Learning Outcomes

  • esbozar hitos en el desarrollo de la teoría atómica moderna
  • resumir e interpretar los resultados de los experimentos de Thomson, Millikan y Rutherford
  • describir las tres partículas subatómicas que componen los átomos
  • Definir isótopos y dar ejemplos de varios elementos

en los dos siglos desde que Dalton desarrolló sus ideas, los científicos han hecho un progreso significativo en la promoción de nuestra comprensión de la teoría atómica., Gran parte de esto provino de los resultados de varios experimentos seminales que revelaron los detalles de la estructura interna de los átomos. Aquí, discutiremos algunos de esos desarrollos clave, con un énfasis en la aplicación del método científico, así como la comprensión de cómo se analizó la evidencia experimental. Si bien las personas históricas y las fechas detrás de estos experimentos pueden ser bastante interesantes, es más importante entender los conceptos resultantes de su trabajo.

Teoría Atómica después del siglo XIX

si la materia estaba compuesta de átomos, ¿de qué estaban compuestos los átomos?, ¿Eran las partículas más pequeñas, o había algo más pequeño? A finales de 1800, un número de científicos interesados en cuestiones como estas investigaron las descargas eléctricas que podrían producirse en gases de baja presión, con el descubrimiento más significativo hecho por el físico Inglés J. J. Thomson utilizando un tubo de rayos catódicos. Este aparato consistía en un tubo de vidrio sellado del que se había extraído casi todo el aire; el tubo contenía dos electrodos metálicos. Cuando se aplicó alto voltaje a través de los electrodos, un haz visible llamado rayo catódico apareció entre ellos., Este haz se desvió hacia la carga positiva y se alejó de la carga negativa, y se produjo de la misma manera con propiedades idénticas cuando se utilizaron diferentes metales para los electrodos. En experimentos similares, el rayo fue desviado simultáneamente por un campo magnético aplicado, y las mediciones de la extensión de la desviación y la fuerza del campo magnético permitieron a Thomson calcular la relación carga-masa de las partículas de rayos catódicos. Los resultados de estas mediciones indicaron que estas partículas eran mucho más ligeras que los átomos (Figura 1).,

la Figura 1. a) J. J. Thomson produjo un haz visible en un tubo de rayos catódicos. (b) Este es un tubo de rayos catódicos temprano, inventado en 1897 por Ferdinand Braun. (c) En el rayo catódico, el haz (mostrado en amarillo) proviene del cátodo y se acelera más allá del ánodo hacia una escala fluorescente en el extremo del tubo. Las deflexiones simultáneas por campos eléctricos y magnéticos aplicados permitieron a Thomson calcular la relación masa-Carga de las partículas que componen el rayo catódico., (crédito a: modificación del trabajo de la Fundación Nobel; crédito B: modificación del trabajo de Eugen Nesper; crédito c: modificación del trabajo de «Kurzon»/Wikimedia Commons)

basado en sus observaciones, esto es lo que Thomson propuso y por qué: las partículas son atraídas por cargas positivas (+) y repelidas por cargas negativas ( – ), por lo que deben ser cargadas negativamente (como las cargas repelen y a diferencia de las cargas atraen); son menos masivas que los átomos e indistinguibles, independientemente del material fuente, por lo que deben ser fundamentales, componentes subatómicos de todos los átomos., Aunque controvertida en ese momento, la idea de Thomson fue gradualmente aceptada, y su partícula de rayos catódicos es lo que ahora llamamos un electrón, una partícula subatómica cargada negativamente con una masa más de mil veces menor que la de un átomo. El término «electrón» fue acuñado en 1891 por el físico irlandés George Stoney, de «ion eléctrico».»

haga clic en este enlace a «JJ Thompson habla sobre el tamaño del electrón» para escuchar a Thomson describir su descubrimiento en su propia voz.

en 1909, el físico estadounidense Robert A. descubrió más información sobre el electrón., Millikan a través de sus experimentos de «gota de aceite». Millikan creó gotas microscópicas de aceite, que podían cargarse eléctricamente por fricción a medida que se formaban o mediante el uso de rayos X. Estas gotitas inicialmente cayeron debido a la gravedad, pero su progreso hacia abajo podría ser ralentizado o incluso revertido por un campo eléctrico más bajo en el aparato. Al ajustar la intensidad del campo eléctrico y realizar mediciones cuidadosas y cálculos apropiados, Millikan pudo determinar la carga en caídas individuales (Figura 2).

la Figura 2., El experimento de Millikan midió la carga de gotas de aceite individuales. Los datos tabulados son ejemplos de algunos valores posibles.

mirando los datos de carga que Millikan recopiló, es posible que haya reconocido que la carga de una gota de aceite es siempre un múltiplo de una carga específica, 1.6 × 10-19 C. Millikan concluyó que este valor debe ser, por lo tanto, una carga fundamental—la carga de un solo electrón-con sus cargas medidas debido a un exceso de un electrón (1 veces 1.6 × 10-19 C), dos electrones (2 veces 1.6 × 10-19 C), tres electrones (3 veces 1.,6 × 10-19 C), y así sucesivamente, en una gotita de aceite dada. Dado que la carga de un electrón era ahora conocida debido a la investigación de Millikan, y la relación carga-masa ya era conocida debido a la investigación de Thomson (1.759 × 1011 C / kg), solo se requería un cálculo simple para determinar la masa del electrón también.

