Modelo Atómico Actual
Durante años y años los modelos atómicos han ido cambiando ha medida que la física evolucionaba. Todos podían explicar ciertas propiedades de los átomos. Sin embargo, había resultados experimentales que no concordaban con la teoría, desatapando sus insuficiencias.
Hoy hablaremos de
Y entonces… ¿Cuál es el modelo atómico actual?
Pues resulta, que en los años 20 del siglo pasado surgió una de las teorías más bellas y más inexplicables que tenemos hoy en día: la mecánica cuántica.
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¡EXACTO!
Con ella podemos estudiar los átomos con precisión y explicar matemáticamente lo que vemos en experimentos.
Antes de empezar es importante que sepas qué es un átomo. Te invito a leer nuestro extenso artículo sobre el átomo.
¿Cuál es el modelo atómico cuántico actual?
El modelo atómico cuántico actual, conocido como modelo atómico cuántico, representa la comprensión más avanzada y precisa de la estructura y el comportamiento del átomo, fundamentado en los principios de la mecánica cuántica. Este modelo trasciende las nociones clásicas, reemplazando las órbitas definidas de los electrones por regiones de probabilidad donde es más probable encontrarlos.
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Al integrar conceptos como la dualidad onda-partícula y el principio de incertidumbre, el modelo cuántico ofrece una descripción detallada que permite explicar y predecir una amplia gama de fenómenos físicos y químicos con una precisión sin precedentes. En esencia, este modelo no solo es fundamental para la física y la química modernas, sino que también es crucial para tecnologías avanzadas que van desde la electrónica hasta la medicina.
Vamos por partes.
Para estudiar los átomos a través de la mecánica cuántica tenemos dos opciones: usar las ecuaciones integro-diferenciales de Schrödinger o las ecuaciones matriciales de Heisenberg. Estas dos aproximaciones son equivalentes.
En este caso utilizaremos la ecuación de Schrodinger para tratar de explicar el modelo atómico moderno.
En este marco teórico, tenemos el núcleo del átomo en el centro y después electrones “alrededor”. A diferencia de otros modelos más antiguos, los electrones ya no siguen orbitas, sino que se encuentran en orbitales. Esto se debe a que los electrones se modelan utilizando una función de onda y ya no se tratan como si fueran partículas puntuales.
¿Y qué significa esto?
Esto quiere decir que los electrones ya no tienen una posición fija, sinó que pueden estar en varios sitios a la vez. Esto se conoce como superposición cuántica.
Por lo tanto, en vez de tener posiciones, tenemos una distribución probabilística de cuales son las zonas alrededor del núcleo con una mayor probabilidad de encontrar los electrones.
Modelo actual del átomo: Fundamentos y conceptos clave
El modelo actual del átomo se basa en los principios de la mecánica cuántica, representando una evolución significativa desde los modelos más simples propuestos en el pasado. Este modelo no describe los electrones como partículas en órbitas fijas alrededor del núcleo, sino como ondas de probabilidad distribuidas en regiones del espacio denominadas orbitales atómicos. Aquí están las características clave del modelo cuántico del átomo:
- Núcleo Atómico: El núcleo, compuesto por protones y neutrones, constituye la mayor parte de la masa del átomo. Los protones tienen carga positiva, mientras que los neutrones carecen de carga. A pesar de ocupar un espacio diminuto en comparación con el tamaño total del átomo, el núcleo es el centro de casi toda la masa atómica.
- Electrones: Los electrones, con carga negativa, se distribuyen alrededor del núcleo en regiones definidas por probabilidades, no por trayectorias específicas. Estas regiones se conocen como orbitales atómicos y cada una tiene una probabilidad distinta de contener electrones.
- Orbitales Atómicos: Los orbitales atómicos son áreas alrededor del núcleo donde la probabilidad de encontrar un electrón es más alta. Se definen por números cuánticos que describen su forma, orientación y energía. Los electrones en estos orbitales adoptan configuraciones que determinan las propiedades químicas de los elementos.
