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Modelo Atómico de Sommerfeld

El modelo atómico de Sommerfeld es una versión mejorada del modelo de Bohr, en el que el comportamiento de los electrones se explica por la existencia de diferentes niveles de energía dentro del átomo. Arnold Sommerfeld publicó en 1916 su propuesta explicando las limitaciones de este modelo aplicando la teoría de la relatividad de Einstein.

El destacado físico alemán encontró que en algunos átomos los electrones alcanzaban velocidades cercanas a la de la luz. En vista de ello, decidió basar su análisis en la teoría relativista. Esta decisión fue controvertida por aquel entonces, ya que la teoría de la relatividad aún no había sido aceptada en la comunidad científica.

De esta manera, Sommerfeld desafió los preceptos científicos de la época y dio un enfoque diferente a la modelización atómica.

Modelo Atómico de Sommerfeld

El modelo atómico de Sommerfeld surge para perfeccionar las deficiencias del modelo atómico de Bohr. Las propuestas de este modelo, en términos generales, son las siguientes:

- Los electrones describen órbitas circulares alrededor del núcleo, sin irradiar energía.

- No todas las órbitas eran posibles. Sólo se habilitan aquellas órbitas cuyo momento angular del electrón cumple ciertas características. Cabe señalar que el momento angular de una partícula depende de un compendio de todas sus magnitudes (velocidad, masa y distancia) con respecto al centro de rotación.

- La energía liberada cuando un electrón desciende de una órbita a otra se emite en forma de energía luminosa (fotón).

Aunque el modelo atómico de Bohr describía perfectamente el comportamiento del átomo de hidrógeno, sus postulados no eran replicables a otros tipos de elementos.

Al analizar los espectros obtenidos a partir de átomos de elementos distintos del hidrógeno, se detectó que los electrones que se encontraban en el mismo nivel de energía podían contener energías diferentes.

Así, cada una de las bases del modelo era refutable desde el punto de vista de la física clásica. La siguiente lista detalla las teorías que contradicen el modelo, según la numeración anterior:

- Según las leyes electromagnéticas de Maxwell, todas las cargas sometidas a una cierta aceleración emiten energía en forma de radiación electromagnética.

- Frente a la posición de la física clásica, era inconcebible que un electrón no pudiera orbitar libremente a cualquier distancia del núcleo.

- Para entonces, la comunidad científica tenía una firme convicción sobre la naturaleza ondulatoria de la luz, y la idea de que debería presentarse como una partícula no se contempló hasta entonces.

Modelo Atómico de Sommerfeld Características

Arnold Sommerfeld concluyó que la diferencia de energía entre los electrones -a pesar de que estaban en el mismo nivel de energía- se debía a la existencia de subniveles de energía dentro de cada nivel.

Sommerfeld se basó en la Ley de Coulomb para afirmar que si un electrón está sujeto a una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, la trayectoria descrita debe ser elíptica y no estrictamente circular.

Además, se basó en la teoría de la relatividad de Einstein para tratar los electrones de manera diferente y evaluar su comportamiento en términos de las velocidades alcanzadas por estas partículas fundamentales.

El uso de espectroscopios de alta resolución para el análisis de la teoría atómica reveló la existencia de líneas espectrales muy finas que Niels Bohr no había detectado, y para las cuales el modelo propuesto por él no proporcionaba una solución.

Ante ello, Sommerfeld repitió los experimentos de descomposición de la luz en su espectro electromagnético mediante el uso de electroscopios de última generación para entonces.

De su investigación, Sommerfeld dedujo que la energía contenida en la órbita estacionaria del electrón depende de las longitudes de los semiejes de la elipse que describe esa órbita.

Esta dependencia viene dada por el cociente que existe entre la longitud del medio eje mayor y la longitud del medio eje menor de la elipse, y su valor es relativo.

Por lo tanto, cuando un electrón cambia de un nivel de energía a uno más bajo, se pueden habilitar diferentes órbitas dependiendo de la longitud del eje medio menor de la elipse.