\text{la Masa del electrón}=1.602\times {10}^{-19}\text{C}\times\frac{1\text{kg}}{1.759\times {10}^{11}\text{C}}=9.,107\times {10}^{-31} \ text{kg}

Los científicos habían establecido que el átomo no era indivisible como Dalton había creído, y debido al trabajo de Thomson, Millikan y otros, la carga y la masa de las partículas subatómicas negativas, los electrones, eran conocidos. Sin embargo, la parte cargada positivamente de un átomo aún no era bien entendida. En 1904, Thomson propuso el modelo de átomos «pudín de ciruela», que describía una masa cargada positivamente con una cantidad igual de carga negativa en forma de electrones incrustados en ella, ya que todos los átomos son eléctricamente neutros., Un modelo competidor había sido propuesto en 1903 por Hantaro Nagaoka, quien postuló un átomo similar a Saturno, consistente en una esfera cargada positivamente rodeada por un halo de electrones (Figura 3).

la Figura 3. (a) Thomson sugirió que los átomos se asemejaban al pudín de ciruela, un postre inglés que consiste en pastel húmedo con pasas incrustadas («ciruelas»). (B) Nagaoka propuso que los átomos se asemejaban al planeta Saturno, con un anillo de electrones rodeando un «planeta positivo».,»(crédito a: modificación del trabajo de»Man vyi «/Wikimedia Commons; crédito b: modificación del trabajo de»NASA» /Wikimedia Commons)

el siguiente desarrollo importante en la comprensión del átomo vino de Ernest Rutherford, un físico de Nueva Zelanda que pasó en gran parte su carrera científica en Canadá e Inglaterra., Realizó una serie de experimentos utilizando un haz de partículas alfa cargadas positivamente de alta velocidad (partículas α) que fueron producidas por la desintegración radiactiva del radio; las partículas α consisten en dos protones y dos neutrones (aprenderá más sobre la desintegración radiactiva en el módulo sobre Química nuclear)., Rutherford y sus colegas Hans Geiger (más tarde famoso por el contador Geiger) y Ernest Marsden apuntaron un haz de partículas α, cuya fuente estaba incrustada en un bloque de plomo para absorber la mayor parte de la radiación, a una pieza muy delgada de lámina de oro y examinaron la dispersión resultante de las partículas α usando una pantalla luminiscente que brillaba brevemente cuando era golpeada por una partícula α.

¿Qué descubrieron? La mayoría de las partículas pasaron directamente a través de la lámina sin ser desviadas en absoluto., Sin embargo, algunos se desviaron ligeramente, y un número muy pequeño se desviaron casi directamente hacia la fuente (Figura 4). Rutherford describió el hallazgo de estos resultados: «fue el evento más increíble que me haya sucedido en mi vida. Era casi tan increíble como si te despidieran de 15 pulgadas shell en un pedazo de papel de seda y se volvió y golpeó.»

la Figura 4., Geiger y Rutherford dispararon partículas α a un trozo de lámina de oro y detectaron dónde fueron esas partículas, como se muestra en este diagrama esquemático de su experimento. La mayoría de las partículas pasaron directamente a través de la lámina, pero algunas se desviaron ligeramente y un número muy pequeño se desviaron significativamente.

esto es lo que Rutherford dedujo: debido a que la mayoría de las partículas α que se mueven rápidamente pasaron a través de los átomos de oro sin ser filtradas, deben haber viajado a través del espacio esencialmente vacío dentro del átomo., Las partículas alfa están cargadas positivamente, por lo que las deflexiones surgieron cuando se encontraron con otra carga positiva (como las cargas se repelen entre sí). Dado que las cargas similares se repelen entre sí, las pocas partículas α cargadas positivamente que cambiaron de ruta abruptamente deben haber golpeado, o acercarse de cerca, a otro cuerpo que también tenía una carga positiva altamente concentrada. Dado que las deflexiones ocurrieron una pequeña fracción del tiempo, esta carga solo ocupó una pequeña cantidad del espacio en la lámina de oro., Analizando una serie de tales experimentos en detalle, Rutherford sacó dos conclusiones:

  1. El volumen ocupado por un átomo debe consistir en una gran cantidad de espacio vacío.
  2. Un cuerpo pequeño, relativamente pesado, cargado positivamente, el núcleo, debe estar en el Centro de cada átomo.
vea esta simulación del experimento Rutherford gold foil. Ajuste el ancho de la hendidura para producir un haz más estrecho o más amplio de partículas α para ver cómo eso afecta el patrón de dispersión.,

Este análisis llevó a Rutherford a proponer un modelo en el que un átomo consiste en un núcleo muy pequeño, cargado positivamente, en el que la mayor parte de la masa del átomo está concentrada, rodeada por los electrones cargados negativamente, de modo que el átomo es eléctricamente neutro (Figura 5). Después de muchos más experimentos, Rutherford también descubrió que los núcleos de otros elementos contienen el núcleo de hidrógeno como un «bloque de construcción», y llamó a esta partícula más fundamental el protón, la partícula subatómica cargada positivamente que se encuentra en el núcleo., Con una adición, que aprenderán a continuación, este modelo nuclear del átomo, propuesto hace más de un siglo, todavía se usa hoy.

la Figura 5. Las partículas α se desvían solo cuando chocan o pasan cerca del núcleo de oro mucho más pesado y cargado positivamente. Debido a que el núcleo es muy pequeño comparado con el tamaño de un átomo, muy pocas partículas α son desviadas. La mayoría pasa a través de la región relativamente grande ocupada por electrones, que son demasiado ligeros para desviar las partículas que se mueven rápidamente.,

la simulación de dispersión de Rutherford le permite investigar las diferencias entre un átomo de» pudín de ciruela » y un átomo de Rutherford disparando partículas α en cada tipo de átomo.

otro hallazgo importante fue el descubrimiento de isótopos. A principios de la década de 1900, los científicos identificaron varias sustancias que parecían ser elementos nuevos, aislándolas de minerales radiactivos. Por ejemplo, a un «nuevo elemento» producido por la desintegración radiactiva del torio se le dio inicialmente el nombre de mesotorio., Sin embargo, un análisis más detallado mostró que el mesotorio era químicamente idéntico al radio (otro producto de desintegración), a pesar de tener una masa atómica diferente. Este resultado, junto con hallazgos similares para otros elementos, llevó al químico Inglés Frederick Soddy a darse cuenta de que un elemento podía tener tipos de átomos con diferentes masas que eran químicamente indistinguibles. Estos diferentes tipos se llaman isótopos-átomos del mismo elemento que difieren en masa. Soddy fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1921 por este descubrimiento.,

quedó un rompecabezas: se sabía que el núcleo contenía casi toda la masa de un átomo, con el número de protones solo proporcionando la mitad, o menos, de esa masa. Se hicieron diferentes propuestas para explicar qué constituía la masa restante, incluida la existencia de partículas neutras en el núcleo. Como es de esperar, detectar partículas sin carga es muy difícil, y no fue hasta 1932 que James Chadwick encontró evidencia de neutrones, partículas subatómicas sin carga con una masa aproximadamente igual a la de los protones., La existencia de los neutrones también explica los isótopos: difieren en masa porque tienen diferentes números de neutrones, pero son químicamente idénticos porque tienen el mismo número de protones. Esto se explicará con más detalle más adelante.

conceptos clave y Resumen

aunque nadie ha visto realmente el interior de un átomo, los experimentos han demostrado mucho sobre la estructura atómica. El tubo de rayos catódicos de Thomson mostró que los átomos contienen pequeñas partículas cargadas negativamente llamadas electrones., Millikan descubrió que hay una carga eléctrica fundamental-la carga de un electrón. El experimento de la lámina de oro de Rutherford demostró que los átomos tienen un núcleo pequeño, denso y cargado positivamente; las partículas cargadas positivamente dentro del núcleo se llaman protones. Chadwick descubrió que el núcleo también contiene partículas neutras llamadas neutrones. Soddy demostró que los átomos del mismo elemento pueden diferir en masa; estos se llaman isótopos.