- Principios de la Mecánica Cuántica: El comportamiento de los electrones en el átomo se rige por principios cuánticos, como el principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece limitaciones en la precisión con la que se pueden conocer simultáneamente la posición y el momento de un electrón.
- Interacciones Electromagnéticas: Las fuerzas electromagnéticas entre los protones positivos del núcleo y los electrones negativos determinan la estructura del átomo. Además, estas interacciones son fundamentales para la formación de enlaces químicos entre átomos.
- Modelo Estándar de la Física de Partículas: Aunque el modelo atómico se centra en protones, neutrones y electrones, el Modelo Estándar va más allá, describiendo los constituyentes fundamentales de la materia y las interacciones que ocurren a nivel subatómico, incluyendo quarks y leptones.
Resolviendo el modelo de Schrödinger
¡PERFECTO!
Ya tenemos una idea básica del modelo atómico moderno. ¿Y ahora que?
Ahora toca entender las características de los electrones en este modelo y como utilizamos la ecuación de Schrödinger para entenderlas.
La ecuación propuesta por Erwin Schrödinger es muy complicada de resolver matemáticamente. Es por eso que solo puede ser resuelta para átomos hidrogenoides, que solo tienen un protón y un solo electrón. Con átomos que tienen un número más alto de electrones solo podemos obtener soluciones aproximadas.
Cuando desarrollamos esta ecuación vemos que hay ciertos valores que están parametrizados y que solo pueden tomar ciertos valores. Estos valores reciben el nombre de números cuánticos y nos permite describir las propiedades de los diferentes electrones del núcleo de un electrón.
- Número cuántico principal (n): este número define el estado energético de un orbital a través de diferentes niveles de energía. Cuanto más alto es el número más energía tiene, y más alejado se encuentra del núcleo atómico. Puede tomar valores de 1 a 8.
- Número cuántico secundario o azimutal (L): el número cuántico secundario establece la forma del orbital. Cuando l = 0 es una subórbita “S” la cuál tiene forma esférica y no tiene ni nodos radiales ni nodos angulares. L = 1 especifica el orbital de tipo p, en el cual se pueden alojar hasta 6 electrones. Para L = 2, el orbital es de tipo d, y pueden contener hasta 5 electrones. L = 3 define un orbital tipo f con nodos radiales y angulares. Puede alojar hasta 7 electrones. Existen también orbitales del tipo g y h.
- Número cuántico magnético (m): este número cuántico describe la posición espacial de un cierto tipo de orbital. Por ejemplo, los orbitales p tienen hasta 3 disposiciones espaciales diferentes: Px, Py y Pz.
¡NO ENTIENDO NADA!
Si es la primera vez que lees esto de los números cuánticos seguramente no hayas entendido el concepto. Podríamos decir que existen diferentes tipos de electrones dependiendo de donde se encuentren en el núcleo. Estos electrones tienen diferente energía y tienen “formas” diferentes. Para poder describir cada electrón utilizamos los números cuánticos que nos dicen la energía y la forma que tiene cada electrón.
¿Mejor con esta explicación?
Además, existe un cuarto número cuántico que no salen de la ecuación de Schrödinger: el número cuántico de spin.
Si eres nuevo en este mundo seguramente te estés preguntado: ¿Pero que carajos es el spin?
Pero... ¡No te preocupes!
Para esta explicación, con un simple símil entenderás de manera conceptual que es el spin.
Los electrones tienen la propiedad de “girar” sobre ellos mismos. Si giran para la derecha diremos que tienen spin-up y si giran para la izquierda que tienen spin-down. Así, que el número cuántico magnético simplemente indica la dirección de giro del electrón. Si es spin-up, el número cuántico magnético asociado es +1/2. En cambio, si es spin-down, el número asociado es -1/2.