Además, Sommerfeld también observó que las líneas espectrales estaban desplegadas. La explicación que el científico atribuyó a este fenómeno fue la versatilidad de las órbitas, ya que éstas bien podrían ser elípticas o circulares.

De esta manera, Sommerfeld explicó por qué se veían líneas espectrales finas en el momento de realizar el análisis con el espectroscopio.

Modelo Atómico de Sommerfeld Postulados

Después de varios meses de estudios aplicando la ley de Coulomb y la teoría de la relatividad para explicar las deficiencias del modelo de Bohr, en 1916 Sommerfeld anunció dos modificaciones básicas a ese modelo:

- Las órbitas de los electrones pueden ser circulares o elípticas.

- Los electrones alcanzan velocidades relativistas, es decir, valores cercanos a la velocidad de la luz.

Sommerfeld definió dos variables cuánticas que permiten describir el momento angular orbital y la forma orbital de cada átomo. Estos son:

Número cuántico principal "n".
Cuantiza el semieje mayor de la elipse descrita por el electrón.

Número cuántico secundario "I".
Cuantiza el eje medio menor de la elipse descrita por el electrón.

Este último valor, también conocido como número cuántico azimutal, se designa con la letra "I" y adquiere valores que van de 0 a n-1, siendo n el número cuántico principal del átomo.

Dependiendo del valor del número cuántico azimutal, Sommerfeld asignó diferentes nombres a las órbitas, como se detalla a continuación:

- l=0 → orbitals S.

- l=1 → main orbital orbital orbital orbital p.

- l=2 → orbital difuso u orbital d.

- I=3 → fundamental orbital u orbital f.

Además, Sommerfeld indicó que el núcleo de los átomos no era estático. Según el modelo que propuso, tanto el núcleo como los electrones se mueven alrededor del centro de masa del átomo.

Vídeos de Modelo Atómico de Sommerfeld

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Modelo Atómico de Sommerfeld - Modelos Atómicos

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Modelo Atómico de Sommerfeld El modelo atómico de Sommerfeld es una versión mejorada del modelo de Bohr, en el que el comportamiento de los electrones se explica por la existencia de diferentes niveles de energía dentro del átomo. Arnold Sommerfeld publicó en 1916 su propuesta explicando las limitaciones de este modelo aplicando la teoría de la relatividad de Einstein.

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Breve explicación

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También llamado el modelo planetario. Desarrollado en 1911.
Después del modelo de Thomson que consideraba que los electrones se encontraban en un medio de carga positiva, dos ayudantes de Rutherford, Geiger y Marsden, realizaron en 1909 un estudio conocido como "el experimento de la hoja de oro", el cual demostró que el modelo del "pudín con pasas" de Thomson estaba equivocado ya que mostraron que el átomo tenía una estructura con una fuerte carga positiva.

Este experimento, diseñado y supervisado por Rutherford, condujo a conclusiones que terminaron en el modelo atómico de Rutherford presentado en 1911.

El Experimento de la Hoja de Oro.

Esta serie de experimentos fueron realizados entre 1909 y 1913 en los laboratorios de física de la Universidad de Manchester por un par de científicos, Hans Geiger y Ernest Marsden, colaboradores de Ernest Rutherford y bajo la supervisión del mismo.

La importancia de estos experimentos radica en el hecho que sus resultados y conclusiones condujeron a un nuevo y revolucionario modelo atómico.

El experimento consistía en bombardear con partículas alfa una lamina delgada de oro de 100 nm de espesor. Las partículas alfa eran iones, o sea átomos sin electrones por lo que solamente tenían protones y neutrones y en consecuencia una carga positiva. Si el modelo de Thomson era correcto, las partículas alfa atravesarían los átomos de oro en línea recta.

Para estudiar la deflexión causada a las partículas alfa, colocó un filtro fluorescente de sulfuro de zinc alrededor de la fina lámina de oro donde pudieron observar que aunque algunas partículas atravesaban los átomos de oro en línea recta, pero otras eran desviadas en direcciones aleatorias.

Conclusiones del Experimento

Los modelos atómicos anteriores consideraban que la carga positiva estaba distribuida uniformemente en el átomo, lo cual haría fácil atravesarla dado que su carga no sería tan fuerte en un punto determinado.

