Modelos atómicos a lo largo de la historia

Qué son los modelos atómicos y por qué han cambiado con el tiempo

Los modelos atómicos son las representaciones sucesivas que la ciencia ha propuesto para explicar la estructura del átomo, desde la esfera indivisible de Demócrito hasta las nubes de probabilidad de la mecánica cuántica. Hoy se da por hecho que toda la materia está compuesta de átomos —es de las primeras nociones que se explican al empezar cualquier curso de química—, pero esta certeza es muy reciente: hace apenas cien años los científicos aún discutían cómo era realmente un átomo.

La representación gráfica del átomo tal como se conoce hoy se propuso en el siglo XIX, pero la idea de un «átomo» existía mucho antes. La palabra proviene del griego antiguo «ἄτομος» y se traduce aproximadamente como «indivisible». La teoría griega se atribuye sobre todo a Demócrito (460-370 a. C.) y a su maestro Leucipo. Aunque sus ideas sobre los átomos eran rudimentarias comparadas con el concepto actual, sentaron la idea clave de que toda la materia está formada por átomos: esferas invisibles e indivisibles, de tipo y número infinitos.

Demócrito de Abdera: el primer átomo filosófico

Los antiguos filósofos griegos sugirieron que los átomos difieren en su forma según el tipo de materia. Por ejemplo, imaginaban que los átomos de hierro tenían forma de gancho y se aferraban entre sí, lo que explicaría por qué el hierro es sólido a temperatura ambiente, y que los átomos de agua eran suaves y resbaladizos, lo que explicaría por qué el agua es líquida. Aunque hoy se sabe que esto no es así, esas ideas sentaron la base sobre la que se construyeron los modelos atómicos posteriores.

Modelo de la esfera sólida de John Dalton (1803)

La primera definición científica del átomo llegó en 1803, cuando el químico inglés John Dalton comenzó a desarrollarla apoyándose en las ideas de los antiguos griegos: describió los átomos como esferas pequeñas, sólidas e indivisibles, y propuso que los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí. Este último punto sigue siendo cierto en gran medida, con la excepción de los isótopos de varios elementos, que difieren en el número de neutrones; pero como el neutrón no se detectaría hasta 1932, es comprensible que Dalton no lo tuviera en cuenta. Dalton también formuló la teoría de cómo se combinan los átomos para formar compuestos, y creó el primer conjunto de símbolos químicos para los elementos conocidos hasta entonces.

La teoría atómica de Dalton marcó el comienzo del desarrollo del modelo atómico moderno, aunque después vino un largo periodo sin apenas avances. Hubo intentos de imaginar cómo podían ser los átomos, como la propuesta de Lord Kelvin de que se trataba de partículas de vórtice cuya rotación explicaría sus propiedades básicas, por analogía con la teoría de los vórtices hidrodinámicos.

Modelo del pudín de pasas: Joseph John Thomson descubre el electrón (1904)

El primer gran avance llegó a finales del siglo XIX, cuando el físico inglés Joseph John Thomson descubrió que el átomo no era tan indivisible como se había planteado hasta entonces. Realizó experimentos con rayos catódicos (haces de electrones) producidos en un tubo de descarga, y observó que los rayos eran atraídos por placas de metal cargadas positivamente, pero repelidos por las de carga negativa. A partir de ahí, concluyó que los rayos debían estar cargados negativamente.

Al estudiar las partículas de los rayos, Thomson determinó que eran unas dos mil veces más ligeras que el hidrógeno, y comprobó, al cambiar el metal del cátodo, que estas partículas estaban presentes en muchos tipos de átomos. Así descubrió el electrón (aunque él lo llamó «corpúsculo») y demostró que el átomo no era indivisible. Por este descubrimiento recibió el Premio Nobel de Física en 1906.

En 1904 presentó su modelo del átomo basado en estos hallazgos, conocido como «modelo del pudín de pasas». Representaba el átomo como una esfera cargada positivamente, con electrones distribuidos en su interior, como pasas en un pudín. El modelo de Thomson sería refutado pocos años después por uno de sus propios alumnos.

Modelo atómico de Rutherford: el descubrimiento del núcleo (1911)

Ernest Rutherford era un físico neozelandés que estudió en la Universidad de Cambridge con Thomson. Ya en la Universidad de Manchester, introdujo una nueva comprensión del modelo atómico. En 1908 había recibido el Premio Nobel de Química por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radiactivas; el experimento que cambiaría la imagen del átomo lo llevó a cabo poco después, y lo publicó en 1911.

