Modelo atómico de Thomson

La materia se define como todo lo que ocupa espacio. El aire y el agua, el azúcar y la arena, el hidrógeno y el oxígeno, etc., todos forman parte de la materia. Además, la materia también está formada por pequeñas partículas. Dado que la materia adquiere tanto espacio y es parte de nuestra vida diaria, es natural que uno deba estar atento a observar lo que la constituye. Los científicos siempre han estado interesados ​​en recopilar información sobre la estructura y composición de la materia. Un filósofo en el año 500 a. C. afirmó que al dividir la materia en partículas cada vez más pequeñas, en última instancia, llegará un momento en que la división adicional de tales partículas no será posible. Otros filósofos afirmaron que tales partículas, cuando se unen, conducen a la formación de todas las formas de materia que vemos a nuestro alrededor. A lo largo vinieron algunos filósofos griegos que apoyaron la misma teoría, y llamaron a tales partículas como ‘átomos’. Por eso, 

Los átomos se apilan para formar todas las formas que nos rodean. Son los componentes básicos de todas las formas vivas y no vivas de este planeta. Dado que los átomos son tan cruciales para nuestra existencia, es necesario aprender sobre su funcionamiento, estructura y naturaleza. En química, la estructura del átomo siempre se estudia con respecto al contexto histórico, es decir, las diversas teorías propuestas por varios científicos, sus postulados, inconvenientes, inferencias, etc. La estructura de un átomo no fue descubierta por un solo científico a través de un solo científico. solo experimento. Fue un proceso largo, que involucró numerosos experimentos por parte de diferentes eruditos, cada uno de ellos llegando a sus propios resultados y teorías hasta que la teoría de algún otro científico contradijo la suya. Hasta el descubrimiento de partículas dentro del átomo, los científicos estaban convencidos de que los átomos eran indivisibles.

Analicemos algunos términos importantes relacionados con el átomo:

• Electrón: Los electrones son partículas cargadas negativamente en un átomo que constituyen una porción muy pequeña de la masa del átomo. Giran alrededor de los protones (partículas con carga positiva) y los neutrones (partículas neutras) de un átomo. Si un átomo pierde o gana electrones, se convierte en un ion.
• Protón: Los protones son partículas cargadas positivamente en un átomo que son unas 1840 veces más pesadas que el electrón. Los protones, junto con los neutrones, forman el núcleo atómico, alrededor del cual giran los electrones del átomo.
• Neutrón: Los neutrones son aquellas partículas subatómicas que no tienen carga eléctrica y tienen un poco más de masa que los protones. Los neutrones y los protones juntos forman el núcleo atómico. Los neutrones son necesarios para la estabilidad de los núcleos.
• Núcleo: El núcleo atómico es una región pequeña y densa que consta de protones y neutrones atómicos, y alrededor de la cual gira el electrón.

Estudios anteriores: la teoría atómica de Dalton

En el momento del descubrimiento de los átomos, se aceptó ampliamente y se acordó que no se pueden dividir más. El químico británico John Dalton proporcionó la teoría básica sobre la naturaleza de la materia. Apoyó la idea de que los átomos son indivisibles e indestructibles por naturaleza. Basó su teoría en las siguientes dos leyes de combinación química:

• Ley de Conservación de la Masa: Establece que la masa no puede crearse ni destruirse en una reacción química, siempre que el sistema químico esté aislado de todo tipo de energía y calor del exterior. Por lo tanto, la cantidad de masa se conserva en el tiempo.
• Ley de las proporciones constantes: Establece que en una sustancia química los elementos están siempre presentes en proporciones definidas por masa. Significa que cualquier muestra pura de un compuesto siempre consistirá en los mismos elementos que están presentes en la misma proporción en masa.

La teoría atómica de Dalton dio una explicación precisa de las dos leyes mencionadas anteriormente. Fue un punto de inflexión en el estudio de la materia. Según la teoría atómica de Dalton, toda la materia, ya sea un elemento, un compuesto o una mezcla, está formada por pequeñas partículas llamadas átomos. 

Postulados de la teoría atómica de Dalton

1. Los átomos son partículas diminutas que constituyen toda la materia que nos rodea.
2. Los átomos son partículas indivisibles.
3. Los átomos no pueden crearse ni destruirse en una reacción química.
4. Los átomos de un elemento dado son idénticos en masa y propiedades químicas.
5. Los átomos de diferentes elementos tienen diferentes masas y propiedades químicas.
6. Los átomos se combinan en la proporción de pequeños números enteros para formar compuestos.
7. El número relativo y las clases de átomos son constantes en un compuesto dado.