Los resultados inesperados del experimento, hicieron concluir a Rutherford que el átomo tenía un centro con una fuerte carga positiva que cuando un partícula alfa intentaba pasar era rechazada por esta estructura central.

Considerando la cantidad de partículas reflejadas y las que no lo eran, pudo determinar el tamaño de ese núcleo comparado con la órbita de los electrones a su alrededor y también pudo concluir que la mayor parte del espacio de un átomo está vacío.

Adicionalmente, algunas de las partículas alfa fueron desviadas por la lámina de oro en ángulos muy pequeños, y por lo tanto pudo concluir que la carga positiva en un átomo no está uniformemente distribuida. La carga positiva en un átomo se concentra en un volumen muy pequeño.

Finalmente, como muy pocas de las partículas alfa se desviaron hacia atrás, es decir, como si hubieran rebotado pudo deducir que el volumen ocupado por las partículas cargadas positivamente en un átomo es muy pequeño en comparación con el volumen total de un átomo.

En consecuencia de todos estos interesantes descubrimientos, fue evidente para Rutherford que el modelo atómico como se conocía estaba erróneo por lo que creó uno nuevo con las siguientes consideraciones:

Principios básicos del modelo atómico de Rutherford.

1. Las partículas con carga positiva se encuentran en un volumen muy pequeño comparado con el tamaño del átomo.

2. La mayor parte de la masa del átomo se encuentra en ese pequeño volumen central. Rutherford no lo llamó "núcleo" en sus papales iniciales pero lo hizo a partir de 1912.

3. Los electrones con carga eléctrica negativa, giran alrededor del núcleo.

4. Los electrones gira a altas velocidades alrededor del núcleo y en trayectorias circulares a las que llamó órbitas.

5. Tanto los electrones cargados negativamente como el núcleo con carga positiva se mantienen unidos por una fuerza de atracción electrostática.

Aceptación del Modelo Atómico de Rutherford.

Este modelo tuvo gran aceptación en la comunidad científica y vislumbró un panorama de un átomo con varias partículas subatómicas. Científicos posteriores pudieron determinar el número de electrones o número atómico de cada elemento.

Culturalmente, pese a todos los nuevos descubrimientos, el modelo tipo planetario de Rutherford-Bohr es el que sigue en la mente de la mayoría de la gente y es aún la forma más sencilla de explicar el funcionamiento de un átomo, con un núcleo de protones y neutrones y electrones en órbitas girando alrededor.

Limitaciones y Errores en el modelo de Rutherford.

Aunque el modelo atómico de Rutherford fue un gran avance en la física, no era perfecto ni completo, de hecho de acuerdo a las leyes de Newton era algo imposible y tampoco explicaba un aspecto importante de las leyes de Maxwell. Este modelo no pudo explicar ciertas cosas como:

No tenía una explicación de cómo se mantenían unidas un grupo de cargas positivas en el núcleo. Según la teoría eléctrica, las cargas positivas se deberían repeler. Sin embargo, el núcleo era la unión de varios Protones.

Otra contradicción de este modelo fue hacia las leyes fundamentales de la electrodinámica, ya que al considerar que los electrones con carga negativa giran alrededor del núcleo, según las leyes de Maxwell, deberían emitir radiación electromagnética. Esta radiación consumiría energía que haría que los electrones colapsaran con el núcleo. Por lo tanto, no podía explicar la estabilidad del átomo.

Consideraciones adicionales del Modelo de Rutherford.

Aunque el modelo atómico se Rutherford fue rápidamente sustituido por el modelo de Bohr que resolvía algunos de los problemas anteriores, el nuevo concepto fue realmente revolucionario y el principio de una nueva era de estudio del átomo y sus posibilidades por lo que se le considera el padre de la física nuclear.

¿Quién era Ernest Rutherford?

Ernest Rutherford nació el 30 de agosto de 1871 en Nueva Zelanda. Su padre era granjero y su madre maestra de escuela. Aunque sus padres eran británicos, emigraron a Nueva Zelanda buscando mejores oportunidades y ahí nació Ernest.

