CHEMISTRY VIBRANT HORIZONTAL

línea temporal de los modelos atómicos

Daniela Navarro Morgado

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Modelo de Sommerfeld (1916) – Órbitas elípticas

MODELO DE HEISENBERG (1927) – PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE

Modelo de Demócrito (400 a.C.)

Modelo de Rutherford (1911) – El átomo nuclear

MODELO DE DIRAC (1930) – ANTIMATERIA Y ELECTRONES RELATIVISTAS

06

08

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10

Modelo de Dalton (1803)

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07

Modelo de Bohr (1913) – Órbitas cuantizadas

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MODELO DE SCHRÖDINGER (1926) – MECÁNICA CUÁNTICA

MODELO DEL NÚCLEO DE BOHR-SOMMERFELD (1929) – ESPRECTOS DE HIDRÓGENOS REVISADOS

11

Modelo de Thomson (1897) – El "pudín de pasas"

MODELO ESTÁNDAR DE LA FÍSICA DE PARTÍCULAS (1960 - presente)

1. Átomo como una esfera cargada positivamente:Según Thomson, el átomo era una esfera de carga positiva que llenaba toda la estructura atómica, similar a una masa gelatinosa o cargada de forma homogénea con cargas positivas. 2. Electrones incrustados en la esfera: Los electrones, que tienen carga negativa, estaban incluidos en esta esfera de carga positiva. Los electrones se distribuyen de forma uniforme dentro de la esfera, compensando la carga positiva y haciendo que el átomo sea neutro en su conjunto. 3. El átomo es eléctricamente neutro: En este modelo, el número de electrones (cargados negativamente) es igual al número de cargas positivas en la esfera, lo que hace que el átomo en su conjunto no tenga carga neta. Si los electrones se distribuyen correctamente, se anulan las cargas opuestas.

El átomo es eléctricamente neutro: el modelo de Rutherford seguía la idea de que el átomo es eléctricamente neutro. Esto se logra porque el número de electrones (con carga negativa) es igual al número de protones (con carga positiva) en el núcleo. Los electrones giran alrededor del núcleo: Rutherford sugirió que los electrones giran alrededor del núcleo de manera similar a cómo los planetas giran alrededor del sol (modelo planetario del átomo), aunque este aspecto fue más tarde refinado y modificado por el modelo de Bohr.

CONCLUSIONES: La mayor parte del átomo es vacío, existe una región central densa y cargada positivamente y el átomo no es una esfera uniforme

CARACTERÍSTICAS: El átomo tiene un núcleo central: según Rutherford, el átomo está formado por un pequeño núcleo denso y cargado positivamente, que contiene casi toda la masa del átomo. Este núcleo está rodeado por electrones que se mueven a grandes distancias con respecto al núcleo, en órbitas circulares, ocupando el "vacío" del átomo. La mayor parte del átomo es vacío: la mayor parte del volumen del átomo es, en realidad, vacío, ya que los electrones están muy alejados del núcleo. Esto se debe a que la masa del átomo está concentrada en un núcleo muy pequeño comparado con el tamaño total del átomo.

Modelo de Dalton (1803)

3. Los átomos de diferentes elementos se combinan en proporciones fijas para formar compuestos Dalton explicó que los compuestos químicos se forman mediante la combinación de átomos de diferentes elementos en proporciones definidas y constantes. Por ejemplo, el agua (H₂O) siempre estará formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

1. Los átomos son partículas indivisibles Dalton reclamó que los átomos eran las unidades más pequeñas de la materia y que no podían ser divididos en partes más pequeñas. Aunque hoy sabemos que los átomos tienen una estructura interna compuesta por electrones, protones y neutrones, en ese momento se pensaba que los átomos eran la forma elemental e indivisible de la materia.

4. En las reacciones químicas, los átomos se reorganizan, pero no se crean ni se destruyen Dalton afirmó que, durante las reacciones químicas, los átomos se combinan, separan o reorganizan, pero no se alteran ni se destruyen. Este concepto es una extensión de la ley de conservación de la masa de Antoine Lavoisier, que decía que la masa no se pierde ni se gana en una reacción química.

2. Átomos de un mismo elemento, son idénticos Según Dalton, todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo tamaño, masa y propiedades químicas. Esto también implicaba que los átomos de diferentes elementos eran distintos entre sí.

Modelo de Demócrito (400 a.C.)

“El universo entero está compuesto por un espacio ilimitado en el que existen innumerables átomos." El espacio no tiene límites, no tiene ni un arriba ni un abajo, no tiene un centro ni frontera. Los átomos no tienen cualidades, aparte de su forma. No tienen peso, ni color, ni gusto. Demócrito, un filósofo griego, propuso que la materia estaba compuesta por partículas indivisibles llamadas "átomos". Sin embargo, su teoría no estaba basada en evidencia experimental, sino en especulaciones filosóficas.

Órbitas Cuantizadas -Electron en órbitas fijas: Bohr propuso que los electrones en un átomo no podían ocupar cualquier órbita alrededor del núcleo, sino solo ciertas órbitas fijas, a distancias determinadas del núcleo. Estas órbitas estaban cuantizadas, lo que significa que solo ciertas órbitas discretas (o niveles de energía) eran permitidas para el electrón. -Estabilidad de las órbitas: en estas órbitas cuantizadas, los electrones no emiten radiación, lo que evita que pierdan energía y caigan al núcleo. Es decir, las órbitas cuantizadas son estables, lo que resuelve el problema de inestabilidad de los electrones en el modelo de Rutherford.

• Explicó el espectro de emisión del hidrógeno y estableció la idea de la cuantización de la energía en los átomos.

