistió hasta que experimentos en física mostraron que el átomo estaba compuesto de partículas aún más pequeñas. En este artículo, discutiremos algunos de los experimentos clave que nos llevaron al descubrimiento del electrón y del núcleo.

El descubrimiento del electrón por J.J. Thomson

A finales del siglo ^{\text{}}

start superscript, start text, end text, end superscriptXIX, el físico J.J. 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 (el electrodo negativamente cargado) al ánodo (el electrodo positivamente cargado). 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.

Un diagrama de un tubo de rayos catódicos.

Un diagrama de un tubo de rayos catódicos.

Un diagrama del tubo de rayos catódicos de J.J. Thomson. El rayo se origina en el cátodo y pasa a través de una rendija en el ánodo. El rayo catódico se desvía de la placa cargada negativamente, hacia la placa cargada positivamente. La cantidad por la cual un campo magnético desvía el rayo ayudó a Thomson a determinar la razón entre la masa y carga de las partículas que lo conforman. Imagen tomada de Openstax, CC BY 4.0

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.

Thomson también colocó dos imanes a cada lado del tubo, y observó que el campo magnético también desviaba el rayo catódico. Los resultados de este experimento ayudaron a Thomson a determinar la razón masa a carga de las partículas del rayo catódico, que lo llevó a un descubrimiento fascinante -−minusla masa de cada partícula era mucho, mucho menor que la de todo átomo conocido—. Thomson repitió su experimento con electrodos hechos de diferentes metales, y encontró que las propiedades del rayo catódico permanecían constantes, sin importar el material del cual se originaban. De esta evidencia, Thomson concluyó lo siguiente:

El rayo catódico está compuesto de partículas negativamente cargadas.

Las partículas deben existir como partes del átomo, pues la masa de cada partícula es tan solo \sim∼\sim\dfrac{1}{2000}

2000

1

start fraction, 1, divided by, 2000, end fraction de la masa de un átomo de hidrógeno.

Estas partículas subatómicas se encuentran dentro de los átomos de todos los elementos.

Mientras que al principio fueron controversiales, los científicos gradualmente aceptaron los descubrimientos de Thomson. Con el tiempo, sus partículas de rayo catódico adquirieron un nombre más familiar: electrones. El descubrimiento de los electrones refutó parte de la teoría atómica de Dalton, que suponía que los átomos eran indivisibles. Para explicar la existencia de los electrones se necesitaba un modelo atómico completamente nuevo.

Verificación de conceptos: ¿por qué Thomson concluyó que los electrones estaban presentes en los átomos de todos los elementos?

[Mostrar respuesta]

El modelo del budín de pasas

Thomson sabía que los átomos tenían una carga total neutra. Por lo tanto, razonó que debía haber una fuente de carga positiva dentro del átomo que balanceara la carga negativa de los electrones. Esto llevó a Thomson a proponer que los átomos podían describirse como cargas negativas flotando en una sopa de carga positiva difusa. A menudo llamamos modelo de budín de pasas del átomo a este modelo, debido al hecho de que su descripción es muy similar a un budín de pasas, un postre inglés muy popular (observa la imagen a continuación).

El modelo del budín de pasas del átomo a la derecha y una fotografía de un budín de pasas a la izquierda.

El modelo del budín de pasas del átomo a la derecha y una fotografía de un budín de pasas a la izquierda.

El modelo del budín de pasas representa los electrones como partículas cargadas negativamente dentro de un mar de carga positiva. La estructura del átomo de Thomson es análoga a un budín de pasas, un postre inglés (a la izquierda). Imagen tomada de Openstax, CC BY 4.0

Dado lo que ahora sabemos de la estructura real de los átomos, este modelo puede sonar un poco descabellado. Afortunadamente, los científicos continuaron investigando la estructura del átomo, y pusieron a prueba la validez del modelo del budín de pasas de Thomson.

Verificación de conceptos: Thomson propuso un modelo atómico donde distintas cargas negativas flotaban dentro de un "mar" de carga positiva. ¿Puedes pensar en otro modelo del átomo que explique los resultados experimentales de Thomson?

[Mostrar respuesta]

Ernest Rutherford y el experimento de la lámina de oro

El siguiente experimento revolucionario en la historia del átomo lo realizó Ernest Rutherford, un físico neozelandés que pasó gran parte de su carrera en Inglaterra y Canadá. En su famoso experimento de la lámina de oro, Rutherford disparó un rayo delgado de partículas \alphaαalpha (se pronuncia partículas alfa) a una fina lámina de oro puro. Las partículas alfa son núcleos de \_2^4\text{He}^{2+}

2

4

He

2+

start subscript, 2, end subscript, start superscript, 4, end superscript, start text, H, e, end text, start superscript, 2, plus, end superscript, y se emiten durante diversos procesos de decaimiento radiactivo. En este caso, Rutherford colocó una muestra de radio (un metal radiactivo) dentro de una caja de plomo con un pequeño agujero. La mayoría de la radiación era absorbida por el plomo, pero un rayo delgado de partículas \alphaαalpha era capaz de escapar del agujero en la dirección de la lámina de oro. La lámina estaba rodeada de una pantalla detectora que destellaba cuando una partícula \alphaαalpha la golpeaba.

