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• ORLANDO DAVID MARBELLO OSPINA

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UNDÉCIMA SEMANA

W W W . I TS A . E DU . CO VIGILADA MINEDUCACIÓN

MODELOS ATÓMICOS: THOMSON Y RUTHERFORD

MSc. Jorge Fajardo Molinares

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Como se indicó en las secciones anteriores, todos los objetos emiten una radiación térmica, caracterizada por una distribución continua de longitudes de onda. En marcado contraste con este espectro de distribución continua, está el espectro de línea discreto que se observa cuando un gas a baja presión se somete a una descarga eléctrica. (La descarga eléctrica se presenta cuando el gas es sometido a una diferencia de potencial que produce un campo eléctrico mayor que la resistencia dieléctrica del gas). La observación y el análisis de estas líneas espectrales se conoce como espectroscopia de emisión.

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EJEMPLO 21 La figura proporciona las longitudes de onda de la línea a la extrema izquierda en cada una de las primeras cuatro series en el espectro de hidrógeno. ¿Cuáles son las longitudes de onda para las líneas de la extrema derecha en cada serie?

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Solución

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EJEMPLO 22 ¿Cuál es la longitud de onda más corta de la luz que un átomo de hidrógeno emitirá? Solución

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EJEMPLO 23 Determine la longitud de onda de la segunda línea en la serie de Paschen. Solución

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Modelo Atómico de Thomson. JOSEPH JOHN THOMSON.18 de Diciembre de 1856 – 27 de julio de 1844. También conocido como el modelo Pudín con pasas. Desarrollado en 1904. Sir Joseph John Thomson fue un científico británico que descubrió la primera partícula subatómica, el electrón. J.J. Thomson descubrió partículas cargadas negativamente mediante un experimento de tubo de rayos catódicos en el año 1897. Como consecuencia de este descubrimiento, y considerando que aún no se tenía evidencia del núcleo de átomo, Thomson pensó que los electrones se encontraban inmersos en una sustancia de carga positiva que contrarrestaba la carga negativa de los electrones, ya que los átomos tienen carga neutral. Algo semejante a tener una gelatina con pasas flotando adentro. Por este motivo a su modelo atómico se le conoció como el modelo del pudín con pasas. En este modelo, Thompson aún llamaba a los electrones corpúsculos y consideraba que estaban dispuesto en forma no aleatoria, en anillos giratorios, sin embargo la parte positiva permanecía en forma indefinida. MSc. Jorge Fajardo Molinares

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Este modelo creado en 1904, nunca tuvo una aceptación académica generalizada y fue rápidamente descartado cuando en 1909 Geiger y Marsden hicieron el experimento de la lámina de oro. En este experimento, estos científicos, también residentes de la universidad de Manchester y discípulos de Ernst Rutherford, hicieron pasar un haz de partículas alfa de Helio, a través de una lámina de oro. Las partículas alfa son iones de un elemento, o sea, núcleos sin electrones y por lo tanto con carga positiva. El resultado fue que este haz se dispersaba al pasar por la lámina de oro, lo que hacía concluir que debía haber un núcleo con fuerte carga positiva que desviaba el haz. En el modelo atómico de Thomson, la carga positiva estaba distribuida en la “gelatina” que contenía los electrones por lo que un haz de iones debería pasar a través del átomo en ese modelo. El descubrimiento del electrón también contravenía a una parte del modelo atómico de Dalton que consideraba que el átomo era indivisible, lo que impulsó a Thompson en pensar en el modelo del “pudín de ciruelas”. MSc. Jorge Fajardo Molinares

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Características del modelo atómico de Thomson. 1. Un átomo se asemeja a una esfera con materia de carga positiva y con electrones (partículas cargadas negativamente) presentes dentro de la esfera. 2. La carga positiva y negativa es igual en magnitud y, por lo tanto, un átomo no tiene carga en su conjunto y es eléctricamente neutro. 3. Para tener átomos con carga neutra, los electrones deberían estar inmersos en una sustancia con carga positiva. 4. Aunque no era parte explícita del modelo, este modelo no tenía núcleo atómico. Al crear este modelo, Thomson abandonó su hipótesis anterior de “átomo nebular” en la que los átomos estaban compuestos de vórtices inmateriales. Como científico consumado, Thomson creó su modelo atómico en basado en las evidencias experimentales conocidas en su tiempo. A pesar de que el modelo atómico de Thomson era inexacto, sentó las bases para los modelos posteriores más exitosos. Incluso, condujo a experimentos que pese a que demostraron su inexactitud, llevaron a nuevas conclusiones.

