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El modelo de pudín de ciruela del átomo
El modelo actual de la estructura subatómica implica un núcleo denso rodeado por una "nube" probabilística de electrones

El modelo del pudín de ciruela es uno de varios modelos científicos históricos del átomo . Propuesto por primera vez por JJ Thomson en 1904 [1] poco después del descubrimiento del electrón , pero antes del descubrimiento del núcleo atómico , el modelo trató de explicar dos propiedades de los átomos que entonces se conocían: que los electrones son partículas cargadas negativamente y que los átomos no tienen carga eléctrica neta. El modelo del pudín de ciruela tiene electrones rodeados por un volumen de carga positiva, como "ciruelas" cargadas negativamente incrustadas en un " pudín " cargado positivamente .

Resumen [ editar ]

En este modelo, se sabía que los átomos consistían en partículas subatómicas cargadas negativamente. Aunque Thomson los llamó " corpúsculos ", eran más comúnmente llamados "electrones" que GJ Stoney propuso como la "cantidad unitaria fundamental de electricidad" en 1891. [2] En ese momento, se sabía que los átomos no tenían carga eléctrica neta. Thomson sabía que los átomos deben tener una fuente de carga positiva para contrarrestar la carga negativa de los electrones. [3] [4] Thomson publicó su modelo propuesto en la edición de marzo de 1904 de la Philosophical Magazine , la principal revista científica británica de la época. En opinión de Thomson:

... los átomos de los elementos consisten en una serie de corpúsculos electrificados negativamente encerrados en una esfera de electrificación positiva uniforme, ... [5]

Con este modelo, Thomson abandonó su hipótesis del "átomo nebular" de 1890 basada en la teoría atómica del vórtice en la que los átomos estaban compuestos por vórtices inmateriales y sugirió que había similitudes entre la disposición de los vórtices y la regularidad periódica encontrada entre los elementos químicos. [6] : 44–45 Siendo un científico astuto y práctico, Thomson basó su modelo atómico en evidencia experimental conocida de la época. Su propuesta de una carga volumétrica positiva refleja la naturaleza de su enfoque científico del descubrimiento, que consistía en proponer ideas para guiar experimentos futuros.

En este modelo, las órbitas de los electrones eran estables porque cuando un electrón se alejaba del centro de la esfera cargada positivamente, estaba sujeto a una fuerza interna positiva neta mayor, porque había más carga positiva dentro de su órbita (ver la ley de Gauss ). Los electrones podían rotar libremente en anillos que se estabilizaban aún más mediante interacciones entre los electrones, y las mediciones espectroscópicas estaban destinadas a explicar las diferencias de energía asociadas con diferentes anillos de electrones. Thomson intentó sin éxito remodelar su modelo para dar cuenta de algunas de las principales líneas espectrales conocidas experimentalmente para varios elementos. [ cita requerida ]

El modelo del pudín de ciruela guió de manera útil a su alumno, Ernest Rutherford , a diseñar experimentos para explorar más a fondo la composición de los átomos. Además, el modelo de Thomson (junto con un semejante modelo de anillo de Saturno para los electrones atómicos presentada en 1904 por Nagaoka después de James Clerk Maxwell 's modelo de los anillos de Saturno ) fueron predecesores útil de las más correcto solar-sistema-como Bohr modelo del átomo.

El apodo coloquial "pudín de ciruela" pronto se atribuyó al modelo de Thomson, ya que la distribución de electrones dentro de su región cargada positivamente del espacio les recordó a muchos científicos las pasas , entonces llamadas "ciruelas", en el postre inglés común, pudín de ciruela .

En 1909, Hans Geiger y Ernest Marsden realizaron experimentos con láminas delgadas de oro . Su profesor, Ernest Rutherford, esperaba encontrar resultados consistentes con el modelo atómico de Thomson. No fue hasta 1911 que Rutherford interpretó correctamente los resultados del experimento [7] [8] que implicaba la presencia de un núcleo muy pequeño de carga positiva en el centro de los átomos de oro. Esto condujo al desarrollo del modelo del átomo de Rutherford . Inmediatamente después de que Rutherford publicó sus resultados, Antonius Van den Broek hizo la propuesta intuitiva de que el número atómico de un átomo es el número total de unidades de carga presentes en su núcleo. Henry MoseleyLos experimentos de 1913 (ver la ley de Moseley ) proporcionaron la evidencia necesaria para apoyar la propuesta de Van den Broek. Se encontró que la carga nuclear efectiva era consistente con el número atómico (Moseley encontró solo una unidad de diferencia de carga). Este trabajo culminó en el modelo de Bohr similar al sistema solar (pero limitado cuánticamente) del átomo en el mismo año, en el que un núcleo que contiene un número atómico de cargas positivas está rodeado por un número igual de electrones en capas orbitales. Así como el modelo de Thomson guió los experimentos de Rutherford, el modelo de Bohr guió la investigación de Moseley.

