Modelos Atomicos

1. Descripción superficial de los hechos experimentales sobre la naturaleza de la materia.

• Electrificación por frotamiento:

Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

Ejemplo: Si se frota una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda, el vidrio adquiere una carga eléctrica positiva al perder un determinado número de cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por la seda, con lo cual se satura de cargas negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos cuerpos, ejercen una influencia eléctrica en una zona determinada que depende de la cantidad de carga ganada o perdida, dicha zona se llama campo eléctrico.

• Carga por electrolisis:

Es un método de separación de los elementos que forman un compuesto aplicando electricidad: se produce en primer lugar la descomposición en iones, seguido de diversos efectos o reacciones secundarios según los casos concretos.

El proceso electrolítico consiste en lo siguiente. Se disuelve una sustancia en un determinado disolvente, con el fin de que los iones que constituyen dicha sustancia estén presentes en la disolución. Posteriormente se aplica una corriente eléctrica a un par de electrodos conductores colocados en la disolución. El electrodo cargado negativamente se conoce como cátodo, y el cargado positivamente como ánodo. Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones positivos, o cationes, son atraídos al cátodo, mientras que los iones negativos, o aniones, se desplazan hacia el ánodo. La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodos, proviene de una fuente de potencia eléctrica que mantiene la diferencia de potencial en los electrodos.

En los electrodos, los electrones son absorbidos o emitidos por los iones, formando concentraciones de los elementos o compuestos deseados. Por ejemplo, en la electrólisis del agua, se forma hidrógeno en el cátodo, y oxígeno en el ánodo. Esto fue descubierto en1820 por el físico y químico inglés Michael Faraday.

La electrólisis no depende de la transferencia de calor, aunque éste puede ser producido en un proceso electrolítico, por tanto, la eficiencia del proceso puede ser cercana al 100%.

• Carga por efecto fotoeléctrico:

Es un efecto de formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico.

• Carga por efecto termoeléctrico:

El efecto termoeléctrico es la conversión directa de la diferencia de temperatura a voltaje eléctrico y viceversa. Un dispositivo termoeléctrico crea un voltaje cuando hay una diferencia de temperatura a cada lado. Por el contrario cuando se le aplica un voltaje, crea una diferencia de temperatura (conocido como efecto Peltier). A escala atómica (en especial, portadores de carga), un gradiente de temperatura aplicado provoca portadores cargados en el material, si hay electrones o huecos, para difundir desde el lado caliente al lado frío, similar a un gas clásico que se expande cuando se calienta; por consiguiente, la corriente inducida termalmente.

Este efecto se puede usar para generar electricidad, medir temperatura, enfriar objetos, o calentarlos o cocinarlos. Porque la dirección de calentamiento o enfriamiento es determinada por el signo del voltaje aplicado, dispositivos termoeléctricos producen controladores de temperatura muy convenientes.

2. Experimentos que condujeron a determinar la carga y la masa del electrón.

• Experimento de J.J Thomson:

Este experimento tenía por objeto demostrar que los rayos catódicos podían desviarse mediante el uso de campos cruzados, y por tanto, se componían de partículas cargadas. Midiendo la desviación de estas partículas, Thomson pudo demostrar que todas las partículas tenían la misma relación carga a masa q/m y determinar este cociente. Demostró que las partículas con esta razón carga a masa pueden obtenerse utilizando un material cualquiera como cátodo, lo que significa que estas partículas, ahora denominadas electrones, son un constituyente fundamental de toda materia.

La figura 1. Se muestra un diagrama esquemático del tubo de rayos catódicos usado por Thomson. Los electrones son emitidos por el cátodo, que está a un potencial negativo con respecto al ánodo. El ánodo origina un campo eléctrico, que acelera los electrones. Cuando éstos llegan a la región entre las placas del condensador, donde existe un campo eléctrico perpendicular a la velocidad inicial, los electrones se aceleran verticalmente, por lo que se desvían e inciden en la pantalla fluorescente situada en el extremo del tubo con cierto desplazamiento d respecto al punto donde incidirían si no existiese campo eléctrico entre las placas.