Descubrimiento de electrones y protones: fracaso de la teoría atómica de Dalton

La teoría atómica de Dalton no podía explicar la conducción de la electricidad por diferentes formas de materia. El estudio de la electricidad estática demostró que la noción de que los átomos son indivisibles era errónea. Para que una sustancia conduzca electricidad, necesita tener una carga eléctrica, ya sea positiva o negativa. Dado que toda la materia está compuesta de átomos y toda la materia puede conducir electricidad, se hizo evidente que los átomos son partículas cargadas eléctricamente. 

En 1886, E. Goldstein descubrió la presencia de radiaciones cargadas positivamente en una descarga de gas y las llamó rayos de canal. Estos rayos finalmente llevaron al descubrimiento de una partícula subatómica, llamada protón, que tenía una carga positiva. En 1900, JJ Thomson propuso la presencia de una partícula cargada negativamente en el interior de un átomo, de igual magnitud pero de signo opuesto a la del protón. La teoría atómica de Dalton afirmaba que el átomo era indivisible e indestructible. Pero el descubrimiento de electrones y protones dentro del átomo llevó al fracaso de esta teoría. Surgió la curiosidad de cómo estas partículas están dispuestas dentro de un átomo. Como resultado, muchos científicos propusieron varios modelos atómicos. JJ Thomson fue la primera persona en hacerlo. 

Estructura de un átomo: El descubrimiento de dos partículas fundamentales (electrones y protones) dentro del átomo, condujo al fracaso de la teoría atómica de Dalton. Entonces se consideró necesario saber cómo se organizan los electrones y los protones dentro de un átomo. Para explicar esto, muchos científicos propusieron varios modelos atómicos. JJ Thomson fue el primero en proponer un modelo para la estructura de un átomo. 

Modelo atómico de Thomson

En 1897, Thomson afirmó que el cuerpo básico de un átomo tiene una forma esférica que contiene electrones (partículas diminutas dentro del átomo que crean una carga negativa) y una “gelatina” cargada positivamente alrededor de los electrones que neutraliza la carga de los electrones. ¡Aquí es cuando se refuta la primera parte de la teoría de John Dalton porque afirma que los átomos son indivisibles en la naturaleza cuando Thomson aprendió que hay más partes en los átomos que descubrió que eran electrones! ¡Entonces JJ Thomson descubrió la primera partícula subatómica, el electrón, y su nuevo modelo en 1897! Thomson también contribuyó al descubrimiento del isótopo y los átomos de un mismo elemento con diferentes pesos atómicos.

Muchos científicos propusieron diferentes ideas y explicaciones de la estructura de un átomo. El modelo más básico fue presentado por un científico llamado JJ Thomson. Este modelo explicaba teóricamente la descripción de la estructura interna del átomo. Aunque el modelo de Thomson no era un modelo preciso para explicar la estructura atómica, resultó ser la base para el desarrollo de otros modelos atómicos.

Thomson argumentó que los átomos son esferas uniformes de materia cargada positivamente en las que están incrustados los electrones. Popularmente conocido como el modelo del pudín de pasas, tuvo que ser abandonado (1911) por razones tanto teóricas como experimentales en favor del modelo atómico de Rutherford, en el que los electrones describen órbitas alrededor de un pequeño núcleo positivo. El modelo atómico de Thomson, William Thomson (también conocido como Lord Kelvin) imaginó el átomo como una esfera con una carga positiva uniformemente distribuida e incrustada en ella suficientes electrones para neutralizar la carga positiva.

Observaciones: Según el modelo de Thomson, el átomo es estructuralmente como un budín de ciruelas. Creía que los electrones eran como frutos secos en una esfera de carga positiva, representando el budín. También podemos comparar ilustrar una sandía aquí, con la carga positiva que se extiende sobre la parte comestible de la sandía, y los electrones como semillas están tachonados en esa esfera, como se ilustra en la siguiente figura:

También se puede decir que los electrones se incrustaron aleatoriamente en una esfera que contenía una carga positiva. Thomas afirmó que las cargas positivas y negativas tenían la misma magnitud, por lo tanto, cancelaban el efecto de cada una y neutralizaban el átomo.

Postulados del modelo atómico de Thomson

• El átomo tiene una carga neutra.
• Hay una fuente de carga positiva que neutraliza la carga negativa de los electrones.
• Esta carga positiva se distribuye uniformemente en el átomo.
• En palabras de Thomson: “corpúsculos electrificados negativamente”, es decir, electrones, están contenidos dentro de la masa uniforme de carga positiva.
• Los electrones podrían flotar libremente dentro del átomo.
• Los electrones tenían órbitas estables, un argumento basado en la Ley de Gauss. Si los electrones se movían a través de la «masa» positiva, las fuerzas internas dentro de los electrones se equilibraban con la carga positiva que se generaba automáticamente alrededor de la órbita.
• El modelo atómico de JJ Thomson era conocido popularmente en Inglaterra como modelo de pudín de ciruelas ya que la distribución de electrones propuesta por Thomson era similar a la disposición de las ciruelas en ese postre.

