Modelo atómico actual

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Es el que está basado en la mecánica cuántica, particularmente en la ecuación de Schrödinger, el principio de exclusión de Pauli y una propiedad del electrón denominada spin o espin. Es una evolución de varios modelos atómicos como el de Rutherford, Bohr y Sommerfeld, que son considerados clásicos o semiclásicos.

Es el modelo de mayor aceptación y uso en el estudio de la estructura de átomos, moléculas y en la reactividad química de los elementos, debido a la precisión de sus predicciones y su relativa sencillez.

En la visión del átomo actual, basado en la mecánica cuántica no-relativista, no cabe el concepto de órbitas electrónicas al estilo de sistemas planetarios. Sin embargo, la imagen más difundida del átomo sigue siendo la de un núcleo central positivo y unos puntitos de carga eléctrica negativa (los electrones), girando en órbitas perfectamente definidas en torno al núcleo central. Sin embargo, a pesar de su arraigo, ya no se corresponde con el modelo atómico actual.

Modelo atómico actualLa imagen clásica es útil para ver que el núcleo contiene dos protones y dos neutrones y garantizando la neutralidad del átomo hay dos electrones ocupando el mismo nivel de energía. Del resto es una imagen alejada de la realidad, puesto que la escala del núcleo ni siquiera corresponde con la del átomo: el núcleo es 1/100000 veces el tamaño del átomo, pero es allí donde se concentra la masa atómica.

Dualidad onda-partícula

La mecánica clásica establece que toda partícula material tiene una onda asociada, denominada función de onda. Esta es la famosa dualidad onda-partícula de Louis De Broglie.

En el modelo atómico actual, el comportamiento del electrón a la escala de los átomos es prominentemente ondulatorio, mientras que a nivel macroscópico, como los electrones que se mueven en los tubos de rayos catódicos de los antiguos televisores, predomina el comportamiento corpuscular. 

En cambio con los fotones, sucede al contrario, en la mayoría de los fenómenos ópticos (a nivel macroscópico) tienen un comportamiento fundamentalmente ondulatorio. Y cuando interactúan con los átomos de materia, tienen un comportamiento de partícula.

Debido a esto, los electrones alrededor del núcleo están esparcidos en zonas denominadas orbitales atómicos, cuya forma y extensión dependerá del nivel de energía de los electrones y del momentum angular.

Tanto la energía como el momentum angular del electrón en torno al núcleo tienen ciertos valores permitidos, por lo tanto se dice que están cuantizados.

La ecuación de onda de Schrödinger predice cuáles valores de energía y momentum angular son permitidos, así como la función de onda asociada a cada nivel de energía y momentum.

El cuadrado matemático de la función de onda determina los orbitales, es decir las zonas en torno al núcleo donde los electrones podrán encontrarse con mayor probabilidad.

El tamaño del átomo

Para tener una imagen a escala del modelo atómico actual, imaginemos que un átomo tiene un diámetro como el de una cancha de fútbol. El núcleo sería como una hormiga en el centro del campo, pero asombrosamente con el 99,9% de la masa atómica.

Por otra parte, los electrones serían como jugadores fantasmales difusos por todo el campo, con mayor probabilidad de ser encontrados en el medio campo.

Hay unas cuantas alineaciones o formas permitidas de ocupar el campo, las cuales dependen de la energía de los jugadores (los electrones) y la cantidad de “giro” o spin en torno al centro.

Algunos postulados del modelo atómico actual

  • El electrón se caracteriza por su masa m, por su espín s y por ser la partícula portadora de carga negativa elemental (-e). 
  • Los electrones tienen comportamiento dual, de onda-partícula simultáneo, pero dependiendo de su energía y de la escala del fenómeno puede ser más preponderante uno que el otro.
  • Los electrones rodean al núcleo atómico positivo, de forma tal que garantizan la neutralidad eléctrica del átomo. Por lo tanto la cantidad de electrones es igual a la de protones; este es el número atómico, que le confiere las características químicas y físicas de cada elemento.
  • La interacción entre electrones y núcleo se modela mediante el potencial V(r) electrostático de Coulomb, al cual se le incorpora el término de la energía potencial en el operador hamiltoniano.
  • En los átomos con varios electrones no se toma en cuenta la interacción entre ellos.
  • Cuando se trata de átomos de muchos electrones los orbitales de los electrones más externos se modelan por el potencial del núcleo apantallado por los electrones más internos, el cual se conoce como potencial de Debye.
  • La ecuación del modelo actual tiene solución para algunos valores discretos de energía, de modo que los famosos cuantos de Planck, aparecen naturalmente de las soluciones de la ecuación de Schrödinger.
  • La función de onda determina las regiones permitidas para el electrón. El cuadrado de la función de onda es la densidad de probabilidad de encontrar el electrón en determinada posición, vista desde el centro del núcleo atómico.
  • El spin no aparece en la ecuación de Schrödinger, pero se incorpora en el modelo atómico mediante el principio de Pauli: El electrón es un fermión con dos estados posibles de espín +½ y -½.
  • Así que un mismo estado caracterizado por los números cuánticos n, l, m de la ecuación de Schrödinger, puede estar ocupado a lo sumo por 2 electrones con espines contrarios. De esta forma el espin pasa a ser el cuarto número cuántico.

Científicos influyentes en el modelo atómico actual

Parece increíble, pero la mayor parte de los físicos que contribuyeron al modelo atómico actual aparecen en una misma foto. Se reunieron en las famosas conferencias patrocinadas por Ernest Solvay, un químico e industrial de origen belga, que llegaron a ser famosas en el mundo de la ciencia.

Comenzaron a celebrarse desde 1911 y reunían a los más grandes científicos del momento, entre ellos estuvieron prácticamente todos los que dieron su aporte al modelo atómico actual.

La más famosa de estas conferencias se celebró en Bruselas en 1927 y allí se tomó esta fotografía histórica:

Conferencia en Bruselas en 1927 patrocinada por Ernest Solvay

 

 

 

 

 

 

Según este esquema, lo participantes en dicha conferencia fueron:

Esquema de participantes en la Conferencia en Bruselas en 1927 patrocinada por Ernest Solvay

 

 

 

 

 

  1. Peter Debye
  2. Irving Langmuir
  3. Martin Knudsen
  4. Auguste Piccard
  5. Max Planck
  6. William Lawrence Bragg
  7. Émile Henriot
  8. Paul Ehrenfest
  9. Marie Curie
  10. Hendrik Anthony Kramers
  11. Édouard Herzen
  12. Hendrik Antoon Lorentz
  13. Théophile de Donder
  14. Paul Adrien Maurice Dirac
  15. Albert Einstein
  16. Erwin Schrödinger
  17. Arthur Holly Compton
  18. Jules-Émile Verschaffelt
  19. Paul Langevin
  20. Louis-Victor de Broglie
  21. Charles-Eugène Guye
  22. Wolfgang Pauli
  23. Werner Heisenberg
  24. Max Born
  25. Charles Thomson Rees Wilson
  26. Ralph Howard Fowler
  27. Léon Brillouin
  28. Niels Bohr
  29. Owen Williams Richardson
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