pruébelo

  1. La existencia de isótopos viola una de las ideas originales de la teoría atómica de Dalton. ¿Cuál?,
  2. ¿Cómo son similares los electrones y los protones? ¿En qué se diferencian?
  3. ¿Cómo son similares los protones y los neutrones? ¿En qué se diferencian?
  4. predecir y probar el comportamiento de las partículas α disparadas en un átomo modelo de «pudín de ciruela».
    1. predecir las trayectorias tomadas por las partículas α que se disparan a los átomos con una estructura modelo de pudín de ciruela de Thomson. Explica por qué esperas que las partículas α tomen estos caminos.,
    2. si las partículas α de mayor energía que las de (a) se disparan en átomos de pudín de ciruela, predice cómo sus trayectorias diferirán de las trayectorias de partículas α De menor energía. Explica tu razonamiento.
    3. Ahora prueba tus predicciones de (A) y (b). Abra la simulación de dispersión de Rutherford y seleccione la pestaña «átomo de pudín de ciruela». Establezca «energía de partículas alfa» en » min «y seleccione » Mostrar rastros».»Haga clic en el arma para comenzar a disparar partículas α. ¿Coincide esto con su predicción de (a)? Si no, explique por qué la ruta real sería la que se muestra en la simulación. Pulsa el botón de pausa o «restablecer todo».,»Establecer» energía de partículas alfa » a «máximo», y empezar a disparar partículas α. ¿Coincide esto con su predicción de (b)? Si no es así, explique el efecto del aumento de energía en las rutas reales como se muestra en la simulación.
  5. predecir y probar el comportamiento de las partículas α disparadas en un modelo de átomo de Rutherford.
    1. predecir las rutas tomadas por las partículas α que se disparan en los átomos con una estructura de modelo de átomo de Rutherford. Explica por qué esperas que las partículas α tomen estos caminos.,
    2. si las partículas α de mayor energía que las de (a) se disparan en átomos de Rutherford, predice cómo sus trayectorias diferirán de las trayectorias de partículas α De menor energía. Explica tu razonamiento.
    3. predecir cómo las trayectorias tomadas por las partículas α diferirán si se disparan a átomos de Rutherford de elementos distintos del oro. ¿Qué factor esperas que cause esta diferencia en los caminos, y por qué?
    4. Ahora prueba tus predicciones de (a), (b) y (c). Abra la simulación de dispersión de Rutherford y seleccione la pestaña «átomo de Rutherford»., Debido a la escala de la simulación, lo mejor es comenzar con un núcleo pequeño, por lo que seleccione «20» para protones y neutrones, «min» para energía, Mostrar rastros y luego comenzar a disparar partículas α. ¿Coincide esto con su predicción de (a)? Si no, explique por qué la ruta real sería la que se muestra en la simulación. Pausa o reinicia, establece energía en » max » y comienza a disparar partículas α. ¿Coincide esto con su predicción de (b)? Si no es así, explique el efecto del aumento de energía en la trayectoria real como se muestra en la simulación., Pausa o reinicia, selecciona » 40 «para protones y neutrones,» min » para energía, muestra rastros y dispara. ¿Coincide esto con su predicción de (c)? Si no, explique por qué la ruta real sería la que se muestra en la simulación. Repita esto con un mayor número de protones y neutrones. ¿Qué generalización puede hacer con respecto al tipo de átomo y el efecto en la trayectoria de las partículas α? Sea claro y específico.
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1., Dalton originalmente pensó que todos los átomos de un elemento en particular tenían propiedades idénticas, incluyendo la masa. Por lo tanto, el concepto de isótopos, en el que un elemento tiene masas diferentes, fue una violación de la idea original. Para explicar la existencia de isótopos, el segundo postulado de su teoría atómica fue modificado para afirmar que los átomos del mismo elemento deben tener propiedades químicas idénticas.

3. Ambas son partículas subatómicas que residen en el núcleo de un átomo. Ambos tienen aproximadamente la misma masa. Los protones están cargados positivamente, mientras que los neutrones no están cargados.

5., Las respuestas son las siguientes:

  1. El átomo de Rutherford tiene un pequeño núcleo cargado positivamente, por lo que la mayoría de las partículas α pasarán a través del espacio vacío lejos del núcleo y no serán filtradas. Esas partículas α que pasan cerca del núcleo serán desviadas de sus trayectorias debido a la repulsión positiva-positiva. Cuanto más directamente hacia el núcleo se dirigen las partículas α, mayor será el ángulo de desviación.,
  2. Las partículas α de mayor energía que pasan cerca del núcleo todavía sufrirán deflexión, pero cuanto más rápido viajen, menor será el ángulo de deflexión esperado.
  3. si el núcleo es más pequeño, la carga positiva es más pequeña y las deflexiones esperadas son más pequeñas, tanto en términos de cuán cerca pasan las partículas α por el núcleo sin deflexión como en el ángulo de deflexión. Si el núcleo es más grande, la carga positiva es más grande y las deflexiones esperadas son más grandes—más partículas α serán desviadas, y los ángulos de deflexión serán más grandes.,
  4. las trayectorias seguidas por las partículas α coinciden con las predicciones de (A), (b) y (c).,/li>

Glosario

partícula alfa (partícula α): partícula con carga positiva que consta de dos protones y dos neutrones

electrón: partícula subatómica con carga negativa de masa relativamente baja situada fuera del núcleo

isótopos: átomos que contienen el mismo número de protones pero diferentes números de neutrones

neutrón: partícula subatómica sin carga situada en el núcleo

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núcleo: masivo, cargado positivamente centro de un átomo formado por protones y neutrones

protón: partícula subatómica cargada positivamente situada en el núcleo