Modelos atómicos: qué son y línea del tiempo

Todos los modelos atómicos son representaciones teóricas de la estructura atómica utilizadas para explicar las propiedades del átomo. Debido a la imposibilidad de que un solo modelo explique por sí mismo la configuración estructural del átomo, muchos son complementarios. Por tanto, algunos se mantienen como hipótesis probables para explicar ciertas propiedades específicas de las partículas elementales.

El término átomo ya existía en la Antigua Grecia como una unidad indivisible que conformaba todas las manifestaciones de materia. A pesar de ello, esta definición promovida por los filósofos Leucipo y Demócrito no fue objeto de exhaustivo estudio hasta el siglo XVIII. Aquí puedes leer sobre el Modelo atómico de Demócrito.

No obstante, otros científicos y filósofos medievales cómo Avicena o Santo Tomás de Aquino desarrollaron la idea del átomo. Por su parte, el español Ramón Llull, apoyó la teoría del átomo indivisible y añadió que su transformación en otro elemento era posible a través de los procesos químicos.

Sin embargo, ni la época ni la tecnología eran compatibles con los avances que sí se dieron en siglos posteriores. En 1780, Antoine Lavoisier y Marie Anne Pierrette Paulze desarrollaron las teorías antiguas de Empédocles sobre la composición elemental de la materia y descubrieron la existencia de 55 elementos fundamentales, y no 4 como defendía el filósofo griego. Sus descubrimientos sobre las partes elementales de diferentes sustancias asentaron las bases de los modelos atómicos posteriores, sobre todo en el ámbito químico. Esto nos dirige hacia todos los modelos atómicos aquí representados comenzando por el modelo atómico de Dalton y siguiendo por el modelo atómico cúbico o de Lewis, modelo atómico saturnino, modelo de Thomson, modelo de Rutherford, modelo de Bohr, modelo atómico de Sommerfeld y modelo mecánico cuántico.

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El modelo atómico de Dalton defiende que los átomos de un elemento concreto tienen las mismas propiedades y masa atómica, diferenciándolos de cualquier otro elemento. Además, se combinan para formar compuestos más complejos. Según Dalton, los átomos pertenecen a una unidad de materia indivisible, que se transforma en las sucesivas reacciones químicas sin llegar a destruirse, coincidiendo con la opinión del matrimonio Lavoisier.

Frente a estos postulados, el modelo atómico de Dalton plantea una serie de dificultades. En primer lugar, no considera la existencia de partículas subatómicas como los protones. Su teoría no explica la existencia de isótopos, elementos con diferente numero de neutrones y por ende de masa atómica. Lo mismo ocurre con la existencia de iones o con la naturaleza química de los enlaces.

Aquí puedes conocer mejor el Modelo atómico de Dalton.

La propuesta atómica de Lewis consiste en un modelo cúbico estático cuyos electrones son capaces de formar pares de unión durante los enlaces atómicos. Este modelo introduce la importancia del número de electrones en la periodicidad química y otras propiedades de los elementos químicos. Su concepción se basaba en el enlace del par de electrones compartido, donde un electrón podía estar en la misma capa exterior de otros elementos diferentes, lo que supone implicaciones importantes en los mecanismos de reacción y en el enlace químico de la física cuántica.

Por otro lado, el modelo atómico de Lewis es una interpretación simple de la realidad estructural del átomo que no contempla conceptos como la polaridad, tan íntimamente relacionada con las propiedades físicas y químicas de las sustancias. De la misma forma, excluye de su explicación la geometría molecular y la interacción entre los orbitales atómicos.

En 1904 el científico japonés Hantaro Nagaoka añadió un modelo atómico que acuñaba la forma clásica del átomo antes de Rutherford y Bohr. Así, el átomo estaría compuesto por una esfera de carga positiva rodeada por electrones con una morfología similar a los anillos de Saturno. La atracción de las cargas entre el núcleo y los electrones, sumado a la fuerza centrífuga impediría que estos últimos cayeran hacia el núcleo.

Entre todos los modelos atómicos, esta propuesta fue rechazada por su propio autor años después. Este desengaño sobrevino a Nagaoka en 1908 cuando, al excluir la naturaleza atómica del átomo y considerar la trayectoria de los electrones como orbitas continuas, no fue capaz de explicar la inestabilidad electrostática y atómica de los electrones.

También conocido como el “modelo del pastel de pasas”, la teoría atómica de Thomson es una de las interpretaciones clásicas más estudiadas. Este científico visualizaba la estructura atómica como una distribución esférica de carga positiva en cuyo interior se encontraban los electrones. Para Thomson, estos estaban dispuestos en anillos coplanarios manteniendo un equilibrio dinámico gracias a la atracción y repulsión de las partículas subatómicas.

