El descubrimiento del átomo

Descubrimiento del átomo

Los primeros registros de especulaciones humanas sobre la composición fundamental del mundo proceden de la antigua Grecia, donde el filósofo Demócrito desarrolló la base de la teoría atómica hacia el 430 a.C.. Planteó la hipótesis de que cortar repetidamente un objeto por la mitad acabaría dando lugar a un fragmento fundamental e indivisible de dicho objeto. A este fragmento final se le dio el nombre de atomos, que se traduce como "indivisible", y más adelante se adaptó al "átomo" que conocemos hoy.

Basándose en las ideas de Demócrito y en la ley de conservación de la masa de Antoine Lavoisier, a principios del siglo^XIX un químico británico llamado John Dalton siguió desarrollando la teoría atómica.

Dalton afirmó que los átomos difieren en masa y tamaño, dependiendo del elemento químico. Su investigación se centró principalmente en determinar las masas relativas de los distintos átomos.

Descubrimiento de la estructura atómica

Una vez establecida la idea general sobre los átomos y su comportamiento, comprender la causa subyacente de estas características se convirtió en el principal tema de interés. Así, a finales del siglo XIX, diversos descubrimientos científicos, como los rayos catódicos, los rayos X y la radiación ionizante, condujeron al descubrimiento de que los átomos pueden dividirse aún más, revelando las partículas fundamentales, la primera de las cuales es el electrón.

La presencia de electrones en particular fue demostrada por J. J. Thompson, a partir de sus experimentos con tubos de rayos catódicos. Al medir la masa del rayo catódico, se dio cuenta de que pesaba 1000 veces menos que la partícula más ligera conocida: un átomo de hidrógeno. Como resultado, ideó el modelo del pudín de ciruela.

Teniendo en cuenta que se suponía que la carga global del átomo era neutra, y que se sabía que los electrones tenían carga negativa, Thompson llegó a la conclusión de que debían estar inmersos en un volumen cargado positivamente. Algo así como las ciruelas esparcidas al azar en un pudin, visibles en la Figura 1 de abajo.

Fig. 1 - El modelo del pudin de ciruelas propuesto por J.J. Thompson, en el que los electrones cargados negativamente se encuentran en un espacio cargado positivamente.

Este modelo fue puesto a prueba posteriormente por Ernest Rutherford, que realizó el experimento de la lámina de oro. En este experimento, Rutherford dirigió un rayo de partículas alfa radiactivas a una fina lámina de oro. La mayoría de las partículas atravesaron directamente la lámina, como predecía el modelo del pudín de ciruela. Sin embargo, algunas partículas se reflejaron o dispersaron, lo que va directamente en contra de la teoría de Thompson, dando lugar a una nueva teoría atómica: el modelo de Rutherford. Más adelante en el artículo encontrarás una explicación más detallada del procedimiento experimental y del propio modelo.

El descubrimiento del átomo por Demócrito

Aunque hemos mencionado a Demócrito como el padre de la teoría atómica inicial, no fue el único filósofo antiguo que contribuyó al descubrimiento del átomo. Resulta que su maestro menos famoso -el filósofo griego Leucipo- pudo ser el autor inicial de la teoría. Dicho esto, Demócrito sí inventó el nombre de las partículas indivisibles.

Fig. 2 - El filósofo de la antigua Grecia Demócrito impulsó el descubrimiento del átomo.

La descripción que Demócrito hizo del átomo fue muy específica, haciendo hincapié en su estructura constante y estable. Creía que los átomos eran inmutables, sólidos e indivisibles. Además, el átomo poseía las mismas propiedades que la materia que creaba. Por ejemplo, las cosas agrias estaban formadas por átomos puntiagudos, mientras que las dulces estaban asociadas a átomos lisos.

Aunque en muchos aspectos su teoría era abstracta y se basaba en puras especulaciones, resultó ser parcialmente correcta, y con el tiempo condujo al descubrimiento del átomo real.

Eldescubrimiento del átomo por Ernest Rutherford

Ernest Rutherford consiguió refutar el modelo del pudín de ciruela realizando el experimento de dispersión de Rutherford (también conocido como experimento de la lámina de oro). El aparato utilizado en este experimento puede verse en la Figura 3.

Fig. 3 - El aparato experimental utilizado por Rutherford, en el que las partículas \(\alfa) se dirigen a una lámina de oro y se detectan mediante un detector de partículas ajustable.

Los componentes principales de este montaje experimental son la fuente de partículas alfa dirigidas a una lámina de oro. Una vez atravesada, se localizan mediante un detector de partículas alfa, todo ello en una cámara de vacío. Durante el procedimiento experimental, aproximadamente cada ⁸⁰⁰⁰ partículas se reflejaban hacia atrás o se dispersaban en ángulos superiores a \(90^{circ}\}), por lo que el detector se ajustaba en consecuencia para captarlas. La desviación y dispersión de las partículas fue una observación asombrosa, pues Rutherford llegó a compararla con el disparo de una pistola contra papel higiénico y el rebote de la bala.

Las principales conclusiones extraídas del experimento de dispersión de Rutherford fueron las siguientes.

1. La mayor parte de la masa del átomo debe estar situada en el núcleo, que ocupa un volumen minúsculo.

2. El núcleo debe tener carga positiva, ya que repele las partículas alfa cargadas positivamente.

3. La mayor parte del átomo está formada por espacio vacío, ya que sólo unas pocas partículas son desviadas.

4. Para que el átomo permanezca neutro, debe contener electrones cargados negativamente lejos del núcleo cargado positivamente.

Éstas contradecían directamente el modelo del pudín de ciruela, lo que significaba que había que establecer una nueva estructura atómica. Como resultado, Rutherford ideó un nuevo modelo atómico conocido como modelo de Rutherford.

La última parte de su modelo, que proponía que los electrones tienen órbitas fijas alrededor del núcleo, similares a las de los planetas que orbitan alrededor del Sol, era incorrecta. Según la teoría electromagnética de Maxwell, el átomo no sería estable si ése fuera el caso.

Eldescubrimiento del átomo por Marie y Pierre Curie

Aunque los descubrimientos de Marie y Pierre Curie no están directamente relacionados con los átomos, sus descubrimientos ayudaron a la comprensión general de los átomos y su estructura.

Fig. 4 - Marie y Pierre Curie descubrieron el polonio y el radio, confirmando aún más la divisibilidad de los átomos. [1], CC BY 4.0 , vía Wikimedia Commons

Justo un año después del descubrimiento de los rayos X en 1995, el físico francés Henri Becquerel observó que el uranio emitía rayos similares por sí mismo. La alumna de Becquerel, Marie Curie, llevó sus observaciones más allá y, junto con su marido Pierre, estudió los materiales radiactivos y sus propiedades, lo que condujo al descubrimiento de elementos radiactivos totalmente nuevos: el polonio y el radio.

Una observación adicional que hicieron tras su descubrimiento fue que la energía de radiación procedía del interior del elemento, en forma de partículas diminutas, en lugar de proceder directamente de la superficie del material. Marie llamó a esta propiedad de la materia radiactividad, acuñando el término. Esto confirmó la divisibilidad y la naturaleza cambiante de los átomos, y desempeñó un papel importante en la comprensión de la estructura del átomo.