Para investigar la estructura atómica, Rutherford disparó partículas alfa cargadas positivamente contra una lámina muy fina de oro. Según el modelo de Thomson, en el que la carga positiva se reparte por todo el átomo, las partículas alfa deberían haber atravesado la lámina prácticamente sin desviarse. Al plantear el experimento, Rutherford esperaba confirmar el modelo de su maestro; sin embargo, el resultado fue justo el contrario.

La mayoría de las partículas alfa atravesaron la lámina prácticamente sin desviación, tal como se esperaba. Pero un número muy pequeño de partículas se desvió de su trayectoria, algunas incluso en ángulos muy grandes, algo completamente inesperado. Como el propio Rutherford explicó después, fue casi tan sorprendente como si un proyectil de artillería de 15 pulgadas, disparado contra una lámina de papel de seda, hubiera rebotado y golpeado a quien lo disparó. La única explicación posible era que la carga positiva no estaba repartida por todo el átomo, sino concentrada en un centro pequeño y denso: el núcleo. El resto del átomo, según esto, era en su mayor parte espacio vacío.

Este descubrimiento obligó a repensar el modelo atómico. Rutherford propuso un modelo en el que los electrones giran alrededor de un núcleo cargado positivamente, aunque no llegó a explicar qué impide que los electrones, girando, acaben cayendo sobre el núcleo.

Modelo planetario de Niels Bohr (1913)

Niels Bohr, físico danés, presentó un nuevo modelo para resolver los problemas que dejaba abiertos el de Rutherford. Como la física clásica no lograba explicar correctamente lo que ocurre a escala atómica, recurrió a la teoría cuántica para describir la disposición de los electrones. Su modelo postulaba la existencia de niveles de energía o capas de electrones: los electrones solo pueden ocupar estos niveles, es decir, su energía está cuantizada y no puede tomar valores intermedios. Pueden moverse entre estos niveles —Bohr los llamó «estados estacionarios»— siempre que absorban o emitan energía al hacerlo.

La propuesta de Bohr de niveles de energía estables resolvió, al menos en parte, el problema de por qué los electrones no caen en espiral hacia el núcleo. Las causas reales son más complejas y pertenecen al terreno de la mecánica cuántica; y, como resumió el propio Bohr, quien no se sienta profundamente desconcertado por la mecánica cuántica es que todavía no la ha entendido.

El modelo de Bohr no resuelve todos los problemas del átomo: funciona bien para el hidrógeno, pero no explica las observaciones de elementos más pesados, y viola el principio de incertidumbre de Heisenberg, una de las piedras angulares de la mecánica cuántica, que establece que no se puede conocer con exactitud la posición y el momento de un electrón al mismo tiempo. Aun así, el modelo de Bohr sigue siendo el más conocido y extendido, porque resulta muy práctico para explicar los enlaces químicos y la reactividad de ciertos grupos de elementos en las primeras etapas del aprendizaje de la química.

Modelo cuántico de Erwin Schrödinger (1926)

El modelo de Bohr aún requería revisión. Varios científicos trabajaron entonces en desarrollar un modelo cuántico del átomo; el principal de ellos fue el físico austriaco Erwin Schrödinger, conocido sobre todo por el experimento mental del gato de Schrödinger. En 1926 propuso que los electrones y otras partículas elementales se comportan como ondas: con el tiempo, el pico de esa onda —el lugar donde es más probable encontrar al electrón— se desplaza en el espacio según la ecuación que la describe. Es decir, lo que tradicionalmente se consideraba una partícula se comporta, en el mundo cuántico, como una onda.

Schrödinger resolvió una serie de ecuaciones matemáticas para describir la distribución de los electrones en un átomo. Su modelo muestra un núcleo rodeado de nubes de densidad electrónica: nubes de probabilidad que no indican dónde está exactamente un electrón en un momento dado, pero sí en qué regiones del espacio es más probable que se encuentre. Estas regiones se llaman orbitales atómicos. Es el modelo que se considera más preciso, aunque por su complejidad matemática rara vez se explica en la educación secundaria.

Después de Schrödinger, en 1932 el físico inglés James Chadwick (colaborador de Ernest Rutherford) descubrió el neutrón, completando así la imagen de las partículas subatómicas que forman el átomo. Pero la historia no termina ahí: más tarde se descubrió que los protones y los neutrones que forman el núcleo están a su vez compuestos por partículas elementales llamadas quarks, aunque esa ya es otra historia. En cualquier caso, la evolución de los modelos atómicos es un buen ejemplo de cómo cambian los modelos científicos con el tiempo, y de cómo los nuevos datos experimentales obligan a construir nuevos modelos.