Problemas científicos relacionados [ editar ]

El modelo de pudín de ciruela con un solo electrón fue utilizado en parte por el físico Arthur Erich Haas en 1910 para estimar el valor numérico de la constante de Planck y el radio de Bohr de los átomos de hidrógeno. El trabajo de Haas estimó estos valores dentro de un orden de magnitud y precedió al trabajo de Niels Bohr en tres años. Es de destacar que el modelo de Bohr en sí mismo proporciona predicciones razonables solo para sistemas atómicos e iónicos con un solo electrón efectivo.

Un problema matemático particularmente útil relacionado con el modelo del pudín de ciruela es la distribución óptima de cargas puntuales iguales en una esfera unitaria, llamado problema de Thomson . El problema de Thomson es una consecuencia natural del modelo de pudín de ciruela en ausencia de su carga de fondo positiva uniforme. [9]

El tratamiento electrostático clásico de los electrones confinados a puntos cuánticos esféricos también es similar a su tratamiento en el modelo del pudín de ciruela. [10] [11] En este problema clásico, el punto cuántico se modela como un dieléctrico simpleEsfera (en lugar de una esfera uniforme cargada positivamente como en el modelo del pudín de ciruela) en la que residen electrones libres o en exceso. Se encuentra que las configuraciones de electrones N electrostáticos son excepcionalmente cercanas a las soluciones encontradas en el problema de Thomson con electrones que residen en el mismo radio dentro de la esfera dieléctrica. En particular, se ha demostrado que la distribución trazada de la energía dependiente de la geometría tiene un parecido notable con la distribución de los orbitales de electrones anticipados en los átomos naturales, tal como se disponen en la tabla periódica de elementos. [11]De gran interés, las soluciones del problema de Thomson exhiben esta distribución de energía correspondiente al comparar la energía de cada solución de N-electrón con la energía de su solución vecina (N-1) -electrón con una carga en el origen. Sin embargo, cuando se trata dentro de un modelo de esfera dieléctrica, las características de la distribución son mucho más pronunciadas y proporcionan una mayor fidelidad [ aclaración necesaria ] con respecto a los arreglos orbitales de electrones en átomos reales. [12]

Referencias [ editar ]

  1. ^ "Modelo de pudín de ciruela" . Universe Today . 27 de agosto de 2009 . Consultado el 19 de diciembre de 2015 .
  2. ^ O'Hara, JG (marzo de 1975). "George Johnstone Stoney, FRS y el concepto del electrón". Notas y registros de la Royal Society of London . Sociedad de la realeza. 29 (2): 265-276. doi : 10.1098 / rsnr.1975.0018 . JSTOR 531468 . 
  3. ^ "Descubrimiento del electrón y el núcleo (artículo)" . Khan Academy . Khan Academy . Consultado el 9 de febrero de 2021 .
  4. ^ "4.3: El átomo nuclear" . Química LibreTexts . 4 de abril de 2016 . Consultado el 9 de febrero de 2021 .
  5. ^ Thomson, JJ (marzo de 1904). "Sobre la estructura del átomo: una investigación de la estabilidad y los períodos de oscilación de una serie de corpúsculos dispuestos a intervalos iguales alrededor de la circunferencia de un círculo; con la aplicación de los resultados a la teoría de la estructura atómica" (PDF) . Revista filosófica . Sexto. 7 (39): 237–265. doi : 10.1080 / 14786440409463107 .
  6. ^ Kragh, Helge (2002). Generaciones cuánticas: una historia de la física en el siglo XX (Reimpresión ed.). Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0691095523.
  7. ^ Angelo, Joseph A. (2004). Tecnología nuclear . Publicación de Greenwood . pag. 110. ISBN 978-1-57356-336-9.
  8. ^ Salpeter, Edwin E. (1996). Lakhtakia, Akhlesh (ed.). Modelos y modelizadores de hidrógeno . Revista estadounidense de física . 65 . World Scientific. págs. 933–934. Código Bibliográfico : 1997AmJPh..65..933L . doi : 10.1119 / 1.18691 . ISBN 978-981-02-2302-1.
  9. ^ Levin, Y .; Arenzon, JJ (2003). "Por qué las cargas van a la superficie: un problema de Thomson generalizado". Europhys. Lett . 63 (3): 415–418. arXiv : cond-mat / 0302524 . Código bibliográfico : 2003EL ..... 63..415L . doi : 10.1209 / epl / i2003-00546-1 .
  10. ^ Bednarek, S .; Szafran, B .; Adamowski, J. (1999). "Átomos artificiales de muchos electrones". Phys. Rev. B . 59 (20): 13036–13042. Código Bibliográfico : 1999PhRvB..5913036B . doi : 10.1103 / PhysRevB.59.13036 .
  11. ↑ a b LaFave, T., Jr. (2013). "Correspondencias entre el problema clásico de Thomson electrostático y la estructura electrónica atómica". J. Electrostática . 71 (6): 1029–1035. arXiv : 1403.2591 . doi : 10.1016 / j.elstat.2013.10.001 .
  12. ^ LaFave, T., Jr. (2014). "Transformaciones discretas en el problema de Thomson". J. Electrostática . 72 (1): 39–43. arXiv : 1403.2592 . doi : 10.1016 / j.elstat.2013.11.007 .