Modelos atómicos

¿Para qué sirve esto?

Nadie ha visto un átomo como ves una piedra. Entonces, ¿cómo sabemos que tiene un núcleo y electrones? Lo sabemos de la misma forma en que un médico sabe qué tienes sin abrirte: por las evidencias. Con ellas se construye un modelo, una imagen simplificada que explica lo observado. Cuando aparece un resultado que el modelo no explica, se corrige o se cambia por otro.

En esta lección vas a recorrer cuatro ideas del átomo y, para cada una, qué evidencia explicaba y cuál no. Más que memorizar dibujos, vas a ver cómo trabaja la ciencia: un modelo no es «verdadero» o «falso» para siempre, sino útil hasta donde llegan sus explicaciones.

Antes de empezar necesitas recordar las partículas del átomo, la diferencia entre elemento y compuesto, y qué es una potencia, como 3².

Primera idea: esferas que no se dividen

La primera evidencia viene de los compuestos. En la lección sobre la materia viste que un compuesto tiene siempre la misma proporción en masa de sus elementos: en el agua pura, la masa del oxígeno es siempre 8 veces la del hidrógeno. Y hay algo más: cuando dos elementos forman varios compuestos, como el carbono y el oxígeno, las masas de oxígeno que se unen a una misma masa de carbono están en una relación de números enteros pequeños.

Esas regularidades se explican si la materia está hecha de átomos: partículas diminutas que no se dividen, iguales entre sí en un mismo elemento y distintas de un elemento a otro. Un compuesto es una combinación de átomos enteros en una relación fija, y en una reacción los átomos se reacomodan, sin crearse ni destruirse. Por eso la masa se conserva.

Este modelo explicaba muy bien las proporciones fijas y la conservación de la masa. Pero no decía nada de la electricidad, y en él el átomo no tenía partes.

Segunda idea: el átomo tiene electrones

Cuando se hace pasar electricidad por un tubo de vidrio con un gas a muy baja presión, del metal conectado al polo negativo sale un rayo. Ese rayo se desvía hacia una placa con carga positiva, así que lleva carga negativa, y sale igual sea cual sea el metal o el gas. La conclusión: dentro de los átomos de cualquier elemento hay unas partículas negativas, mucho más livianas que el átomo, a las que llamamos electrones.

Entonces el átomo sí tiene partes. Como la materia es neutra, el nuevo modelo imaginó el átomo como una esfera de carga positiva repartida, con los electrones incrustados, como las pasas en un pastel. Este modelo explicaba los electrones y la neutralidad, pero todavía no decía cómo estaba repartida la carga positiva.

Tercera idea: un núcleo pequeño

La siguiente evidencia salió de lanzar partículas con carga positiva contra una lámina de metal muy delgada. Si la carga positiva estuviera repartida por todo el átomo, todas las partículas pasarían con desviaciones pequeñas. Lo que se observó fue otra cosa:

• casi todas las partículas atravesaban la lámina sin desviarse;
• unas pocas se desviaban mucho, y algunas rebotaban hacia atrás.

Para que una partícula positiva rebote, tiene que acercarse a algo mucho más pesado que ella y con carga positiva concentrada, que la repela. Y para que casi todas pasen, ese algo tiene que ser muy pequeño. Así nació el modelo nuclear: casi toda la masa y toda la carga positiva están en un núcleo diminuto en el centro, y los electrones se mueven alrededor, en un espacio mucho más grande y casi vacío. Más tarde se encontró que el núcleo tiene protones y neutrones, y con este modelo tienen sentido los números Z y A de la lección anterior.

El modelo nuclear tampoco lo explicaba todo. Un gas que se calienta o por el que pasa electricidad emite luz, y si esa luz se separa con un prisma no aparece un arcoíris continuo, sino unas pocas líneas de colores, siempre las mismas para cada elemento. El modelo nuclear no decía por qué.

Cuarta idea: niveles de energía

La explicación fue que el electrón no puede tener cualquier energía, sino solo ciertos valores permitidos: los niveles de energía, numerados $n = 1, 2, 3, \ldots$ desde el más cercano al núcleo. Cuando un electrón pasa de un nivel alto a uno más bajo, suelta la diferencia de energía como luz de un color preciso. Como los niveles de cada elemento son fijos, los colores también lo son: las líneas son como la huella digital del elemento.

En este modelo, cada nivel admite un número máximo de electrones:

$$\text{máximo de electrones en el nivel } n = 2n^2$$

Para los primeros 18 elementos, los electrones llenan los niveles en orden: primero el nivel 1, luego el 2 y luego el 3. Desde el elemento 19 el orden se complica, y eso lo verás en la próxima unidad, con los subniveles.

El modelo actual

Hoy se sabe que el electrón no sigue una órbita como un planeta: solo se puede decir en qué región es más probable encontrarlo. El modelo actual conserva el núcleo y los niveles de energía, y los afina con subniveles y orbitales. Cada modelo conservó lo que los anteriores explicaban bien y descartó lo que las evidencias contradecían, como la carga positiva repartida por todo el átomo o las órbitas fijas del electrón.

En resumen

• Un modelo del átomo explica las evidencias disponibles y se corrige cuando aparece una que no explica.

• Las proporciones fijas de los compuestos y la conservación de la masa se explican con átomos que se combinan enteros.

• La salida de partículas negativas de cualquier material mostró que el átomo tiene electrones, y por tanto partes.

• El rebote de unas pocas partículas en una lámina de metal llevó a un núcleo pequeño, positivo y con casi toda la masa.

• Las líneas de colores de los gases se explican con niveles de energía; el nivel n admite como máximo 2n² electrones.

Vocabulario

Modelo científico

Representación simplificada de algo que no se puede ver directamente, construida para explicar las evidencias y hacer predicciones. Se cambia o se mejora cuando aparece una evidencia que no explica.

Evidencia

Resultado de una observación o de un experimento que sirve para aceptar, corregir o descartar un modelo.

Núcleo atómico

Parte central del átomo, muy pequeña comparada con el átomo entero, donde están los protones y los neutrones y casi toda la masa.

Nivel de energía

Cada uno de los valores de energía permitidos para un electrón en el átomo. Se numeran n = 1, 2, 3…, del más cercano al núcleo al más lejano.