Teoría atómica de la materia Átomo es la porción más pequeña de la materia. El primero en utilizar este término fue Demócrito (lósofo griego, del año 5 a.de !.", porque cre#a que todos los elementos esta$an formados por pequeñas part#culas %&D%'%%)*E. Átomo, en griego, signica %&D%'%%)*E. Es la porción más pequeña de la materia. *os átomos son la unidad $ásica estructural de todos los materiales de ingenier#a. En la actualidad no ca$e pensar en el átomo como part#cula indi+isi$le, indi+isi$le, en él eisten una serie de part#culas su$atómicas de las que protones neutrones - electrones son las más importantes. *os *os átomos átomos están están forma formados dos por un ncleo ncleo,, de tamaño tamaño reduc reducido ido - cargad cargado o positi positi+am +ament ente, e, rodeado por una nu$e de electrones, que se encuentran en la corteza. ELECTRÓN Es una part#cula elemental con carga eléctrica negati+a igual a /,01 2 /3/4 !oulom$ - masa igua iguall a 4,/ 4,/4 4 2 /31 /316 6 g, que que se encu encuen entr tra a for forma mand ndo o part parte e de los los átom átomos os de todo todoss los los elementos. NEUTRÓN Es una part#cula elemental eléctricamente neutra - masa ligeramente superior a la del protón (mneutrón7/.085 2 /319 g", que se encuentra formando parte de los átomos de todos los elementos. PROTÓN Es una part#cula elemental con carga eléctrica positi+a igual a /,01 2 /3/4 !oulom$ - cu-a masa es /68 +eces ma-or que la del electrón (mprotón7/.08 2 /319 g". *a misma se encuentra formando parte de los átomos de todos los elementos. *a nu$e de carga electrónica constitu-e de este modo casi todo el +olumen del átomo, pero, sólo representa una pequeña parte de su masa. *os electrones, particularmente la masa eterna determinan la ma-or#a de las propiedades mecánicas, eléctrica, qu#micas, etc., de los átomos, as#, un conocimiento $ásico de estructura atómica es importante en el estudio $ásico de los materiales de ingenier#a. Teorías Desde la antig:edad, el ;om$re ;a intentado descri$irlo - eplicarlo. *a ;istoria del átomo se podr# podr#a a decir decir comien comienza za en la
osteriormente, el siguiente a+ance lo realizó el francés *a+oisier en /88 al decir que la materia no se crea ni se destru-e, sólo se transforma. El inglés Dalton, a principios del siglo ?%?, postuló que la materia esta$a compuesta por átomos esféricos idénticos para cada elemen ele mento, to, pero pero cada cada ele elemen mento to era distin distinto to a otro. otro. eguid eguido o a Dalto Dalton, n, el francé francéss <+ogadr +ogadro o comenzó a distinguir la diferencia entre un átomo - una molécula@ ésta ltima está compuesta por más de un átomo pese a que sea del mismo elemento, por eAemplo B , molécula de ozono compuesta por tres átomos de o#geno. En /604, el ruso %+ano+ic; crea por primera +ez una clasicación de los elementos, rigiéndose por la masa atómica de cada uno, siendo de esta manera el precursor de la ta$la periódica.