[¿Por qué la lámina era de oro? ¿Acaso no pudo ahorrarse dinero y usar níquel?]

El aparato que usó Rutherford para su experimento de la lámina de oro.

El aparato que usó Rutherford para su experimento de la lámina de oro.

En el experimento de la lámina de oro de Rutherford, este disparó un rayo de partículas \alphaαalpha a una fina lámina de oro. La mayoría de las partículas \alphaαalpha atravesaron la lámina sin ser perturbadas, pero un pequeño número se desvió ligeramente, y un número aún más pequeño se desvió más de 90^{\circ}90

∘

90, degrees en su trayectoria. Imagen tomada de Openstax, CC BY 4.0

Basado en el modelo del budín de pasas de Thomson, Rutherford predijo que la mayoría de las partículas \alphaαalpha atravesarían la lámina de oro sin ser perturbadas. Esto es porque suponía que la carga positiva en el modelo del budín de pasas estaba repartida alrededor del volumen completo del átomo. Por lo tanto, el campo eléctrico de la "sopa" cargada positivamente sería muy débil para afectar significativamente la trayectoria de las partículas \alphaαalpha, que eran relativamente masivas y veloces.

Sin embargo, los resultados del experimento fueron sorprendentes. Mientras que la mayoría de las partículas \alphaαalpha atravesaron la lámina sin ser perturbadas, unas pocas (alrededor de 111 en 202020,000000000 partículas \alphaαalpha) se desviaron ¡más de 90^{\circ}90

∘

90, degrees en su trayectoria! Rutherford mismo describió sus resultados con la siguiente analogía: "Fue el evento más increíble que me ha ocurrido en la vida. Fue casi tan increíble como si dispararas una bala de 151515 \text{pulgadas}pulgadasstart text, p, u, l, g, a, d, a, s, end text a un pañuelo de papel y esta regresara y te golpeara".

Los resultados esperados del experimento de la lámina de oro de Rutherford de acuerdo con el modelo de Thomson (a la izquierda) y los resultados obtenidos (a la derecha)

Los resultados esperados del experimento de la lámina de oro de Rutherford de acuerdo con el modelo de Thomson (a la izquierda) y los resultados obtenidos (a la derecha)

Basado en el modelo del budín de pasas del átomo, suponía que no había nada lo suficientemente denso o duro dentro de los átomos de oro para desviar las masivas partículas \alphaαalpha de sus trayectorias (mira la imagen izquierda). Sin embargo, lo que Rutherford de hecho observó no coincidía con su predicción (mira la imagen derecha) ¡Se necesitaba un nuevo modelo atómico!

El modelo nuclear del átomo

Basado en sus resultados experimentales, Rutherford formuló las siguientes conclusiones sobre la estructura del átomo:

La carga positiva debe estar localizada en un volumen muy pequeño del átomo, que también debe contener la mayoría de la masa del mismo. Esto explicaba cómo una pequeña fracción de partículas \alphaαalpha eran desviadas de manera drástica, presumiblemente a causa de las colisiones esporádicas con los núcleos del oro.

Ya que la mayoría de las partículas \alphaαalpha atravesaban la lámina de oro sin ser perturbadas, ¡el átomo debía estar conformado en su mayoría por espacio vacío!

Dibujo de electrones rojos orbitando alrededor de una esfera negra que representa al núcleo.

Dibujo de electrones rojos orbitando alrededor de una esfera negra que representa al núcleo.

El modelo nuclear del átomo. Imagen del átomo de Rutherford tomado de Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0

Estas conclusiones llevaron a Rutherford a proponer el modelo nuclear, en el cual un átomo consiste de un pequeño núcleo positivamente cargado, rodeado por electrones cargados negativamente. Basado en el número de partículas \alphaαalpha desviadas en su experimento, Rutherford calculó que el núcleo ocupaba una pequeña fracción del volumen del átomo.

El modelo nuclear explicaba los resultados del experimento de Rutherford, pero también planteaba algunas preguntas. Por ejemplo, ¿qué hacían los electrones dentro del átomo? Ya que las cargas opuestas se atraen, ¿cómo hacían los electrones para evitar colapsar al núcleo? Afortunadamente, ¡la ciencia estaba lista para el desafío! Físicos como Niels Bohr continuaron diseñando experimentos para poner a prueba el modelo nuclear del átomo, que eventualmente evolucionó en el modelo mecánico cuántico moderno.

Resumen

Los experimentos de J.J. Thomson con tubos de rayos catódicos mostraron que todos los átomos contienen pequeñas partículas subatómicas negativamente cargadas llamadas electrones.

Thomson propuso el modelo del budín de pasas del átomo, en el que los electrones negativamente cargados se encuentran incrustados en una "sopa" positivamente cargada.

El experimento de la lámina de oro de Rutherford mostró que los átomos son mayoritariamente espacio vacío, junto con un pequeño y denso núcleo positivamente cargado.

Basado en estos resultados, Rutherford propuso el modelo nuclear del átomo.

https://es.khanacademy.org/science/ap-chemistry/electronic-structure-of-atoms-ap/history-of-atomic-structure-ap/a/discovery-of-the-electron-and-nucleus