PRESENTACION - Página Personal de Jose Luis Mesa Rueda

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:
v6π
πηr = mg
v= (mg) / 6π
πηr =
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
“η
η” la viscosidad del aire. Esta ecuación, junto con la expresión r= m / (4/3) p r3 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’6π
πηr = qE – mg
v’ = (qE – mg) / 6π
πηr
Puesto que v’ y E son medibles y “m, g , η, 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 “α
α” 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 α” 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 α 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 α, 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