El modelo resolvió de manera precisa el espectro de emisión del hidrógeno, que había desconcertado a los científicos durante años. Bohr mostró que las líneas del espectro eran el resultado de las transiciones entre niveles de energía cuantizados.

Órbitas elípticas en lugar de circulares:Bohr había propuesto que los electrones solo podían moverse en órbitas circulares alrededor del núcleo, pero Sommerfeld amplió este concepto al introducir la idea de que los electrones también pueden moverse en órbitas elípticas. Esto permitió describir de manera más precisa los movimientos de los electrones en átomos con más de un electrón, ya que las órbitas elípticas pueden adaptarse mejor a la naturaleza más compleja de estos átomos. Consideración de la relatividad especial: Sommerfeld también aplicó correcciones relativistas al modelo de Bohr, que son especialmente importantes para los electrones en órbitas de alta energía o cerca del núcleo. A medida que los electrones se acercan al núcleo, su velocidad aumenta, y deben ser consideradas las efectos relativistas (es decir, la corrección por la relatividad especial).

Función de onda y probabilidad:La función de onda (𝜓ψ) no representa una posición específica del electrón, sino una probabilidad de encontrar al electrón en un lugar determinado dentro del átomo. La probabilidad de encontrar un electrón en una región particular se obtiene calculando el cuadrado de la función de onda (∣𝜓∣2∣ψ∣ 2), que nos da la densidad de probabilidad. Esto significa que, en lugar de tener trayectorias precisas, el electrón se describe en términos de probabilidades de ubicación. Esta es la base del principio de incertidumbre de Heisenberg, que afirma que no es posible conocer simultáneamente con precisión la posición y el momento de una partícula.

Dualidad onda-partícula: Louis de Broglie había propuesto en 1924 que las partículas, como los electrones, podrían exhibir propiedades tanto de partículas como de ondas. Schrödinger formalizó esta idea al describir a los electrones no como partículas en órbitas definidas, sino como funciones de onda. Esto significaba que los electrones tienen una naturaleza ondulatoria y se pueden describir mediante ondas en el espacio. La Ecuación de Schrödinger: La ecuación fundamental de la mecánica cuántica es la ecuación de Schrödinger, que describe cómo cambia la función de onda (𝜓ψ) de un sistema cuántico a lo largo del tiempo. Esta ecuación es similar a las ecuaciones de ondas en la física clásica, pero adaptada a las leyes de la mecánica cuántica.

Incertidumbre en la posición y el momento: En la mecánica clásica, si conocemos la posición y la velocidad de una partícula, podemos predecir su futuro movimiento con precisión. Sin embargo, en la mecánica cuántica, el principio de incertidumbre nos dice que no es posible determinar ambos parámetros con exactitud simultáneamente. No es un problema de tecnología, sino una propiedad fundamental: Es importante señalar que este principio no se debe a limitaciones tecnológicas en los instrumentos de medición. Es una característica fundamental de la naturaleza cuántica de las partículas subatómicas. La incertidumbre no puede eliminarse mediante mejoras tecnológicas, ya que está relacionada con la propia naturaleza del objeto en cuestión.

Órbitas Elípticas: El modelo de Bohr asumía que los electrones se movían en órbitas circulares alrededor del núcleo. Sommerfeld, sin embargo, propuso que los electrones podían moverse en órbitas elípticas, lo que permitía una mayor flexibilidad en la descripción de los espectros atómicos. Estas órbitas elípticas todavía eran cuantizadas, es decir, solo ciertas configuraciones eran permitidas, y la energía del electrón solo podía tomar ciertos valores discretos.

Explicación de la Estructura Fina de los Espectros:El modelo de Bohr-Sommerfeld pudo explicar fenómenos como la estructura fina de los espectros atómicos, que son pequeños desdoblamientos en las líneas espectrales. Estos desdoblamientos son causados por los efectos relativistas y los efectos de acoplamiento spin-órbita, que se introdujeron para explicar cómo la rotación del electrón afecta su energía.

Soluciones de energía negativa:Un aspecto sorprendente de la ecuación de Dirac fue que tenía soluciones con energía negativa. Esto significaba que, según la ecuación, los electrones podrían tener energías negativas, lo que planteaba un problema físico significativo: un electrón podría caer a un estado de energía negativa y seguir acumulando energía sin límite, lo que sería físicamente inestable.

Invarianza relativista: La ecuación de Dirac es invariante bajo transformaciones de Lorentz, lo que significa que es consistente con la relatividad especial. Esto fue un gran avance, ya que la ecuación de Schrödinger no cumplía con esta propiedad. Ecuación de onda relativista: Dirac propuso una ecuación de onda que incorpora tanto el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica como la relatividad especial. Esta ecuación describe cómo varían en el espacio y el tiempo las funciones de onda de partículas relativistas.

Fermiones y Bosones:El Modelo Estándar distingue entre dos tipos fundamentales de partículas: Fermiones: Son las partículas que componen la materia (quarks y leptones). Los fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli (no pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente) y tienen spin semi-entero (1/2) Bosones: Son las partículas que median las fuerzas fundamentales. Tienen spin entero (0,1 etc.) y actúan como portadores de las interacciones entre partículas.

Teoría de Campos Cuánticos (QFT): El Modelo Estándar es una teoría cuántica de campos que describe las partículas subatómicas como excitaciones de campos fundamentales. Estas excitaciones pueden ser descritas como partículas que se comportan como bosones (que median las fuerzas) o fermiones (que constituyen la materia). El trabajo de físicos como Richard Feynman, Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga fue crucial en el desarrollo de la electrodinámica cuántica (QED), que describe la interacción electromagnética entre partículas cargadas a través del intercambio de fotones.