Limitaciones del modelo atómico de Thomson

1. Este modelo era el más básico de todos los demás modelos. Sufrió muchos inconvenientes, pero definitivamente despertó la curiosidad de otros científicos y allanó el camino para más descubrimientos innovadores en el campo.
2. El modelo no mencionó la presencia de un núcleo en el átomo.
3. No pudo explicar cómo la carga positiva puede contener los electrones cargados negativamente. En otras palabras, no podía explicar la estabilidad del átomo.
4. No logró explicar el experimento de dispersión de Rutherford y no pudo explicar la dispersión de las partículas alfa cuando se proyectaron sobre láminas de oro.

El modelo de Thomson fue un gran avance en el campo de la química atómica. Aunque sufría de serios inconvenientes, fue una inspiración para que otros investigadores en el campo experimentaran y llegaran a sus propios resultados e inferencias.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: Sobre la base del modelo de Thomson de un átomo, explique cómo el átomo es neutral como un todo.

Responder:

El modelo atómico de Thomson establece que un átomo es básicamente una esfera cargada positivamente donde se implantan los electrones cargados negativamente. Las dichas cargas, siendo iguales en magnitud, se anulan mutuamente y neutralizan el átomo.

Pregunta 2: Explique el principal inconveniente del modelo de Thomson.

Responder:

Aunque el modelo de Thomson fue aceptado en su momento, se descartó poco después porque no lograba establecer la estabilidad del átomo, ya que no podía explicar cómo la carga negativa (electrones) está contenida dentro de la esfera positiva. En otras palabras, no podía explicar la presencia del núcleo en el átomo.

Pregunta 3: ¿Qué condujo al fracaso de la teoría atómica de Dalton?

Responder:

Según la teoría atómica de Dalton, toda la materia, ya sea un elemento, un compuesto o una mezcla, está formada por pequeñas partículas llamadas átomos. Establece que todos los átomos son partículas indivisibles. Pero el descubrimiento de dos partículas fundamentales (electrones y protones) dentro del átomo, llevó al fracaso del aspecto de la teoría atómica de Dalton.

Pregunta 4: Indique las leyes de combinación química.

Responder:

Ley de Conservación de la Masa: Establece que la masa no puede crearse ni destruirse en una reacción química, siempre que el sistema químico esté aislado de todo tipo de energía y calor del exterior. Por lo tanto, la cantidad de masa se conserva en el tiempo.

Ley de las proporciones constantes: Establece que en una sustancia química los elementos están siempre presentes en proporciones definidas por masa. Significa que cualquier muestra pura de un compuesto siempre consistirá en los mismos elementos que están presentes en la misma proporción en masa. 

Pregunta 5: ¿JJ Thomson descubrió el núcleo atómico?

Responder:

JJ Thomson, quien descubrió el electrón en 1897, propuso el modelo de budín de ciruelas del átomo en 1904 antes del descubrimiento del núcleo atómico para incluir el electrón en el modelo atómico. No descubrió el núcleo atómico. Fue descubierto por otro científico, Epstein Rutherford, durante su experimento con papel de aluminio.

Pregunta 6: ¿Cómo demostraría que la materia está formada por partículas cargadas eléctricamente?

Responder:

1. Peine el cabello seco y acerque el peine a pedacitos de papel. Observaremos que los pedacitos de papel se pegarían al peine. Peinar tu cabello seco moverá algunas de las partículas subatómicas llamadas electrones del cabello al peine. La carga de un electrón es negativa y, por lo tanto, el peine también ganará la carga de un electrón (carga negativa). Finalmente, cuando el peine se acerca a los pedazos de papel, los pedazos de papel serán atraídos por el peine.

2. Frote un paño de seda sobre una varilla de vidrio y luego la varilla de vidrio se acerca a un globo inflado. Los electrones de la varilla de vidrio se transfieren a la tela de seda. Por lo tanto, la barra de vidrio se carga positivamente. Cuando la barra de vidrio cargada positivamente se acerca al globo inflado, será atraída por la barra de vidrio.

Pregunta 7: ¿Qué condujo al descubrimiento de los electrones?

Responder:

Los experimentos de JJ Thomson con tubos de rayos catódicos mostraron que todos los átomos contienen pequeñas partículas subatómicas cargadas negativamente o electrones. Thomson propuso el modelo de budín de ciruelas del átomo, que tenía electrones cargados negativamente incrustados dentro de una sopa cargada positivamente.