TEMA 1 NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA

Hoy en día el mundo científico tiene una idea lo suficientemente precisa de la estructura atómica, como para poder explicar el comportamiento de los átomos y moléculas en las reacciones químicas. Ahora bien, a nadie se le escapa que este conocimiento de la estructura atómica es el resultado de numerosos experimentos, los cuales comenzaron a finales del sioglo XIX. El objetivo de este primer capítulo es efectuar una revisión de los experimentos que contribuyeron de forma más relevante a forjar la actual teoría atómica.

Los tres pasos más importantes fueron: 1.- El conocimiento de la estructura eléctrica de la materia. 2.- El descubrimiento de que el átomo está formado por un núcleo rodeado de electrones. 3.- El descubrimiento de las leyes mecánicas que rigen el comportamiento de los electrones en los átomos.

Naturaleza eléctrica de la materia Los primeros indicios importantes acerca de la naturaleza de la electricidad y de la estructura eléctrica de los átomos aparecieron en 1833 como resultado de las investigaciones de la electrólisis por Faraday. Sus hallazgos pueden ser resumidos en dos enunciados: 1.- El peso de una sustancia dada que se deposita en un electrodo por una cierta cantidad de electricidad es siempre el mismo. 2.- Los pesos de las diversas sustancias que se depositan, desprenden o disuelven en un electrodo, por una cantidad fija de electricidad, son proporcionales a los pesos equivalentes de esas sustancias. La segunda de estas leyes es particularmente reveladora, si recordamos que el peso equivalente de una sustancia contiene el mismo número de moléculas o un múltiplo de él. “Si un número fijo de átomos (el peso equivalente) reacciona solamente con una cierta cantidad fija de electricidad, parece razonable suponer que la electricidad misma está compuesta por partículas”. Era necesario encontrar un indicio experimental de la existencia de estas partículas eléctricas fundamentales. G.J. Stoney fue el primero en sugerir el nombre de electrón para la partícula eléctrica fundamental. Sin embargo, hasta el año 1897 no se encontró la evidencia experimental de la existencia y propiedades del electrón, como resultado del estudio de la conductividad de los gases a baja presión: “los gases son ordinariamente aislantes eléctrico, pero cuando se los somete a altos voltajes y a presiones inferiores a 10-2 atmósferas, se descomponen” y sobreviene la conducción eléctrica acompañada por emisión de luz. Si la presión es reducida 10-4 atmósferas, la conducción eléctrica persiste, y la luminosidad del gas disminuye; y si los voltajes que intervienen son lo suficientemente altos (5000 – 10000 V.), el recipiente de vidrio comienza a brillar o a fluorescer ténuamente. Hacia 1890 varios experimentos habían demostrado que esta fluorescencia es el resultado del bombardeo del vidrio por “rayos” que se originan en el cátodo, o electrodo negativo, y viajan en líneas rectas hasta que chocan ya sea con el electrodo positivo o con las paredes del tubo. Son los rayos catódicos. Los rayos canales son rayos con carga positiva que van en dirección opuesta a la de los rayos catódicos. La masa de los rayos canales varía según el gas que se encuentra presente en el tubo de descarga.

Experimentos de J. J. Thomson En el año 1987 J. J. Thomson mostró: Si los rayos catódicos son desviados hacia el electrodo de un electrómetro, este instrumento adquiere una carga negativa. Los rayos catódicos pueden ser desviados por la aplicación de un campo eléctrico y que estos rayos catódicos se alejaban de las regiones de densidad de carga negativa. El hecho de que estos resultados fueran encontrados independientemente de la clase de gas empleado en el tubo de descarga sugería que ellos no eran un tipo particular de átomo electrificado, sino más bien un fragmento universal que se encuentra en todos los átomos. Thomson reconoció que una determinación del cociente carga/masa de la partícula de los rayos catódicos ayudaría a identificar a éstos. El valor aceptado corrientemente para esta relación e/m es 1.76x108 cb/g ó 5.27x1017 unidades electrostáticas por gramo (uee/g). La relación carga a masa de los rayos catódicos era más de 1000 veces mayor que la de cualquier ión. Además, mientras que los cocientes carga a masa de varios iones eran diferentes, e/m de los rayos catódicos era una cantidad constante independientemente del gas que se utilizaba en el tubo de descarga. Estos hechos condujeron a Thomson a deducir que los rayos catódicos no eran átomos electrificados sino fragmentos corpusculares de átomos, o sea, electrones según nuestra terminología moderna.