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Limitaciones y Errores del modelo atómico de Thomson. El modelo atómico de Thomson no pudo explicar cómo se mantiene la carga en los electrones dentro del átomo. Tampoco pudo explicar la estabilidad de un átomo. La teoría no mencionó nada sobre el núcleo del átomo. Los protones y los neutrones aún no eran descubiertos y Thomson un científico serio se basó principalmente en crear una explicación con los elementos científicamente probados en la época. Fue rápidamente descartado por los experimentos de la lámina de oro. En este experimento se demostró que debería existir algo dentro del átomo con una fuerte carga positiva y mayor masa, el núcleo.

Impacto del Modelo de Thomson. Pese a sus deficiencias y su breve vida, el modelo del “Pudín con pasas” representó un paso importante en el desarrollo de la teoría atómica ya que incorporó partículas subatómicas y nuevos descubrimientos, como la existencia del electrón, e introdujo la noción del átomo como una masa no inerte y divisible. A partir de este modelo, los científicos supusieron que los átomos estaban compuestos de unidades más pequeñas, y que los átomos interactuaban entre sí a través de muchas fuerzas diferentes. MSc. Jorge Fajardo Molinares

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Modelo Atómico de Rutherford. ERNEST RUTHERFORD. Vivió desde: 20 de agosto de 1871 – 19 de octubre de 1937. También llamado el modelo planetario. Desarrollado en 1911. Después del modelo de Thomson que consideraba que los electrones se encontraban en un medio de carga positiva, dos ayudantes de Rutherford, Geiger y Marsden, realizaron en 1909 un estudio conocido como “el experimento de la hoja de oro”, el cual demostró que el modelo del “pudín con pasas” de Thomson estaba equivocado ya que mostraron que el átomo tenía una estructura con una fuerte carga positiva. Este experimento, diseñado y supervisado por Rutherford, condujo a conclusiones que terminaron en el modelo atómico de Rutherford presentado en 1911.

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El Experimento de la Hoja de Oro Esta serie de experimentos fueron realizados entre 1909 y 1913 en los laboratorios de física de la Universidad de Manchester por un par de científicos, Hans Geiger y Ernest Marsden, colaboradores de Ernest Rutherford y bajo la supervisión del mismo. La importancia de estos experimentos radica en el hecho que sus resultados y conclusiones condujeron a un nuevo y revolucionario modelo atómico.

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El experimento consistía en bombardear con partículas alfa una lamina delgada de oro de 100 nm de espesor. Las partículas alfa eran iones, o sea átomos sin electrones por lo que solamente tenían protones y neutrones y en consecuencia una carga positiva. Si el modelo de Thomson era correcto, las partículas alfa atravesarían los átomos de oro en línea recta. Para estudiar la deflexión causada a las partículas alfa, colocó un filtro fluorescente de sulfuro de zinc alrededor de la fina lámina de oro donde pudieron observar que aunque algunas partículas atravesaban los átomos de oro en línea recta, pero otras eran desviadas en direcciones aleatorias. Conclusiones del Experimento Los modelos atómicos anteriores consideraban que la carga positiva estaba distribuida uniformemente en el átomo, lo cual haría fácil atravesarla dado que su carga no sería tan fuerte en un punto determinado. Los resultados inesperados del experimento, hicieron concluir a Rutherford que el átomo tenía un centro con una fuerte carga positiva que cuando un partícula alfa intentaba pasar era rechazada por esta estructura central. Considerando la cantidad de partículas reflejadas y las que no lo eran, pudo determinar el tamaño de ese núcleo comparado con la órbita de los electrones a su alrededor y también pudo concluir que la mayor parte del espacio de un átomo está vacío. MSc. Jorge Fajardo Molinares

