El átomo

El átomo es un concepto estudiado principalmente por la química y la física, que lo definen como la unidad básica y estructural de la materia. Lo constituye un núcleo en el centro, que contiene protones y neutrones. Los protones poseen carga eléctrica positiva y los neutrones carecen de carga. Al núcleo le rodean electrones de carga negativa.

Desde antaño, el hombre ha intentado describirlo y explicarlo. La historia del átomo se podría decir comienza en la Antigua Grecia con los filósofos Demócrito, Leucipo y Epicuro quienes postularon que debía existir una unidad indivisible que formara todos los cuerpos existentes. Posteriormente, el siguiente avance lo realizó el francés Lavoisier en 1773 al decir que la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma. El inglés Dalton, a principios del siglo XIX, postuló que la materia estaba compuesta por átomos esféricos idénticos para cada elemento, pero cada elemento era distinto a otro. Seguido a Dalton, el francés Avogadro comenzó a distinguir la diferencia entre un átomo y una molécula; ésta última esta compuesta por más de un átomo pese a que sea del mismo elemento, por ejemplo O₃ , molécula de ozono compuesta por tres átomos de oxígeno. En 1869, el ruso Ivanovich crea por primera vez una clasificación de los elementos, rigiéndose por la masa atómica de cada uno, siendo de esta manera el precursor de la tabla periódica.

Al igual que la teoría atómica, el modelo atómico también posee una historia de descubrimientos, cuyos principales protagonistas fueron Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, y por último Schrödinger quien postuló el modelo más aceptado por la comunidad de científicos de la actualidad. Este modelo responde a la mecánica cuántica, y tiene la particularidad de describir a los electrones por medio de una función de onda (descripción del estado físico de un sistema de partículas) y no en órbitas en torno al núcleo como sí lo hicieron el resto de los científicos. Sostiene que en el átomo existen nubes de electrones que rodean al núcleo y se encuentran difusos en el espacio.

Los átomos cuando se encuentran en su estado basal poseen la misma cantidad de protones y electrones. Pero hay casos en que estos pueden experimentar alguna carga eléctrica, ya sea positiva o negativa. A éstos se les llama átomos ionizados. En caso de que la carga sea positiva, el átomo tuvo que haber perdido uno o más electrones quedando de esta manera más protones, ese ión recibe el nombre de catión. En caso de que la carga sea negativa, el átomo recibió uno o más electrones y adquiere el nombre de anión. La electrización de un átomo (perder o ganar electrón) ocurre como consecuencia del contacto, frotamiento o inducción con otro.

A cada átomo le corresponde un elemento, y hay un número agotado de elementos en la Tierra, exactamente 118. Un elemento combinado con otro forma un compuesto, de esta manera hay un sinfín de compuestos en la Tierra.

Modelo atómico de Schrödinger

El modelo atómico de Schrödinger (1924) es un modelo cuántico no relativista. Se basa en la solución de la ecuación de Schrödinger para un potencial electrostático con simetría esférica, llamado también átomo hidrogenoide. En este modelo los electrones se contemplaban originalmente como una onda estacionaria de materia cuya amplitud decaía rápidamente al sobrepasar el radio atómico.

El modelo de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno. En los espectros realizados para otros átomos se observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían energías ligeramente diferentes. Esto no tenía explicación en el modelo de Bohr, y sugería que se necesitaba alguna corrección. La propuesta fue que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles. La forma concreta en que surgieron de manera natural estos subniveles, fue incorporando órbitas elípticas y correcciones relativistas. Así, en 1916, Arnold Sommerfeld modificó el modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones sólo giraban en órbitas circulares, al decir que también podían girar en órbitas elípticas más complejas y calculó los efectos relativistas.

Modelo atómico de Bohr

El modelo atómico de Bohr o de Bohr-Rutherford es un modelo clásico del átomo, pero fue el primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización a partir de ciertos postulados. Fue propuesto en 1913 por el físico danés Niels Bohr, para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford). Además el modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico, explicado por Albert Einstein en 1905.

Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para hacer el modelo que lleva su nombre. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción discretos que se observan en los gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo atómico de Bohr partía conceptualmente del modelo atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre cuantización que habían surgido unos años antes con las investigaciones de Max Planck y Albert Einstein. Debido a su simplicidad el modelo de Bohr es todavía utilizado frecuentemente como una simplificación de la estructura de la materia.

En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercanacircular emitiría energía por lo que los electrones deberían colapsar sobre el núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este problema Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante. Este número "n" recibe el nombre de Número Cuántico Principal.

Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado y sólo podía variar en fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno.

Estos niveles en un principio estaban clasificados por letras que empezaban en la "K" y terminaban en la "Q". Posteriormente los niveles electrónicos se ordenaron por números. Cada órbita tiene electrones con distintos niveles de energía obtenida que después se tiene que liberar y por esa razón el electrón va saltando de una órbita a otra hasta llegar a una que tenga el espacio y nivel adecuado, dependiendo de la energía que posea, para liberarse sin problema y de nuevo volver a su órbita de origen.

Sin embargo no explicaba el espectro de estructura fina que podría ser explicado algunos años más tarde gracias al modelo atómico de Sommerfeld. Históricamente el desarrollo del modelo atómico de Bohr junto con la dualidad onda-corpúsculo permitiría a Erwin Schrödinger descubrir la ecuación fundamental de la mecánica  posible al núcleo. Elelectromagnetismo clásico predecía que una partícula cargada moviéndose de forma cuántica.

Modelo atómico de Rutherford

El modelo atómico de Rutherford es un modelo atómico o teoría sobre la estructura interna del átomo propuesto por el químico y físico británico-neozelandés Ernest Rutherford para explicar los resultados de su "experimento de la lámina de oro", realizado en 1911.

El modelo de Rutherford fue el primer modelo atómico que consideró al átomo formado por dos partes: la "corteza", constituida por todos sus electrones, girando a gran velocidad alrededor de un "núcleo", muy pequeño, que concentra toda la carga eléctrica positiva y casi toda la masa del átomo.

Rutherford llegó a la conclusión de que la masa del átomo se concentraba en una región pequeña de cargas positivas que impedian el paso de las partículas alfa. Sugirió un nuevo modelo en el cual el átomo poseía un núcleo o centro en el cual se concentra la masa y la carga positiva, y que en la zona extranuclear se encuentran los electrones de carga negativa.

Modelo atómico de Thomson

El modelo atómico de Thomson, es una teoría sobre la estructura atómica propuesta en 1904 por Joseph John Thomson, quien descubrió el electrón en 1897, mucho antes del descubrimiento del protón y del neutrón. En dicho modelo, el átomo está compuesto por electrones de carga negativa en un átomo positivo, como un pudín de pasas. Se pensaba que los electrones se distribuían uniformemente alrededor del átomo. En otras ocasiones, en lugar de una nube de carga negativa se postulaba con una nube de carga positiva.

Modelo atómico de Dalton

El modelo atómico de Dalton surgido en el contexto de la química, fue el primer modelo atómico con bases científicas, formulado en 1808 por John Dalton. El siguiente modelo fue el modelo atómico de Thomson.

El modelo permitió aclarar por primera vez por qué las sustancias químicas reaccionaban en proporciones estequiométrícas fijas (Ley de las proporciones múltiples), y por qué cuando dos sustancias reaccionan para formar dos o más compuestos diferentes, entonces las proporciones de estas relaciones son números enteros. Por ejemplo 14 g de carbono (C), pueden reaccionar con 16 g de oxígeno (O₂) para formar monóxido de carbono (CO) o pueden reaccionar con 32 g de oxígeno para formar [[dióxido de carbono [CO2]](CO₂). Además el modelo aclaraba que aún existiendo una gran variedad de sustancias diferentes, estas podían ser explicadas en términos de una cantidad más bien pequeña de constituyentes elementales o elementos. En esencia, el modelo explicaba la mayor parte de la química orgánica del siglo XIX, reduciendo una serie de hechos complejos a una teoría combinatoria realmente sencillo.