Acudió a la escuela e incluso la universidad en Nueva Zelanda pero en 1895 ganó una beca para estudiar en Cambridge, Inglaterra donde estuvo relacionado con JJ Thomson, descubridor del electrón y creador del modelo atómico que lleva su nombre.

Por recomendación del mismo Thomson, Rutherford ocupó un puesto en una universidad de Canadá donde hizo estudios sobre la química de sustancias radioactivas lo que le hizo merecedor del premio Nobel de Química en 1908.

Ernest regresó al reino unido en 1907 a la universidad de Manchester donde realizó sus mayores aportaciones a la ciencia.En 1908 y años posteriores Rutherford hizo con ayuda de sus asistentes experimentos que lo llevaron a plantear un nuevo y revolucionario modelo atómico en 1911.

En 1914 fue nombrado caballero por sus trabajos en la guerra para detectar submarinos por medio del sonar y en 1917 fue nombrado director del laboratorio Cavendish en Cambridge sucediendo a JJ Thomson. Bajo su mando, varios subalternos ganaron premios nobel.

Por sus incontables logros, en 1931 fue nombrado Barón Rutherford de Nelson, unos años antes de su muerte en 1937.

Contribuciones Científicas.

Rutherford tuve varias contribuciones científicas iniciando con sus trabajos con rayos X en gases que sirvieron de soporte al descubrimiento del electrón por JJ Thomson. Estudios de la radioactividad del Uranio le permitieron detectar dos tipos de radiación, los rayos alfa y los rayos beta. Pero definitivamente su modelo atómico fue su legado más exitoso.

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Es modelo atómico de Rutherford incorporaba por primera vez el núcleo formado de protones y posteriormente se agregaron los neutrones. Esto fue descubierto por Rutherford gracias al famoso experimente de la hoja de Oro. Pese a ser un éxito, tenía algunas deficiencias.

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También conocido como el modelo Pudín con pasas. Desarrollado en 1904.
Sir Joseph John Thomson fue un científico británico que descubrió la primera partícula subatómica, el electrón. J.J. Thomson descubrió partículas cargadas negativamente mediante un experimento de tubo de rayos catódicos en el año 1897.

Como consecuencia de este descubrimiento, y considerando que aún no se tenía evidencia del núcleo de átomo, Thomson pensó que los electrones se encontraban inmersos en una sustancia de carga positiva que contrarrestaba la carga negativa de los electrones, ya que los átomos tienen carga neutral. Algo semejante a tener una gelatina con pasas flotando adentro. Por este motivo a su modelo atómico se le conoció como el modelo del pudín con pasas.

En este modelo, Thompson aún llamaba a los electrones corpúsculos y consideraba que estaban dispuesto en forma no aleatoria, en anillos giratorios, sin embargo la parte positiva permanecía en forma indefinida.

Este modelo creado en 1904, nunca tuvo una aceptación académica generalizada y fue rápidamente descartado cuando en 1909 Geiger y Marsden hicieron el experimento de la lámina de oro.

En este experimento, estos científicos, también residentes de la universidad de Manchester y discípulos de Ernst Rutherford, hicieron pasar un haz de partículas alfa de Helio, a través de una lámina de oro. Las partículas alfa son iones de un elemento, o sea, núcleos sin electrones y por lo tanto con carga positiva.

El resultado fue que este haz se dispersaba al pasar por la lámina de oro, lo que hacía concluir que debía haber un núcleo con fuerte carga positiva que desviaba el haz. En el modelo atómico de Thomson, la carga positiva estaba distribuida en la "gelatina" que contenía los electrones por lo que un haz de iones debería pasar a través del átomo en ese modelo.

El descubrimiento del electrón también contravenía a una parte del modelo atómico de Dalton que consideraba que el átomo era indivisible, lo que impulsó a Thompson en pensar en el modelo del "pudín de ciruelas".

Características del modelo atómico de Thomson.

1. Un átomo se asemeja a una esfera con materia de carga positiva y con electrones (partículas cargadas negativamente) presentes dentro de la esfera.