Su principal limitación radicaba en la distribución de la carga eléctrica representada de manera uniforme dentro del átomo. Rutherford demostró que la carga positiva se ubicaba en el centro, descartando esta teoría. De la misma forma, se quedaron fuera de este modelo atómico la existencia de isótopos y espectros de emisión y absorción.

En este otro artículo puedes leer acerca del Modelo atómico de Thomson.

En sus experimentos, Rutherford comprobó que la estructura atómica consistía en un núcleo muy pequeño de carga positiva, que acaparaba gran parte de la masa, rodeado por electrones que compensaban la carga volviendo neutro el elemento químico. Según el modelo de Rutherford, estas partículas de carga negativa giran alrededor del núcleo describiendo órbitas similares a los planetas.

En la Física clásica, se estipula que las partículas cargadas en movimiento emiten radiación y deben caer eventualmente hacia el núcleo. Como ocurría con todos los modelos atómicos anteriores, Rutherford tampoco fue capaz de explicar la estabilidad del átomo. Habría que esperar a los modelos de la mecánica cuántica para ello.

En este post puedes leer más acerca del Modelo atómico de Rutherford.

Tomando como referencia los estudios de otros científicos como Planck, Balmer y el propio Rutherford, el modelo atómico de Bohr estableció que las orbitas de los electrones solo podían existir en niveles de energía discretos y estables. Introdujo por primera vez el concepto de niveles cuánticos de energía. Gracias a ello, determinó que los electrones no podían ocupar niveles energéticos intermedios, resolviendo los problemas de inestabilidad atómica que ensombrecían todos los modelos atómicos previos. Defendió que los electrones más alejados del núcleo tienen mayor energía que los más cercanos. Así, el movimiento de un electrón a un nivel cuántico diferente emitía o absorbía energía, explicando de paso la existencia de los espectros de rayos X y los espectros de emisión y absorción.

Sin embargo, el modelo atómico de Bohr también dejaba algunos cabos sueltos. Sus postulados solo servían para átomos simples como el H, pero encontraba serios problemas en átomos complejos. Tampoco tenía en cuenta la repulsión entre los electrones del mismo nivel cuántico y la aceptación de una órbita circular alrededor del núcleo contradecía el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. Además, el modelo de Bohr no tiene en cuenta la dualidad onda-partícula ni la energía de enlace del electrón, por lo que no puede explicar en profundidad el efecto fotoeléctrico. A pesar de ello, este modelo atómico fue un gran avance científico que asentaría las bases de la mecánica cuántica actual.

Puedes leer más sobre el Modelo atómico de Bohr en este enlace.

El modelo atómico de Sommerfeld propuso algunas alternativas para paliar los agujeros del modelo de Bohr. En primer lugar, descartó que los electrones describieran órbitas circulares y rechazó la inmovilidad del núcleo. En su lugar, sugirió órbitas elípticas para los electrones, así como la existencia de subniveles de energía similar, aunque con distintas orbitas, para el mismo nivel cuántico. Además, propuso que tanto el núcleo como los electrones se mueven alrededor del centro de masas del sistema, haciendo coincidir las frecuencias teóricas y experimentales. Por último, introdujo el concepto de números cuánticos nombrando algunos tipos.

Las formulaciones de Sommerfeld introdujeron una serie de postulados que acercarían a los científicos al concepto de nube de probabilidad donde encontrar electrones. No obstante, conservaba algunas lagunas teóricas. Al igual que el modelo de Bohr no servía para explicar la estructura en átomos complejos y obviaba la interacción entre los electrones. Tampoco podía explicar algunas propiedades magnéticas de los átomos ni tenía en cuenta los principios de la relatividad especial de Einstein.

El modelo mecánico cuántico defiende la dualidad onda-partícula propuesta por Broglie y comprobada de manera experimental por Davisson y Germer en 1927. Este modelo desarrolla la idea de región de probabilidad donde encontrar un electrón, rechazando el concepto de órbita promovido en todos los modelos atómicos antecesores. Para ello, se apoya en el principio de incertidumbre de Heisenberg y en la ecuación de Schrödinger. Así, los electrones se mueven en orbitales atómicos vinculados a una función de onda cuyas partículas siguen el principio de exclusión de Pauli.

Esta teoría es la más aceptada en la actualidad y permite explicar una serie de propiedades como el comportamiento óptico, magnético y espectroscópico, así como la estructura atómica y la redistribución de electrones en las reacciones químicas. Por el contrario, no puede explicar la gravedad cuántica, la existencia de la materia y energía oscura, ni la relación entre la percepción mental con el comportamiento cuántico de la materia. De lo que no cabe duda, es que las teorías actuales servirán como escalón de conocimiento para que las generaciones venideras puedan responder estas incógnitas.

Te recomendamos leer este otro artículo sobre el Modelo atómico de Schrödinger. Además, ahora que conoces mejor qué son los modelos atómicos, su línea de tiempo y ejemplos de algunos de los más relevante, te aconsejamos leer este otro post sobre Qué es el átomo.

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