Contribución de Millikan Esta contribución permitió conocer cuál es el valor de la unidad de carga fundamental o electrón, y el valor de su masa. Para realizar el experimento se llevan gotas esféricas de aceite desde el atomizador hacia la cámara de observación. Allí se cargan al chocar con los iones gaseosos producidos por la acción de los rayos X sobre el aire (los rayos X arrancan electrones de algunas moléculas de aire, estos electrones son captados por las gotas de aceite). Se puede reconocer una gota de aceite cargada por su respuesta a un campo eléctrico y por su movimiento observado a través del microscopio. Cuando el campo eléctrico es cero, la gota de aceite está sometida solamente a la fuerza de la gravedad, y cae; debido a la resistencia del aire, la gota no acelera continuamente, sino que alcanza una velocidad constante dada por: v6pr = mg  v= (mg) / 6pr = fuerza gravitacional / resistencia por viscosidad del aire

siendo “g” la aceleración de la gravedad; “m” y “r” son la masa y el radio de la gota y “” la viscosidad del aire. Esta ecuación, junto con la expresión r= m / (4/3) p r 3 que relaciona a la densidad de la gota de aceite con su masa y su radio, permite calcular “m” y “r”, a partir de la velocidad y densidad medidas.

Si la misma gota contiene una cantidad de carga “q”, y es sometida a un campo “E”, la fuerza eléctrica que causa un movimiento ascendente de la gota es qE. Debido a la acción de la gravedad, la fuerza neta sobre la gota es qE – mg, de modo que su velocidad en la dirección ascendente es:

v’6pr = qE – mg  v’ = (qE – mg) / 6pr

Puesto que v’ y E son medibles y “m, g , , r” son conocidas, se puede calcular “q”. Millikan encontró que “q” era siempre un múltiplo entero de 1.602x10-19 cb. La suposición de que esta unidad fundamental es igual a la carga del electrón, junto con el valor medido de e/m, da 9.108x10-28 g como masa del electrón.

Estructura del átomo El primer modelo atómico propuesto fue el de Thomson; “el átomo es una esfera uniforme de electricidad positiva con un radio de aproximadamente 10-8 cm, con los electrones dentro de esta esfera, de modo que resulte el agrupamiento electrostático más estable”.

Experimento de E. Rutherford Este experimento rebate el modelo de Thomson. El experimento de la dispersión de las partículas “a” es tal vez el experimento aislado de mayor influencia en el desarrollo de la teoría de la estructura atómica. Un delgado haz paralelo de “partículas a” incide sobre una lámina metálica de oro (de espesor 104 átomos), y la distribución angular de las partículas dispersadas se obtiene contando los centelleos, o relámpagos de luz, que se producen sobre una pantalla de ZnS. La importancia cualitativa del resultado del experimento es que mientras la mayoría de las partículas a atraviesan la lámina sin desviarse, o desviadas solamente en pequeños ángulos, unas cuantas partículas son dispersadas a ángulos grandes, hasta de 180 °. En el tiempo en que fue realizado el experimento por primera vez, Rutherford conocía que las partículas a eran átomos de helio doblemente ionizados (He2+) de masa atómica 4; además, sus velocidades habían sido medidas por el método de la desviación magnética. En consecuencia, Rutherford sabía que la energía cinética de las partículas a era grande, y comprendía que a fin de producir una desviación grande de una partícula tan energética, el átomo debía ser el asiento de una enorme fuerza eléctrica. También era claro que esta fuerza tenía que ser ejercida por un cuerpo de masa considerable, porque un cuerpo liviano, tal como el electrón, sería arrastrado por la partícula a, más pesada. Finalmente, el hecho de que solamente unas cuantas partículas a experimentan grandes desviaciones sugería que la gran fuerza eléctrica estaba confinada en regiones de espacio muy pequeñas, las cuales no eran alcanzadas por la mayoría de las partículas a. En otras palabras, “en lugar de ser una esfera de masa y densidad de carga uniformes, como Thomson había propuesto, el átomo era altamente no uniforme. Aunque los electrones podrían ocupar el volumen asociado con la dimensión del átomo  10-8 cm, la electricidad positiva tenía que estar concentrada en un “núcleo” diminuto pero pesado”.

Se ha indicado que el núcleo es pequeño en comparación con 10-8 cm. El experimento de la dispersión de las partículas a puede proporcionar el tamaño del núcleo, Cuando una partícula a es desviada 180 °, ella ha sufrido una colisión frontal con un núcleo. En dicha colisión, la partícula a se acerca al núcleo hasta que la energía potencial culómbica de repulsión zZe2 / r, llega a ser igual a su energía cinética inicial, (1/2)mv2. De este modo la ecuación: (1/2mv2 = (zZe2) / rmin [V=W/q ; V= Kq’/r =W/q ; W= Kqq’/r ; q=ze ; q’= Ze] [Donde z y Z son los números atómicos (número de unidades fundamentales de carga positiva 4.8x10-10 uee que hay en el átomo, de las partículas a y del núcleo dispersante)] nos permite calcular rmin, la distancia de mayor acercamiento, si se conocen todos los otros factores. Para las partículas a, obtenidas de la desintegración del radio, v= 1.6x109 cm/s (velocidad máxima de la partícula a, para que llegue al núcleo pero no lo rompa; será la velocidad de la partícula cuando es emitida por el núcleo); e= 4.8x10-10 uee, m= 6.68x10-24 g, y si el núcleo dispersante es el cobre, Z= 29. Así, rmin= (zZe2) / (1/2)mv2 = [2x29x(4.8x10-10)2] / (1/2)(6.68x10-24)x(1.6x109)2 = 1.7x10-12 cm