2. La carga positiva y negativa es igual en magnitud y, por lo tanto, un átomo no tiene carga en su conjunto y es eléctricamente neutro.

3. Para tener átomos con carga neutra, los electrones deberían estar inmersos en una sustancia con carga positiva.

4. Aunque no era parte explícita del modelo, este modelo no tenía núcleo atómico.

Al crear este modelo, Thomson abandonó su hipótesis anterior de "átomo nebular" en la que los átomos estaban compuestos de vórtices inmateriales. Como científico consumado, Thomson creó su modelo atómico en basado en las evidencias experimentales conocidas en su tiempo.

A pesar de que el modelo atómico de Thomson era inexacto, sentó las bases para los modelos posteriores más exitosos. Incluso, condujo a experimentos que pese a que demostraron su inexactitud, llevaron a nuevas conclusiones.

Limitaciones y Errores del modelo atómico de Thomson.

El modelo atómico de Thomson no pudo explicar cómo se mantiene la carga en los electrones dentro del átomo. Tampoco pudo explicar la estabilidad de un átomo.

La teoría no mencionó nada sobre el núcleo del átomo.
Los protones y los neutrones aún no eran descubiertos y Thomson un científico serio se basó principalmente en crear una explicación con los elementos científicamente probados en la época.

Fue rápidamente descartado por los experimentos de la lámina de oro.
En este experimento se demostró que debería existir algo dentro del átomo con una fuerte carga positiva y mayor masa, el núcleo.

Impacto del Modelo de Thomson.

Pese a sus deficiencias y su breve vida, el modelo del "Pudín con pasas" representó un paso importante en el desarrollo de la teoría atómica ya que incorporó partículas subatómicas y nuevos descubrimientos, como la existencia del electrón, e introdujo la noción del átomo como una masa no inerte y divisible. A partir de este modelo, los científicos supusieron que los átomos estaban compuestos de unidades más pequeñas, y que los átomos interactuaban entre sí a través de muchas fuerzas diferentes.

¿Quién fue JJ Thomson?

Sir Joseph John Thomson, nació el 18 de diciembre de 1856 en la ciudad de Mánchester, Inglaterra. Su madre era hija de una familia de empresarios mientras que su padre tenía una librería, lo que le permitió una educación temprana en escuelas privadas.

Desde pequeño destacó y mostró interés por la ciencia y a los 14 años ingresó a la Universidad de Manchester y tres años más tarde perdió a su padre. En 1876 se trasladó al afamado Trinity College en Cambridge donde se graduó en 1880 y obtuvo una maestría en 1883.

En 1890, Thomson se casó con Rose Elisabeth Paget, hija de un profesor de la misma universidad con quien tuvo dos hijos.

En 1897 Sir Joseph Thomson descubrió los electrones y años más tarde la evidencia de isótopos. Estos trabajos más la creación del primer espectrómetro de masas y el estudio de la conductividad en gases le hicieron merecedor del premio Nobel de Física en 1906.

Este prominente científico británico murió el 30 de agosto de 1940 habiendo cambiado para siempre la física con sus contribuciones.

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El modelo atómico de Thomson incorporaba el electrón por primera vez ya que había sido descubierto por el mismo JJ Thomson unos años antes. Sin embargo era un modelo que carecía de núcleo y suponía que los electrones se encontraban inmersos en una sustancia de carga positiva.

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👓Modelo  Atómico de DALTON (Breve explicación)

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El modelo atómico de Dalton representa al átomo como la partícula más pequeña e indivisible de la materia. John Dalton (1766-1844) propuso que los átomos eran los bloques de construcción básicos de la materia y los representaba como esferas sólidas.

La idea de que la materia estaba compuesta de partículas pequeñísimas que ya no se podían dividir fue considerada inicialmente en el siglo V a. de C. por Demócrito. Sin embargo, pasaron más de 20 siglos para que la noción del átomo fuera aceptada.

Dalton realizó la primera presentación científica del átomo en 1808. Posteriormente, este modelo atómico fue desplazado al avanzar el conocimiento y la tecnología.