a los electrones por medio de una función de onda (descripción del estado f#sico de un sistema de part#culas" - no en ór$itas en torno al ncleo como s# lo ;icieron el resto de los cient#cos. ostiene que en el átomo eisten nu$es de electrones que rodean al ncleo - se encuentran difusos en el espacio. *os átomos cuando se encuentran en su estado $asal poseen la misma cantidad de protones electrones. >ero ;a- casos en que estos pueden eperimentar alguna carga eléctrica, -a sea positi+a o negati+a. < éstos se les llama átomos ionizados. En caso de que la carga sea positi+a, el átomo tu+o que ;a$er perdido uno o más electrones quedando de esta manera más protones, ese ión reci$e el nom$re de catión. En caso de que la carga sea negati+a, el átomo reci$ió uno o más electrones - adquiere el nom$re de anión. *a electrización de un átomo (perder o ganar electrón" ocurre como consecuencia del contacto, frotamiento o inducción con otro. < cada átomo le corresponde un elemento, - ;a- un nmero agotado de elementos en la Cierra, eactamente //6. Fn elemento com$inado con otro forma un compuesto, de esta manera ;aun sinf#n de compuestos en la Cierra. La teoría atómica de Dalton. Go;n Dalton (/8003/699". Hu#mico - f#sico $ritánico. !reó una importante teor#a atómica de la materia. En /6 formuló la le- que lle+a su nom$re - que resume las le-es cuantitati+as de la qu#mica (le- de la conser+ación de la masa, realizada por *a+oisier@ le- de las proporciones denidas, realizada por *ouis >roust@ le- de las proporciones mltiples, realizada por él mismo". u teor#a se puede resumir enI /.3 *os elementos qu#micos están formados por part#culas mu- pequeñas e indi+isi$les llamadas átomos. 1.3 Codos los átomos de un elemento qu#mico dado son idénticos en su masa - demás propiedades. .3 *os átomos de diferentes elementos qu#micos son distintos, en particular sus masas son diferentes. 9.3 *os átomos son indestructi$les - retienen su identidad en los cam$ios qu#micos. 5.3 *os compuestos se forman cuando átomos de diferentes elementos se com$inan entre s#, en una relación de nmeros enteros sencilla, formando entidades denidas (;o- llamadas moléculas". epresentación de distintos átomos segn DaltonI
Esto quer#a decir que un átomo de o#geno más un átomo de ;idrógeno da$a un átomo o molécula de agua. *a formación de agua a partir de o#geno e ;idrógeno supone la com$inación de átomos de estos elementos para formar JmoléculasJ de agua. Dalton, equi+ocadamente, supuso que la molécula de agua conten#a un átomo de o#geno - otro de ;idrógeno. Dalton, además de esta teor#a creó la le- de las proporciones mltiples. !uando los elementos se com$inan en más de una proporción, - aunque los resultados de estas com$inaciones son compuestos diferentes, eiste una relación entre esas proporciones. !uando dos elementos se com$inan para formar más de un compuesto, las cantidades de uno de ellos que se com$ina con una cantidad Aa del otro están relacionadas entre s# por nmeros enteros sencillos. < mediados del siglo ?%?, unos años después de que Dalton enunciara se teor#a, se desencadenó una serie de acontecimientos que fueron introduciendo modicaciones al modelo atómico inicial. De ;ec;o, el mundo atómico es tan innitamente pequeño para nosotros que resulta mu- dif#cil su conocimiento. &os ;allamos frente a él como si estu+iésemos delante de una caAa cerrada que no se pudiese a$rir. >ara conocer su contenido solamente podr#amos proceder a manipular la caAa (mo+erla en distintas direcciones, escuc;ar el ruido, pesarla..." - formular un modelo de acuerdo con nuestra eperiencia. Este modelo ser#a +álido ;asta que nue+as eperiencias nos induAeran a cam$iarlo por otro. De la misma manera se ;a ido constru-endo el modelo atómico actual@ de Dalton ;asta nuestros d#as se ;an ido sucediendo diferentes eperiencias que ;an lle+ado a la formulación de una serie de modelos in+alidados sucesi+amente a la luz de nue+os acontecimientos. El modelo atómico de Thomsom. C;omson, sir Gosep; Ao;n (/6503/49". K#sico $ritánico. egn el modelo de C;omson el átomo consist#a en una esfera uniforme de materia cargada positi+amente en la que se ;alla$an incrustados los electrones de un modo parecido a como lo están las semillas en una sand#a. Este sencillo modelo eplica$a el ;ec;o de que la materia fuese eléctricamente neutra, pues en los átomos de C;omson la carga positi+a era neutralizada por la negati+a. ara este cálculo realizó un eperimentoI ;izo pasar un ;az de ra-os catódicos por un campo eléctrico - uno magnético. !ada uno de estos campos, actuando aisladamente, des+ia$a el ;az de ra-os en sentidos opuestos. i se deAa$a Ao el campo eléctrico, el campo magnético pod#a +ariarse ;asta conseguir que el ;az de ra-os siguiera la tra-ectoria ;orizontal original@ en este momento las fuerzas eléctricas - magnética eran iguales -, por ser de sentido contrario se anula$an. El segundo paso consist#a en eliminar el campo magnético - medir la des+iación sufrida por el ;az de$ido al campo eléctrico. esulta que los ra-os catódicos tienen una relación carga a masa más de /. +eces superior a la de cualquier ion. Esta constatación lle+ó a C;omson a suponer que las part#culas que forman los ra-os catódicos no eran átomos cargados sino fragmentos de átomos, es decir, part#culas su$atómicas a las que llamó electrones.
