Seguro que has escuchado esta palabra antes, pero, ¿sabes qué significa?
Te propongo que juegues al ahorcado para ver si lo aciertas.
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Aunque has podido escuchar que hay referencias al concepto de átomo en escritos de Bharat, la primera referencia escrita que tenemos, en la que alguien menciona la palabra «átomo» para referirse a cómo era la materia, es de Demócrito de Abdera y de Leucipo de Mileto (460 - 370 aC). Ten en cuenta que se trataba de filósofos de la Grecia clásica y que ellos creían que se podía llegar al conocimiento pleno de los hechos simplemente pensando, sin necesidad de experimentar.
Se plantearon qué ocurriría si se toma un objeto y se corta en dos repetidas veces. Puedes hacer el mismo ejercicio de imaginación que Demócrito y Leucipo. Imagina que coges una tiza y la partes en dos. Si tomas una de las partes y la vuelves a partir tendrías otros dos trozos, pero más pequeños. Si repites la operación, volverías a obtener otros trozos más pequeños aún. La pregunta que se hicieron fue: ¿llegaría un momento en el que no sería posible dividir más alguno de esos trozos?
Tendrías muchos trocitos de tiza que habrías ido desechando y un par de motas de tiza que ya no serías capaz de dividir. El ejercicio mental que hicieron Demócrito y Leucipo fue de este mismo tipo y llamaron átomo a esa partícula que era indivisible.
En este vídeo corto puedes ver resumido todo lo que te he contado:
Si lo deseas, puedes saber más de Demócrito en este artículo de Wikipedia.
Este magnífico científico hizo muchas aportaciones en campos tan diversos como la botánica, la medicina, la literatura, la física y la química. A partir de sus estudios con ciertas sustancias gaseosas, fue capaz de elaborar el primer modelo atómico basado en datos empíricos. Los postulados en los que se basa su modelo son:
Como puedes ver, las distintas sustancias compuestas se formaban por combinación de las sustancias simples y siempre siguiendo una proporción fija para una misma sustancia. Estas sustancias compuestas son lo que después llamaríamos moléculas.
En este vídeo puedes ver un resumen de lo que te he explicado:
Algo es empírico cuando está basado en la experiencia y es deducido a partir de datos experimentales.
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Joseph J. Thomson (1856-1940) fue un magnífico físico que, usando el tubo de Crookes, realizó tres experimentos que le condujeron a descubrir una partícula atómica que acaba con el concepto de «indivisibilidad» del átomo que había estado en vigor más de dos milenios. 
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En el tercero de los experimentos que realizó (1897), Thomson calculó la relación entre la carga y la masa de las partículas que formaban los rayos catódicos y obtuvo un valor que era más de mil veces mayor que la relación entre la carga y masa del ion hidrógeno. Este resultado lo enfrentaba ante una disyuntiva: o esas partículas tenían una carga inmensa o su masa era realmente pequeña.
La forma de llegar a esa conclusión fue la de curvar el chorro de partículas, que se aprecia como un rayo, usando una diferencia de potencial a lo largo del tubo, y luego compensar esa curvatura con un campo magnético. El esquema del experimento lo puedes ver aquí:
En el siguiente vídeo puedes ver cómo un imán es capaz de desviar estos rayos catódicos. Está grabado por el CSIC y se usa material de su museo de la ciencia, para que te hagas una idea de cómo trabajaban entonces y lograban descubrir todas estas curiosidades ocultas a nuestros sentidos.
Tras el experimento, Thomson obtuvo que la relación entre la carga y la masa era:
\[\frac{q}{m} = 1.76\cdot 10^{11}\ \frac{C}{kg}\]
Concluyó que esas partículas debían ser parte de todos los materiales y se decantó por la opción de que las partículas que forman el rayo son minúsculas, por eso la relación entre su carga y su masa es tan alta. Llamó «corpúsculos» a esas partículas.
En aquel momento, Thomson sabía la relación carga/masa del ion hidrógeno, que se había determinado por electrolisis, y dedujo que la masa de esos corpúsculos era del orden de 1800 veces menor que la del ion hidrógeno. Fueron tres las propiedades que describió para esas partículas:
Sus corpúsculos transportaban carga y tenían una masa casi despreciable, respecto a la masa del átomo más ligero... Concluyó que debían formar parte de los átomos, es decir, ¡¡los átomos no eran indivisibles!!
¿Quieres saber una curiosidad?
Thomson no fue quien inventó la palabra «electrón». Lo hizo antes, en 1891, George J. Stoney, para referirse a unas unidades elementales de carga que formaban parte de los átomos. Thomson identificó y caracterizó esas partículas predichas en 1874, lo que supuso darle entidad y comprobarlas experimentalmente, algo que es necesario hacer en ciencias como la física y la química.
Con todas estas conclusiones, Thomson propuso su modelo atómico en 1904. Hay que decir que su modelo tuvo una gran aceptación porque era muy fácil de entender y explicaba algunos fenómenos que se habían observado experimentalmente, de manera solvente.
