Rayos Catódicos y el Electrón
El estudio de las descargas eléctricas a través de gases enrarecidos originó el descubrimiento del electrón. Los gases a presión atmosférica normal no conducen la corriente eléctrica; son aislantes casi perfectos. Se necesita una enorme diferencia de potencial (30.000 V) para que salte una chispa eléctrica entre dos esferas separadas 1 cm. Si la distancia aumenta, la diferencia de potencial necesaria también aumenta. En cambio, los gases se vuelven mejores conductores de la electricidad a medida que disminuye la presión a la que están sometidos y la diferencia de potencial aplicada es elevada (del orden de 5.000-10.000 V).
Cuando la diferencia de potencial es de unos 5.000 a 10.000 V y la presión en el interior del tubo es de unos 5 mm de Hg, se observan descargas luminosas que llenan el espacio entre el cátodo y el ánodo. Si la presión del gas disminuye, la luminosidad desaparece, el interior del tubo se oscurece y la pared opuesta al cátodo emite una luz verdosa (fluorescencia). Esta luz es producida por unos rayos que salen del cátodo, llamados rayos catódicos. Se propagan en línea recta, tienen carga negativa y poseen energía cinética.
Rayos Canales y el Protón
En 1886, Goldstein, utilizando tubos de descarga con cátodo perforado, observó unas radiaciones que, procedentes del ánodo, pasaban a través de las perforaciones del cátodo. Las llamó rayos positivos o rayos canales. Al igual que los rayos catódicos, los rayos canales son desviados por campos eléctricos (hacia el polo negativo) y magnéticos (hacia el polo sur). Esto demuestra que son partículas con cargas positivas y masa mayor que la de los electrones.
En 1911, Thomson calculó la relación carga/masa (q/m) para los rayos positivos y comprobó que depende de la naturaleza del gas en el tubo. Con hidrógeno (el gas más ligero), los rayos canales están formados por átomos de hidrógeno que han perdido un electrón. Estas partículas positivas se llaman protones. La carga del protón es igual a la del electrón, pero de signo contrario, y su masa es 1.841 veces mayor.
El descubrimiento de estas partículas elementales constituyentes de la materia inspiró a Thomson a desarrollar el primer modelo atómico.
Modelo de Thomson
Thomson, habiendo demostrado que los electrones eran partículas constituyentes del átomo, y dado que el átomo es eléctricamente neutro, dedujo la existencia de partículas con carga positiva. Como la masa de los electrones es muy pequeña respecto a la del átomo, las partículas que más contribuyen a la masa atómica debían ser las cargadas positivamente.
Thomson propuso que el átomo era una esfera con carga positiva, de tamaño aproximado a 10-10 m, donde los electrones estaban inmersos en número suficiente para neutralizar la carga positiva.
Modelo de Rutherford
Para comprobar el modelo de Thomson, se hizo incidir un haz de partículas alfa (provenientes de una fuente radiactiva) sobre una lámina delgada de oro. Delante y detrás de la lámina se colocaron pantallas de sulfuro de zinc, que producen un destello al ser impactadas por las partículas alfa.
Los resultados fueron inesperados: la mayoría de las partículas alfa atravesaban la lámina sin desviarse, algunas se desviaban en ángulos grandes, y otras incluso rebotaban. Rutherford explicó estos resultados postulando que la carga positiva y la masa del átomo se concentraban en una zona reducida: el núcleo. El núcleo sería muy pequeño respecto al átomo, y los electrones estarían a gran distancia, en una zona llamada envoltura. El espacio entre el núcleo y los electrones sería vacío.
Clasificación de los Espectros
A) Espectros de Emisión
Se originan por la emisión de luz de una sustancia. Se clasifican en:
- Continuos: Abarcan todas las longitudes de onda, pasando de unas a otras gradualmente. Se obtienen con sólidos o líquidos incandescentes.
- Discontinuos: Muestran rayas brillantes sobre un fondo oscuro. Se observan al analizar la luz emitida por gases a baja presión o sustancias volatilizadas en una llama. Cada línea corresponde a una radiación con longitud de onda y frecuencia características.
B) Espectros de Absorción
Toda sustancia puede emitir y absorber determinadas radiaciones. Si se intercala un gas a baja presión (como hidrógeno) en el camino de una luz blanca, se observa un espectro continuo con rayas negras. El gas absorbe ciertas radiaciones de la luz blanca, que coinciden con las observadas en su espectro de emisión. Los espectros de emisión y absorción de una sustancia son complementarios.
Interpretación de los Espectros Atómicos
Los espectros atómicos se originan a partir de la energía radiante emitida por átomos excitados (es decir, átomos a los que se les ha comunicado energía). Los espectros de emisión son discontinuos, lo que indica que el átomo emite energía de forma discontinua. Los espectros de absorción también muestran que los átomos absorben energía a frecuencias específicas. Estos fenómenos no se pueden explicar con la física clásica ni con el modelo de Rutherford.
Modelo Atómico de Bohr
En 1913, Bohr, basándose en la teoría cuántica de Planck, propuso una teoría para explicar la estabilidad del átomo de hidrógeno y su espectro. El átomo de hidrógeno, con un protón en el núcleo y un electrón a su alrededor, es el más simple. A finales del siglo XIX se observó que las frecuencias del espectro del hidrógeno se agrupaban en series espectrales.