*as placas se colocan dentro de un tu$o de +idrio cerrado, al que se le etrae el aire, - se introduce un gas a presión reducida. El modelo de Rutherford. ir Ernest ut;erford (/68/3/48", famoso ;om$re de ciencia inglés que o$tu+o el premio &o$el de qu#mica en /4/4, realizó en /4// una eperiencia que supuso en paso adelante muimportante en el conocimiento del átomo. *a eperiencia de ut;erford consistió en $om$ardear con part#culas alfa una n#sima lámina de oro. *as part#culas alfa atra+esa$an la lámina de oro - eran recogidas so$re una pantalla de sulfuro de cinc. *a importancia del eperimento estu+o en que mientras la ma-or#a de part#culas atra+esa$an la lámina sin des+iarse o siendo des+iadas solamente en pequeños ángulos, unas cuantas part#culas eran dispersadas a ángulos grandes ;asta /6L. El ;ec;o de que sólo unas pocas radiaciones sufriesen des+iaciones ;izo suponer que las cargas positi+as que las des+ia$an esta$an concentradas dentro de los átomos ocupando un espacio mu- pequeño en comparación a todo el tamaño atómico@ esta parte del átomo con electricidad positi+a fue llamado ncleo. ut;erford pose#a información so$re el tamaño, masa - carga del ncleo, pero no ten#a información alguna acerca de la distri$ución o posición de los electrones. En el modelo de ut;erford, los electrones se mo+#an alrededor del ncleo como los planetas alrededor del sol. *os electrones no ca#an en el ncleo, -a que la fuerza de atracción electrostática era contrarrestada por la tendencia del electrón a continuar mo+iéndose en l#nea recta. Este modelo fue satisfactorio ;asta que se o$ser+ó que esta$a en contradicción con una información -a conocida en aquel momentoI de acuerdo con las le-es del electromagnetismo, un electrón o todo o$Aeto eléctricamente cargado que es acelerado o cu-a dirección lineal es modicada, emite o a$sor$e radiación electromagnética. El electrón del átomo de ur;erford modica$a su dirección lineal continuamente, -a que segu#a una tra-ectoria circular. >or lo tanto, de$er#a emitir radiación electromagnética - esta radiación causar#a la disminución de la energ#a del electrón, que en consecuencia de$er#a descri$ir una tra-ectoria en espiral ;asta caer en el ncleo. El modelo de ut;erford fue sustituido por el de )o;r unos años más tarde. El modelo atómico de Bhor. &iels )o;r (/6653/401 fue un f#sico danés que aplicó por primera +ez la ;ipótesis cuántica a la estructura atómica, a la +ez que $uscó una eplicación a los espectros discontinuos de la luz emitida por los elementos gaseosos. Codo ello lle+ó a formular un nue+o modelo de la estructura electrónica de los átomos que supera$a las dicultades del átomo de ut;erford. Este modelo implica$a los siguientes postuladosI /.3 El electrón ten#a ciertos estados denidos estacionarios de mo+imiento (ni+eles de energ#a" que le eran permitidos@ cada uno de estos estados estacionarios ten#a una energ#a Aa - denida. 1.3 !uando un electrón esta$a en uno de estos estados no irradia$a pero cuando cam$ia$a de estado a$sor$#a o desprend#a energ#a. .3 En cualquiera de estos estados, el electrón se mo+#a siguiendo una ór$ita circular alrededor del ncleo.
9.3 *os estados de mo+imiento electrónico permitidos eran aquellos en los cuales el momento angular del electrón (m 2 + 2 r " era un mltiplo entero de ;M1 2 ./9. 'emos pues que )o;r aplica$a la ;ipótesis cuántica por >lancN en /4. *a teor#a ondulatoria electromagnética de la luz era satisfactoria en cuanto eplica$a algunos fenómenos ópticos tales como la difracción o la dispersión, pero no eplica$a otros fenómenos tales como la irradicación de un cuerpo sólido caliente. >lancN resol+ió el pro$lema suponiendo que un sistema mecánico no pod#a tener cualquier +alor de la energ#a, sino solamente ciertos +alores. lancN consideró que una onda electromagnética de frecuencia era emitida por un grupo de átomos que circula$a con la misma frecuencia. or otro lado, el modelo de )o;r supon#a una eplicación de los espectros discontinuos de los gases, en particular del más sencillo de todos, el ;idrógeno. Fna ra-a de un espectro correspond#a a una radiación de una determinada frecuencia. O>or qué un elemento emite solamente cierta frecuenciaP 'eamos la respuestaI En condiciones normales los electrones de un átomo o ion se sitan en los ni+eles de más $aAa energ#a. !uando un átomo reci$e suciente energ#a, es posi$le que un electrón salte a un ni+el superior a aquel en que se ;alla. Este proceso se llama ecitación. Fn electrón ecitado se ;alla en un estado inesta$le - desciende a un ni+el inferior, emitiendo una radiación cu-a energ#a será igual a la diferencia de la que tienen los dos ni+eles. *a energ#a del electrón en el átomo es negati+a porque es menor que la energ#a del electrón li$re.