Correcciones del modelo cuántico de Schrödinger actual: Pauli y Dirac
El modelo atómico más reciente, el que tenemos en la actualidad, en realidad no es del todo el modelo de Schrödinger. Esto se debe a que existen insuficiencias en este y por lo tanto hemos tenido que adoptar ciertas correcciones para mejorarlos.
¿Qué insuficiencias tiene este modelo?
Como hemos visto, los números cuánticos de spin no surgen naturalmente de las ecuaciones de Schrödinger. Por lo tanto, se tuvieron que añadir a posteriori dando lugar al modelo atómico de Schrödinger-Pauli.
En cierto tipo de átomos muy pesados, las fuerzas entre electrones dentro del núcleo hacen que los electrones puedan alcanzar velocidades muy altas. En este momento, los efectos relativistas se vuelven importantes. Por lo tanto, tenemos que añadir correcciones para poder tener en cuenta los efectos de la relatividad especial de Einstein.
Estas correcciones se llevan a cabo a través de la ecuación de Dirac. Paul Dirac consiguió unificar la formula que describe la energía en la relatividad (E=mc2) y la ecuación de Schrödinger. Añadiendo esta corrección necesaria.
Evolución histórica del modelo atómico
La evolución del modelo atómico refleja cómo nuestra comprensión de la materia ha avanzado desde ideas filosóficas primitivas hasta sofisticadas teorías cuánticas. A lo largo de los siglos, la noción del átomo ha sido refinada a través de contribuciones de muchos científicos destacados, cada uno aportando una pieza crucial al complejo rompecabezas de lo que conocemos hoy sobre la estructura atómica.
Modelo Atómico de Demócrito
El filósofo griego Demócrito fue uno de los primeros en sugerir la idea de que la materia estaba compuesta por partículas indivisibles e invisibles que llamó átomos. Aunque su teoría era puramente especulativa y carecía de base experimental, sentó las bases para futuras investigaciones sobre la composición de la materia.
Modelo Atómico de Dalton
En el siglo XIX, John Dalton revitalizó la idea del átomo con su teoría atómica, proponiendo que cada elemento químico estaba compuesto por átomos de un tipo único. Dalton introdujo conceptos como el peso atómico y estableció las bases para entender las reacciones químicas en términos de la unión y separación de átomos.
Modelo Atómico de Thomson
J.J. Thomson descubrió el electrón a finales del siglo XIX, lo que llevó al desarrollo de su modelo atómico, conocido como el "pudín de pasas". Propuso que los átomos eran esferas de carga positiva con electrones incrustados, una teoría que explicaba la existencia de partículas subatómicas cargadas negativamente dentro del átomo.
Modelo Atómico de Rutherford
El modelo de Thomson fue reemplazado por el modelo nuclear de Ernest Rutherford, quien, basado en sus experimentos de dispersión de partículas alfa, concluyó que el átomo tenía un núcleo denso y positivamente cargado en el centro, con electrones girando alrededor de él.
Modelo Atómico de Bohr
Niels Bohr desarrolló un modelo atómico que incorporaba la cuantificación de la energía para explicar las órbitas estables de los electrones y los espectros de emisión de los átomos. Su modelo introdujo órbitas circulares fijas en las que los electrones podían moverse sin irradiar energía.
Mecánica Cuántica y el Átomo
El modelo de Bohr evolucionó con el desarrollo de la mecánica cuántica en la primera mitad del siglo XX. Científicos como Schrödinger, Heisenberg y Pauli contribuyeron a un modelo más sofisticado donde las posiciones de los electrones se describen por probabilidades en lugar de órbitas definidas, dando lugar al modelo atómico moderno.
Resumen de Modelo atómico actual
- El modelo atómico actual está basado en los principios de la mecánica cuántica descrita por Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg.
- Los electrones ya no se describen como partículas puntuales que siguen una orbita sino como distribuciones de probabilidad a través de lo que se conoce como orbitales.
- El modelo cuántico necesita de correcciones para tener en cuenta propiedades relativistas y de spin.