La electricidad participa en muchos de los experimentos de los cuales se derivó la teoría de la estructura atómica. Los egipcios fueron los primeros en notar que los objetos pueden tener carga eléctrica, ya que al frotar ámbar con lana o seda, atraía pequeños objetos. Tú lo puedes observar si frotas un globo sobre tu cabello y después lo acercas a tu cabeza: se paran los cabellos. Además, alguna vez, al tocar a una persona, se habrán dado “toques”. Benjamín Franklin descubrió dos tipos de carga eléctrica y les dio el nombre de positiva y negativa por ser opuestas y también concluyó de que están balanceadas, es decir, si hay una carga positiva, debe haber una negativa.

Para conocer la estructura del átomo se hicieron muchos experimentos y el primero que condujo a un modelo fue el realizado por J. J. Thomson. Estudió la descarga eléctrica que se produce dentro de tubos, a los cuales se le retira la mayor parte de aire, llamados tubos de rayos catódicos y que contienen dos electrodos metálicos. Al aplicar una descarga eléctrica, observó que entre los electrodos fluye un rayo catódico del electrodo negativo (cátodo) al electrodo positivo (ánodo). Este rayo viaja en línea recta, lo que ocasiona que los gases brillen, calienta los objetos metálicos al rojo vivo, luego se desvía por un campo magnético y es atraído hacia las placas con carga positiva. Como los rayos catódicos son repelidos por el cátodo y atraídos por el ánodo, concluyó que son partículas negativas llamadas hoy en día electrones y se abrevian e^-.

El descubrimiento del electrón como una partícula subatómica negativa planteó numerosas preguntas. Si los electrones se encuentran en todos los átomos, ¿por qué éstos son neutros?, si toda la materia tiene carga negativa, ¿por qué al tocar cualquier cosa, no se recibe una descarga eléctrica? Así como éstas, muchas preguntas más llevaron a los científicos a suponer que en el átomo había partículas con carga positiva. Así surgió el primer modelo para explicar la estructura del átomo: el modelo del budín de pasas de J. J. Thomson, que toma su nombre del tradicional postre inglés. Dedujo que el átomo debía ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones. Los electrones con carga negativa (pasas) inmersos en el budín que es la materia uniforme con carga positiva. (Para nosotros el arroz con leche y pasas es un símil del budín).

Hasta el descubrimiento del electrón, no tenía sentido buscar una partícula subatómica positiva, pero de hecho el protón podía haberse descubierto antes que el electrón. En 1886 el físico alemán Eugen Goldstein, al estudiar los rayos catódicos, observó que empleando un tubo de rayos catódicos modificado, con el cátodo perforado, pasaban unos rayos catódicos y podían ser estudiados en su avance hacia una pantalla, situada detrás del cátodo, y en la cual producían una fluorescencia característica, los denominó rayos canales. En 1895 el francés Jean Perrin demostró que los rayos canales consistían en partículas cargadas positivamente, pues sufrían desviaciones hacia la placa negativa de un campo eléctrico externo al que podían ser sometidos. A estos rayos J.J. Thomson les dio, en 1907, el nombre de rayos positivos. Los rayos canales están constituidos por partículas positivas y dependen del gas encerrado en el tubo. Si el gas es hidrógeno, la relación carga/masa es la mayor de todas las encontradas para los rayos positivos, lo cual sugirió que la carga positiva del átomo de hidrógeno era otra partícula subatómica: el protón, denominado así por Ernest Rutherford en 1914. Hoy en día se abrevia p⁺.

Revisemos entonces estos diferentes rayos:

• Los rayos catódicos son partículas negativas del átomo, hoy llamadas electrones y que se abrevian e^-.
• Los rayos positivos son rayos canales, es decir, partículas cargadas positivamente.
• Además, el protón es una partícula subatómica que se encuentra en el núcleo del átomo, de carga positiva y que se abrevia p⁺.

Interesado por el fenómeno de la radiactividad, Rutherford estudió los rayos emitidos por los materiales radiactivos, determinó su naturaleza y estableció una clasificación entre ellos denominándolos rayos α (alfa), rayos β (beta) y rayos γ (gamma). Los rayos α correspondían a partículas cargadas positivamente, los rayos β son electrones y los rayos γ consistían en ondas electromagnéticas semejantes a la luz, pero mucho más energéticas. Sus investigaciones sobre las partículas α le llevaron a identificarlas como átomos de helio que habían perdido sus electrones. Son núcleos de helio, partículas que sólo tienen masa y carga positiva.

En 1911, Ernest Rutherford, H. Geiger y E. Marsden realizaron un experimento que permitió descartar el modelo de Thomson (¿te acuerdas? Es el que dice que el átomo es como un budín de pasas). Rutherford abandonó el antiguo modelo y sugirió un átomo nuclear. A partir de estas experiencias, fue posible también determinar el tamaño del núcleo y obtener valores aproximados de las cargas eléctricas de los núcleos de diferentes átomos. Los experimentos llevados a cabo bajo la dirección de Ernest Rutherford modificaron las ideas existentes sobre la naturaleza del átomo.

Rutherford y sus colaboradores bombardearon una fina lámina de oro con partículas alfa procedentes de un elemento radiactivo. Observaban, mediante una pantalla fluorescente, en qué medida eran dispersadas las partículas. La mayoría de ellas atravesaba la lámina metálica sin cambiar de dirección; sin embargo, algunas se desviaban porque pasaban muy cerca de partículas con carga eléctrica igual a ellas, y unas pocas eran reflejadas hacia atrás con ángulos pequeños. Éste era un resultado completamente inesperado, incompatible con el modelo de átomo compacto existente. Rutherford demostró que la dispersión de las partículas era causada por un pequeño núcleo cargado positivamente, situado en el centro del átomo de oro. De esta forma dedujo que la mayor parte del átomo es espacio vacío, lo que explicaba por qué la mayoría de las partículas que bombardeaban la lámina de oro pasaran a través de ella sin desviarse. Pensó que los electrones, en número igual al de los protones, debían girar alrededor del núcleo en órbitas circulares.

Fuente: Wikimedia

Basado en los resultados de su trabajo que demostró la existencia del núcleo atómico, Rutherford sostiene que casi la totalidad de la masa del átomo se encuentra en un núcleo central muy diminuto de carga eléctrica positiva. Los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares. Estos poseen una masa muy ínfima y tienen carga eléctrica negativa. La carga eléctrica del núcleo y de los electrones se neutraliza entre sí, provocando que el átomo sea eléctricamente neutro.

Ahora te planteamos un misterio: el modelo atómico de Rutherford contradecía las predicciones de la física clásica, según la cual cuando una carga eléctrica en movimiento curva su trayectoria, emite energía en forma de radiación. Tal pérdida de energía haría al átomo inestable y los electrones, moviéndose en espiral, acabarían precipitándose sobre el núcleo en poco más de una millonésima de segundo. De ser así la materia como conjunto de átomos debería ser completamente efímera.

¿Cómo resolverlo? El modelo desarrollado con posterioridad por Niels Bohr iniciaría el camino hacia la solución de este importante enigma.

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