Modelo de budín de ciruelas
El modelo del pudín de ciruelas es uno de varios modelos científicos históricos del átomo. Propuesto por primera vez por J. J. 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 pudín de ciruelas tiene electrones rodeados por un volumen de carga positiva, como "ciruelas" cargadas negativamente. incrustado en un "pudín" cargado positivamente.
Resumen
Hacía muchos años que se sabía que los átomos contienen partículas subatómicas cargadas negativamente. Thomson los llamó "corpúsculos" (partículas), pero eran más comúnmente llamados "electrones", el nombre que G. J. Stoney había acuñado para la "cantidad unitaria fundamental de electricidad" en 1891. También se sabía desde hacía muchos años que los átomos no tienen 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 la Philosophical Magazine, la principal revista científica británica del momento. En opinión de Thomson:
... los átomos de los elementos consisten en una serie de corpus electrificados negativamente encerrados en una esfera de electrificación positiva uniforme,...
El modelo de Thomson fue el primero en asignar una estructura interna específica a un átomo, el único inconveniente era que contenía muchas suposiciones y no tenía ninguna evidencia matemática que lo respaldara. J.J. Thomson había seguido el trabajo de William Thomson, quien había escrito un artículo que proponía un átomo de vórtice en 1867. J.J. Thomson abandonó su "átomo nebular" de 1890; hipótesis, basada en la teoría del vórtice del átomo, en la que los átomos estaban compuestos de vórtices inmateriales y sugería 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 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.
El objetivo principal del modelo de Thomson después de su publicación inicial era dar cuenta del estado eléctricamente neutro y químicamente variado del átomo. Las órbitas de los electrones eran estables bajo la mecánica clásica. Cuando un electrón se aleja del centro de la esfera cargada positivamente, está sujeto a una mayor fuerza interna positiva neta debido a la presencia de más carga positiva dentro de su órbita (consulte 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. En cuanto a las propiedades de la materia, Thomson creía que surgían de efectos eléctricos. Además, enfatizó la necesidad de una teoría para ayudar a representar los aspectos físicos y químicos de un átomo utilizando la teoría de los corpúsculos y la electricidad positiva (carga positiva). Thomson intentó sin éxito remodelar su modelo para tener en cuenta algunas de las principales líneas espectrales conocidas experimentalmente para varios elementos. Después del descubrimiento científico de la radiactividad, Thomson decidió abordarla en su modelo al afirmar:
...debemos enfrentar el problema de la constitución del átomo, y ver si podemos imaginar un modelo que tenga en sí la potencialidad de explicar las notables propiedades que muestran las sustancias radiactivas...
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 de Thomson cambió en el transcurso de su publicación inicial, convirtiéndose finalmente en un modelo con mucha más movilidad que contiene electrones que giran en el campo denso de carga positiva (Electricidad positiva como la llama Thomson) en lugar del estático "Ciruela -pudin" estructura.
El modelo del pudín de ciruelas guió útilmente a su estudiante, Ernest Rutherford, a idear experimentos para explorar más a fondo la composición de los átomos. Además, el modelo de Thomson fue una mejora sobre los modelos anteriores del sistema solar de Joseph Larmor y el modelo de anillos 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 soportar la mecánica clásica, ya que en los modelos del sistema solar los electrones giraban en espiral hacia el núcleo, por lo que se descartaron a favor del modelo de Thompson. Sin embargo, todos los modelos atómicos anteriores fueron útiles como predecesores del modelo de Bohr del átomo más correcto de 1913, similar al sistema solar, al que Bohr hace referencia en su artículo que tomó prestado sustancialmente del modelo nuclear de 1912 de John William Nicholson, cuyo modelo atómico cuántico cuantizó impulso como h/2π. 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 recordaba a muchos científicos a las pasas, entonces llamadas 'ciruelas', en el postre común inglés, 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 que implicaban 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 de Bohr del átomo 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
Como ejemplo importante de un modelo científico, el modelo del pudín de ciruelas ha motivado y guiado varios problemas científicos relacionados.
Tamaño atómico y constantes científicas
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. Haas' El trabajo fue el primero en estimar estos valores dentro de un orden de magnitud y precedió al trabajo de Niels Bohr por tres años. Cabe destacar que el modelo de Bohr proporciona predicciones razonables solo para sistemas atómicos e iónicos con solo un electrón efectivo.
Problema matemático de Thomson
Un problema matemático particularmente útil relacionado con el modelo de 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.
Puntos cuánticos esféricos
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 con carga neutra (en lugar de una esfera uniforme con carga positiva del 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 comparando la energía de cada solución de N-electrón con la energía de su vecino (N-1)- solución de 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 con respecto a los arreglos orbitales de electrones en átomos reales, como se muestra en la figura. Se puede acceder a información adicional en línea como un gran cartel imprimible.
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