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Adicionalmente, algunas de las partículas alfa fueron desviadas por la lámina de oro en ángulos muy pequeños, y por lo tanto pudo concluir que la carga positiva en un átomo no está uniformemente distribuida. La carga positiva en un átomo se concentra en un volumen muy pequeño. Finalmente, como muy pocas de las partículas alfa se desviaron hacia atrás, es decir, como si hubieran rebotado pudo deducir que el volumen ocupado por las partículas cargadas positivamente en un átomo es muy pequeño en comparación con el volumen total de un átomo. En consecuencia de todos estos interesantes descubrimientos, fue evidente para Rutherford que el modelo atómico como se conocía estaba erróneo por lo que creó uno nuevo con las siguientes consideraciones:

Principios básicos del modelo atómico de Rutherford. Las partículas con carga positiva se encuentran en un volumen muy pequeño comparado con el tamaño del átomo. La mayor parte de la masa del átomo se encuentra en ese pequeño volumen central. Rutherford no lo llamó “núcleo” en sus papales iniciales pero lo hizo a partir de 1912. Los electrones con carga eléctrica negativa, giran alrededor del núcleo. Los electrones gira a altas velocidades alrededor del núcleo y en trayectorias circulares a las que llamó órbitas. Tanto los electrones cargados negativamente como el núcleo con carga positiva MSc. Jorge Fajardo Molinares 185 se mantienen unidos por una fuerza de atracción electrostática.

Aceptación del Modelo Atómico de Rutherford Este modelo tuvo gran aceptación en la comunidad científica y vislumbró un panorama de un átomo con varias partículas subatómicas. Científicos posteriores pudieron determinar el número de electrones o número atómico de cada elemento. Culturalmente, pese a todos los nuevos descubrimientos, el modelo tipo planetario de Rutherford-Bohr es el que sigue en la mente de la mayoría de la gente y es aún la forma más sencilla de explicar el funcionamiento de un átomo, con un núcleo de protones y neutrones y electrones en órbitas girando alrededor.

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Limitaciones y Errores en el modelo de Rutherford

Aunque el modelo atómico de Rutherford fue un gran avance en la física, no era perfecto ni completo, de hecho de acuerdo a las leyes de Newton era algo imposible y tampoco explicaba un aspecto importante de las leyes de Maxwell. Este modelo no pudo explicar ciertas cosas como: No tenía una explicación de cómo se mantenían unidas un grupo de cargas positivas en el núcleo. Según la teoría eléctrica, las cargas positivas se deberían repeler. Sin embargo, el núcleo era la unión de varios Protones. Otra contradicción de este modelo fue hacia las leyes fundamentales de la electrodinámica, ya que al considerar que los electrones con carga negativa giran alrededor del núcleo, según las leyes de Maxwell, deberían emitir radiación electromagnética. Esta radiación consumiría energía que haría que los electrones colapsaran con el núcleo. Por lo tanto, no podía explicar la estabilidad del átomo.

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Consideraciones adicionales del Modelo de Rutherford. Aunque el modelo atómico se Rutherford fue rápidamente sustituido por el modelo de Bohr que resolvía algunos de los problemas anteriores, el nuevo concepto fue realmente revolucionario y el principio de una nueva era de estudio del átomo y sus posibilidades por lo que se le considera el padre de la física nuclear.

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ACTIVIDAD No.11 Reunirse en grupos de 2 estudiantes y trabajar en los siguiente: Construir una Línea de tiempo de renovación de la Física Atómica Se recomienda utilizar: • Purcell, E. M. (1988). Electricidad y magnetismo (Vol. 2). Reverté. • Cualquier otra texto de consulta Se recomienda presentar en la línea, las grandes autorías por contextos (europeo, latinoamericano y mundial). Este producto será diseñado en cualquier formato (Excell, Dipity, SmartDraw, etc.) que se desee y tendrá en cuenta aquellas personalidades contemporáneas que consideren de mayor relevancia para el magnetismo (Al menos 10 autorías). En cada escala (divisiones de líneas) se ubicará el nombre de un/a físico/a y a partir de palabras claves:

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1. Su biografía 2. Sus teorías y principios fundamentales 3. Aportes significativos en la historia.

La actividad completa se evaluará teniendo en cuenta: 1. Adecuación a los elementos de la guía (10%) 2. Profundización de contenidos y manejo de fuentes (15%) 3. Originalidad digital y creativa (10%) 4. Identificación de los aportes principales de los Físicos (al menos 10 Físicos) (50%) 5. Impacto en la realidad científica (15%).

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