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En este modelo, el átomo sería una masa de carga positiva en la que se incrustan los electrones, que tienen carga negativa. El número de electrones sería el necesario para compensar la carga positiva del propio átomo. Cuando mayor masa atómica, más grande sería la esfera roja y serían necesarios más electrones, es decir, esferas azules para compensar la carga positiva del átomo. Aciertos del modelo. Explicaba la electricidad estática, la corriente eléctrica, la formación de iones y la fluorescencia observada en el tubo de Crookes. En todos los casos, era la pérdida o ganancia de electrones la que explicaba estos fenómenos. Errores del modelo. No era capaz de explicar la regularidad observada en la tabla periódica de Mendeléyev. Thomson fue galardonado con el premio Nobel de física en 1906 por su «trabajo sobre la conducción de la electricidad a través de los gases». |
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Ernest Rutherford (1871 - 1937) fue discípulo de Joseph John Thomson y estuvo investigando bajo su dirección, entre 1895 y 1898, los efectos de los rayos X sobre los gases, encontrando que eran capaces de ionizar el aire, así como el gas que estuvieran estudiando en ese momento. Desde 1898 hasta 1907 estuvo trabajando sobre radiactividad en Montreal y fue capaz, junto a su discípulo Frederick Soddy, de identificar las tres radiaciones radiactivas: alfa, beta y gamma. Estos estudios le valieron la «medalla Rumford» en 1904. En 1907, y hasta 1919, vuelve a Gran Bretaña y sigue estudiando la radiactividad junto a otro discípulo al que dirige en su tesis doctoral, Hans Geiger. Juntos son capaces de inventar un contador de radiación alfa que hoy en día se sigue usando. En 1908 descubre lo que sospechaba, que las partículas alfa son núcleos de átomos de helio, lo que le vale el premio Nobel de química ese mismo año. 
En 1911 es cuando, tras una serie de experimentos que duran varios años, explica su modelo de átomo y da paso a la era nuclear. |
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El mismo año que Thomson publicó su modelo atómico (1904), el japonés Hantaro Nagaoka hizo una crítica muy fuerte a ese modelo porque no creía que las cargas de signo contrario pudieran penetrar unas en otras. Él proponía un modelo en el que los electrones se movían alrededor de la carga positiva como los anillos de saturno.
Con la idea de acallar este tipo de críticas al modelo de su profesor, Rutherford dirigió una serie de experimentos, que fueron realizados entre 1908 y 1924, por Hans Geiger y Ernest Marsden, en los que reproducían el primer experimento que realizó en Montreal bombardeando una lámina de mica con partículas alfa. Usaron láminas de oro e idearon un sistema para captar las desviaciones de las partículas alfa, que era una pantalla de ZnS, como el que puedes ver en la figura:
Lo que esperaban obtener como resultado del experimento, considerando que el átomo era una masa esponjosa en la que estaban incrustados los minúsculos electrones, era que las partículas alfa atravesasen la lámina de oro sin problema alguno y sin apenas desviaciones apreciables.
Puedes ver explicada esta predicción en el siguiente vídeo:
Los resultados que obtuvieron no eran los esperados. Si observas la imagen que ilustra el resultado del experimento, y la comparas con la de la predicción, podrás ver que lo que representa es muy distinto a lo esperado:
Tras impactar sobre la lámina de oro, las partículas alfa, que están representadas por las líneas amarillas, sufren desvíos considerables en muchos casos. Esta imagen trata de ilustrar lo que observaron los investigadores y que los dejó muy desconcertados. ¿Cómo era posible que esos «proyectiles» que lanzaban contra los átomos metálicos se desviasen de su trayectoria?
Parece claro que el modelo atómico de Thomson no era capaz de explicar estas observaciones y era necesario buscar otra idea que permitiese hacerlo. Gracias a la genialidad de Ernest Rutherford, su explicación de los resultados del experimento condujo a un nuevo modelo atómico
La explicación que se le ocurrió tenía que ver con el modelo que Nagaoka había propuesto, pero con una diferencia esencial sobre esa idea: la carga positiva del átomo debía estar concentrada en una zona minúscula, de manera que la densidad de carga fuese muy elevada, provocando así que las partículas alfa, que también tienen carga positiva, se desviasen al acercarse a esas zonas.
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Él mismo acuñó el término «núcleo» (1912) para referirse a la zona minúscula en la que se concentraba toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo, siendo entonces su densidad muy grande. Situó a los electrones girando alrededor del núcleo, aunque las complejas trayectorias no estaban bien definidas, y eso daba una forma y tamaño irregulares a los átomos. Un modelo animado de este átomo sería: |
Aciertos del modelo. Su modelo explicaba, además de lo explicado por el modelo de Thomson, la radiactividad y suponía comenzar una nueva era en la compresión de la materia: la era nuclear. Creó el concepto de núcleo atómico, lo estimó como cien mil veces más pequeño que el átomo, y consideró que los electrones estaban moviéndose alrededor del núcleo en órbitas. Fallos del modelo. El primer escollo que presentaba es que no cumplía con las ecuaciones de Maxwell. Cuando un electrón se mueve, dado que tiene carga eléctrica, debe emitir radiación electromagnética, lo que supondría que el electrón iría girando cada vez más cerca del núcleo hasta colisionar con él, colapsando el átomo. Las órbitas que supuso para los electrones no eran estables. En segundo lugar, no era capaz de explicar los espectros atómicos que se observaban en algunos experimentos. Eso situaba su modelo en una precariedad patente porque no explicaba hechos experimentales evidentes. En 1908 le fue otorgado el premio Nobel de química por sus «investigaciones en la desintegración de los elementos y en la química de las sustancias radiactivas». |
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En el siguiente vídeo puedes ver cómo el modelo de Rutherford explica el resultado del experimento. Recuerda que lo realmente meritorio es hacer lo que hizo él, es decir, a partir de los resultados imaginar un modelo que los pudiera explicar.
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