la carga de aquellos. Estas part#culas esta$les con signo positi+o se las llamó protón. u masa es igual a /,08/318 Ng. !on estas dos part#culas, se intentó construir todos los átomos conocidos, pero no pudo ser as# porque falta$an unas de las part#culas elementales del ncleo que fue descu$ierto por G. !;adQicN en /41 - que se llamó neutrón. Esta part#cula era de carga nula - su masa es liger#simamente superior a la del protón (/,08961/318Ng.". ituados en ór$itas alrededor del ncleo se ;allan los electrones, part#culas esta$les de carga eléctrica negati+a - con una masa igual a 4,///3/Ng. El modelo de )o;r eplica el espectro del átomo de ;idrógeno, pero no los de átomos ma-ores. >ara eplicar estos - otros fenómenos ;a surgido la mecánica cuántica.
El espectro de la luz $lanca está constituido por una sucesión de colores (colores del espectro", cada uno de los cuales corresponde a una longitud de onda $ien precisa. Fn espectro puede serI de emisión, cuando se o$tiene a partir de la radiación directamente emitida por un cuerpo@ de a$sorción, cuando es el resultante del paso de la radiación a tra+és de un determinado a$sor$ente. e distingue tam$ién entreI discretos, o de ra-as, constituidos por una serie de l#neas aisladas@ continuos, que contienen todas las longitudes de onda entre dos l#mites, - de $andas, constituidos por una serie de zonas continuas separadas por espacios oscuros. *os átomos producen espectros de l#neas, las moléculas de $andas - los sólidos - l#quidos espectros continuos. Princiio de la teoría atómica moderna Coda la materia está ;ec;a de átomos, que no pueden ser destruidos ni creados. *os átomos están ;ec;os de electrones, protones - neutrones, no es indi+isi$le pero s# es la part#cula más pequeña que toma parte en las reacciones qu#micas. *os átomos de un elementos pueden tener masas +aria$les, eso se llama isótopos. *os átomos de diferentes elementos pueden tener el mismo nmero de masa. e llaman iso$aras. "Cu#les son las diferencias $ similitudes de las teorías atómicas% Dalton cre#a que la materia esta$a compuesta por part#culas indi+isi$les llamadas átomos (incorrecto, diferencia con los otros modelos", sin em$argo cre#a que cada sustancia ten#a un tipo espec#co de átomo, a diferencia de los griegos (correcto, similitud con los otros modelos" C;omson, cre#a que los átomos eran una esfera de carga positi+a uniforme (incorrecto, diferencia con los otros modelos", sin em$argo sa$#a de la eistencia de part#culas pequeñas cargadas negati+amente, los electrones (correcto, similitud con ut;erford - )o;r, diferencia con Dalton", segn su modelo los electrones esta$an distri$uidos aleatoriamente en la esfera como las pasas en un pud#n (incorrecto diferencia con los otros modelos" ut;erford, cre#a que la ma-or parte de la masa del átomo esta$a concentrada en su centro, el ncleo - que este ncleo esta$a cargado positi+amente (correcto, similitud con )o;r, diferencia con Dalton - C;omson", que los electrones gira$an en ór$itas alrededor del ncleo como los planetas alrededor del sol (aproimación, similitud con )o;r, diferencia con C;omson - Dalton" )o;r, el ncleo posee la ma-or parte de la masa del átomo, tiene carga positi+a, los electrones giran en ór$itas alrededor del ncleo (similitud con ut;erford", la aportación de )o;r fue que propuso que los electrones saltan de un ni+el superior a uno inferior li$erando energ#a en forma de fotones de luz (diferencia con los otros modelos"