Postulados de la teoría atómica de Dalton

Los postulados de la teoría atómica de Dalton se infieren de sus trabajos de investigación sobre el átomo. A continuación, te explicamos cada una de sus proposiciones.

Cada elemento está compuesto de partículas diminutas llamadas átomos

La mejor forma de explicar el comportamiento de los gases según Dalton era asumiendo que los elementos estaban compuestos por átomos.

Los átomos de un elemento son iguales

A diferencia de muchos de sus contemporáneos, Dalton pensó que los átomos de un elemento eran iguales y que cada elemento debía tener sus propios átomos. Por ejemplo: el hierro (Fe) tenía átomos propios del hierro, que eran diferentes de los átomos del elemento plata (Ag).

Tal como estas bolitas de cristal, todos los átomos de un elemento, según Dalton, son iguales.

Los compuestos químicos se forman cuando los átomos se combinan

Un átomo de una sustancia X se combina con un átomo de la sustancia Y para formar el compuesto XY. En el caso del monóxido de carbono CO, un átomo de carbono C se combina con un átomo de oxígeno O.

Las reacciones químicas se producen por la reorganización de los átomos

Cuando los compuestos reaccionan, se produce un reacomodo de los átomos. Por ejemplo, si un compuesto XY reacciona con un elemento Z, puede ocurrir dos nuevos compuestos: XZ o YZ.

Los átomos no cambian

Para Dalton, los átomos eran indestructibles y no podían cambiarse entre sí.

¿Cómo Dalton llegó a la teoría atómica?

Dalton era profesor en una Universidad de Manchester (Inglaterra), interesado en la meteorología. Estudiando la naturaleza del aire, Dalton propuso en 1803 la ley de las presiones parciales de los gases. Él pensó que los gases consistían de pequeñas partículas que se atraían y rechazaban entre sí.

En 1804 propuso la ley de las proporciones múltiples, según la cual un compuesto está constituido por una cantidad fija y proporcional de elementos.

Aunque Dalton publicó su trabajo parcialmente en revistas científicas de la época, toda la información fue recopilada en 1808 en el libro Un nuevo sistema de filosofía química, donde explicó con detalles sus hallazgos.

Fallas de la teoría atómica de Dalton

Evidentemente para nuestro conocimiento actual, la teoría de Dalton presenta muchas fallas. A continuación te explicamos, a modo de resumen, cada uno de los aspectos fundamentales de la teoría de Dalton que son rechazados.

El átomo no es indivisible

El átomo, en realidad, está conformado por muchas otras partículas subatómicas. Fueron necesarios casi cien años después de la teoría de Dalton para descubrir los electrones y los protones, con lo cual se echaba por tierra que el átomo era indivisible.

Los átomos sí cambian

Un átomo puede cambiar por efecto de la radiactividad. Cuando átomos inestables pierden partículas, pueden dar origen a un elemento completamente nuevo. Por ejemplo: el uranio -238 se transforma por decaimiento radiactivo en torio-234.

El agua no es la combinación de un hidrógeno y un oxígeno

Ahora sabemos que la molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Dalton tuvo un error en el cálculo del agua.

El modelo atómico que siguió al de Dalton fue el de "pudin con pasas", propuesto por J.J. Thomson (1856-1940), donde los electrones (pasas) estaban incrustados en una masa positiva (pudín).

Vea también Átomo.

Resistencias a la teoría atómica de Dalton

El químico británico sir Henry Enfield Roscoe (1833-1915) se burlaba de la teoría atómica diciendo que los átomos eran pedacitos de madera inventados por el señor Dalton.

Probablemente se refería a los modelos de construcción en madera que algunos científicos usaban para representar los diferentes tipos de átomos.

Vea también Modelos atómicos.

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Modelo atómico de Dalton: explicación y postulados

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El modelo atómico de Dalton representa al átomo como la partícula más pequeña e indivisible de la materia. John Dalton (1766-1844) propuso que los átomos eran los bloques de construcción básicos de la materia y los representaba como esferas sólidas.