Modelo atómico de Thomson

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

Visión de conjunto

Se sabía desde hacía muchos años que los átomos contienen partículas subatómicas cargadas negativamente. Thomson los llamó "corpúsculos" (partículas), pero se los llamó más comúnmente "electrones", el nombre que GJ Stoney había acuñado para la "cantidad unitaria fundamental de electricidad" en 1891. También se sabía desde hacía muchos años que los átomos tienen sin carga eléctrica neta. Thomson sostuvo que los átomos también deben contener alguna carga positiva que anule la carga negativa de sus electrones. Thomson publicó su modelo propuesto en la edición de marzo de 1904 de 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,...

JJ Thomson había seguido el trabajo de Thomson Lord Kelvin, quien había escrito un artículo que proponía un átomo de vórtice en 1867. JJ Thomson abandonó su hipótesis del "átomo nebular" de 1890, que se basaba en la teoría del vórtice del átomo, en la que los átomos estaban compuestos de vórtices inmateriales y sugirió que había similitudes entre la disposición de los vórtices y la regularidad periódica encontrada entre los elementos químicos. Siendo un científico astuto y práctico, Thomson basó su modelo atómico en evidencia experimental conocida de la época y, de hecho, siguió el ejemplo de Lord Kelvin nuevamente, ya que Kelvin había propuesto un átomo de esfera positiva un año antes.La propuesta de JJ Thomson basada en el modelo de Kelvin de una carga de volumen positivo 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 bajo la mecánica clásica porque cuando un electrón se alejaba del centro de la esfera cargada positivamente, estaba sujeto a una mayor fuerza neta positiva hacia adentro, porque había más carga positiva dentro de su órbita (ver la ley de Gauss). Los electrones tenían libertad para rotar en anillos que se estabilizaban aún más mediante interacciones entre los electrones, y las mediciones espectroscópicas estaban destinadas a tener en cuenta las diferencias de energía asociadas con diferentes anillos de electrones. Thomson intentó sin éxito remodelar su modelo para tener en cuenta algunas de las principales líneas espectrales conocidas experimentalmente para varios elementos. Ya en 1897, el físico teórico Joseph Larmor había explicado la división de las líneas espectrales en un campo magnético por la oscilación de los electrones.Según una celebración del centenario del átomo de Bohr en la revista Nature, fue John William Nicholson en 1912 quien descubrió por primera vez que los electrones irradian las líneas espectrales a medida que descienden hacia el núcleo y su teoría era tanto nuclear como cuántica.

El modelo del pudín de ciruelas guió útilmente a su alumno, Ernest Rutherford, a idear experimentos para explorar más a fondo la composición de los átomos. Además, el modelo de Thomson fue una mejora con respecto a los modelos anteriores del sistema solar de Joseph Larmor y el modelo de anillo de Saturno para electrones atómicos presentado en 1904 por Nagaoka (después del modelo de anillos de Saturno de James Clerk Maxwell) ya que estos no podían resistir la mecánica clásica como en el solar. En los modelos del sistema, los electrones entrarían en espiral en el núcleo, por lo que se descartaron en favor del modelo de Thompson. Sin embargo,h /2 π. El modelo de Bohr fue inicialmente plano como el modelo de Nagaoka, pero Sommerfeld introdujo órbitas elípticas en los años 1914-1925 hasta que la mecánica cuántica moderna derrocó la teoría.

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

En 1909, Hans Geiger y Ernest Marsden realizaron experimentos con finas láminas 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.lo que implicaba la presencia de un núcleo muy pequeño de carga positiva en el centro de cada átomo de oro. Esto condujo al desarrollo del modelo atómico de Rutherford. Inmediatamente después de que Rutherford publicara 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. Los experimentos de Henry Moseley 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 del átomo de Bohr similar al sistema solar (pero limitado cuánticamente) 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

El modelo de pudín de ciruelas 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 por tres años. Es de destacar que el modelo de Bohr en sí proporciona predicciones razonables solo para sistemas atómicos e iónicos con solo un electrón efectivo.

Un problema matemático particularmente útil relacionado con el modelo del pudín de ciruelas 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 ciruelas en ausencia de su carga de fondo positiva uniforme.

El tratamiento electrostático clásico de los electrones confinados en puntos cuánticos esféricos también es similar a su tratamiento en el modelo de pudín de ciruelas. En este problema clásico, el punto cuántico se modela como una simple esfera dieléctrica (en lugar de una esfera uniforme cargada positivamente como en el modelo del pudín de ciruelas) en la que residen electrones libres o en exceso. Se encuentra que las configuraciones electrostáticas de N electrones 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 previstos en los átomos naturales tal como están dispuestos en la tabla periódica de elementos.De gran interés, las soluciones del problema de Thomson exhiben esta distribución de energía correspondiente al comparar la energía de cada solución de N-electrones con la energía de su solución vecina de (N-1)-electrones 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 brindan una mayor fidelidad con respecto a los arreglos orbitales de electrones en los átomos reales.