Figura 1. Diagrama esquemático del tubo de rayos catódicos utilizado por Thomson.

Los rayos catódicos estaban hechos de partículas a las que llamó "corpúsculos", y estos corpúsculos procedían de dentro de los átomos de los electrodos, lo que significa que los átomos son, de hecho, divisibles. Thomson imaginó que el átomo se compone de estos corpúsculos en un mar lleno de carga positiva; a este modelo del átomo, atribuido a Thomson, se le llamó el modelo de pudín de pasas. En 1906 fue galardonado con el Premio Nobel de Física por su trabajo sobre la conducción de la electricidad a través de los gases.

• Experimento de R.A Millikan:

De 1909 a 1913, Robert Andrews Millikan desarrolló un brillante conjunto de experimentos en la Universidad de Chicago, mediante los cuales midió la carga elemental e del electrón y demostró la naturaleza cuantizada de la carga electrónica. El aparato que usó consta de dos láminas metálicas paralelas. A través de un pequeño agujero de la lámina superior se dejan pasar unas gotitas de aceite que han sido cargadas por fricción en un atomizador. Un haz de luz horizontal ilumina las gotitas, las cuales son observadas a través de un telescopio cuyo eje forma ángulos rectos respecto al haz. Cuando se observan las gotitas en esta forma, aparecen como estrellas brillantes contra un fondo oscuro y se puede determinar la velocidad de caída de cada una de ellas. Tal y como se muestra en la figura 1.1.

Figura 1.1 Diagrama esquemático del experimento de la gota de aceite de Millikan.

3. Modelos atómicos, ventajas y desventajas.

• Modelo atómico de Thomson:

Afirmaba que: El átomo se encuentra formado por una esfera de carga positiva en la cual se encuentran incrustadas las cargas negativas (electrones) de forma similar a como se encuentran las pasas de uva en un pastel. Además, como el átomo es neutro la cantidad de cargas positivas es igual a la cantidad de cargas negativas.

 Ventajas: incorpora la idea de que la materia está formada por partículas diferentes, unas con carga positiva y otras con carga negativa. Con ello justifica los experimentos en los que se manifiesta una interacción de la materia con la electricidad, por ejemplo la conductividad de los metales, las celdas electroquímicas, la electrólisis, etc.

 Desventajas: al plantear que ambos tipos de partículas se encontraban estrechamente en contacto ("pastel de pasas") no podía justificar la generación de los espectros de emisión que se habían observado al someter a descarga una muestra de un gas y un espectro de líneas característico.

• Modelo atómico de Rutherford:

Mantenía el planteamiento de Joseph Thomson, de que los átomos poseen electrones y protones, pero su explicación sostenía que todo átomo estaba formado por núcleo y corteza, habiendo un espacio vacío entre ellos. También afirmaba que en el núcleo se encontraban reunidas todas las cargas positivas y casi toda la masa y que a su alrededor giran los electrones, describiendo órbitas circulares o elípticas.

Según Rutherford, las órbitas de los electrones no estaban muy bien definidas y forman una estructura compleja alrededor del núcleo, dándole un tamaño y forma indefinida. También calculó que el radio de átomo, según su modelo, era diez veces mayor que el núcleo mismo, lo que hace que haya un gran espacio vacío en el átomo.

 Ventajas: propuso por primera vez la existencia de un núcleo en el átomo (término que, paradójicamente, no aparece en sus escritos). Lo que Rutherford consideró esencial, para explicar los resultados experimentales, fue "una concentración de carga" en el centro del átomo, ya que sin ella, no podía explicarse que algunas partículas fueran rebotadas en dirección casi opuesta a la incidente. Este fue un paso crucial en la comprensión de la materia, ya que implicaba la existencia de unnúcleo atómico donde se concentraba toda la carga positiva y más del 99,9% de la masa. Las estimaciones del núcleo revelaban que el átomo en su mayor parte estaba vacío.

 Desventajas: la falla del modelo de Rutherford radica en el planteamiento de que toda partícula eléctrica, separada de su posición de equilibrio, vibra con una frecuencia

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