El modelo atómico de Thomson

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El modelo atómico de Thomson describe al átomo como una esfera de carga positiva en la que se encuentran incrustados los electrones, distribuidos de manera que compensan dicha carga. Este modelo introdujo por primera vez la idea de una estructura interna del átomo y permitió asociar la electricidad con la materia. Su relevancia en química radica en que establece la base conceptual para comprender la transferencia y distribución de electrones, lo que resulta fundamental para explicar el enlace químico y el origen de la teoría de iones, donde los átomos adquieren carga al ganar o perder electrones.

Breve historia de la electricidad

Desde épocas antiguas, los seres humanos estuvieron conscientes de las propiedades eléctricas y magnéticas de diversos materiales, como la magnetita (que atrae objetos de hierro) y el ámbar (que al frotarse atrae pequeñas partículas como polvo o paja). Entre ellos, el más destacado es el ámbar, conocido por los antiguos griegos como élektron. Cuando el ámbar se somete a fricción con otros materiales, adquiere la capacidad de atraer cuerpos ligeros, fenómeno que hoy se interpreta como electricidad estática.

Durante las épocas helenística, medieval y del Renacimiento, el conocimiento sobre electricidad y magnetismo avanzó desde observaciones empíricas hacia aplicaciones tecnológicas concretas. La magnetita fue empleada para fabricar los primeros magnetos naturales, utilizados en navegación. En la Edad Media, especialmente en China y luego en Europa, se desarrollaron las brújulas, dispositivos basados en agujas imantadas que se alinean con el campo magnético terrestre, permitiendo la orientación en el espacio.

Estas tecnologías fueron fundamentales para la expansión marítima, en particular durante el Renacimiento, cuando facilitaron los viajes de exploración. Paralelamente, estudios como los de William Gilbert consolidaron la comprensión del magnetismo al proponer que la Tierra misma actúa como un gran imán. Estos avances prepararon el terreno para investigaciones más sistemáticas que surgirían posteriormente, antes de los trabajos de Benjamin Franklin.

Durante el siglo XVIII, Benjamin Franklin consolidó una interpretación unificada de la electricidad, proponiendo que existía un solo “fluido eléctrico” con exceso o defecto de carga, lo que dio origen a los conceptos de carga positiva y negativa. Su experimento de la cometa permitió establecer la naturaleza eléctrica de los rayos, demostrando que los fenómenos atmosféricos y los de laboratorio obedecen a los mismos principios.

Figura 1. El [Experimento de la cometa y la llave] de Benjamin Franklin demostró que los rayos son electricidad atmosférica, al observar chispas en una llave conectada a una cometa durante una tormenta. Este hallazgo permitió desarrollar el pararrayos y comprender la conducción eléctrica. Es un experimento extremadamente peligroso y no debe realizarse en casa bajo ninguna circunstancia.

A partir de estos estudios se desarrollaron tecnologías clave, entre ellas el pararrayos, diseñado para proteger edificaciones canalizando las descargas eléctricas hacia tierra. Asimismo, se perfeccionaron dispositivos como la botella de Leyden, uno de los primeros sistemas de almacenamiento de carga, lo que permitió realizar experimentos más controlados y repetibles sobre la electricidad estática.

En las décadas siguientes, investigadores como Charles-Augustin de Coulomb y Alessandro Volta profundizaron en la cuantificación y generación de la electricidad. Coulomb estableció la ley que describe la interacción entre cargas, mientras que Volta desarrolló la pila voltaica, la primera fuente continua de corriente eléctrica. Estas contribuciones impulsaron la transición desde una electricidad estática hacia una electricidad controlada y utilizable, sentando las bases para avances posteriores.

Experimentos de Faraday

Michael Faraday desarrolló una serie de experimentos fundamentales sobre la electrólisis, centrados en la descomposición de sustancias mediante el paso de corriente eléctrica. En el caso del agua, hizo circular corriente a través de una disolución adecuada, observando su descomposición en hidrógeno y oxígeno en proporciones definidas, recolectados en electrodos separados.

Faraday encontró que, para descomponer una cantidad estándar de agua —lo que en su época se denominaba una molécula-gramo y que hoy corresponde a 1 mol—, siempre se requería una misma cantidad de carga eléctrica, medida en coulombios. Este resultado evidenció que la electricidad no se transfería de manera continua arbitraria, sino en proporciones fijas asociadas a la cantidad de sustancia transformada.

Al repetir estos experimentos con otras sustancias, observó que las cantidades de electricidad necesarias eran múltiplos de esa misma constante. Esta regularidad llevó a establecer una relación cuantitativa entre carga eléctrica y cantidad de sustancia, dando origen a la constante de Faraday, que expresa la carga necesaria para transformar un mol de entidades cargadas, consolidando así una de las bases experimentales de la química y la física modernas.

Figura 2. El [Experimento de la electrólisis de Faraday] mostró que la electrólisis descompone sustancias mediante corriente eléctrica. Faraday demostró que la cantidad transformada es proporcional a la carga y que para 1 mol se requiere una cantidad fija de electricidad. Esto evidenció la naturaleza cuantizada de la carga y fundamentó la electroquímica moderna.

Los experimentos de Michael Faraday pusieron de manifiesto que la masa no era la única propiedad cuantizada; la carga eléctrica también lo estaba, lo que sugería su asociación con una entidad material discreta. A partir de estos resultados, investigadores como George Johnstone Stoney propusieron la existencia de una partícula portadora de carga eléctrica, a la que posteriormente se le dio el nombre de electrón.

Aunque la elección del nombre tiene cierto grado de arbitrariedad, puede interpretarse como “portador de la carga negativa”. En la actualidad, calcular la carga elemental del electrón es un ejercicio directo: basta con dividir la constante de Faraday entre el número de Avogadro. Sin embargo, a finales del siglo XIX, aún no se disponía del valor de este último, lo que limitaba la cuantificación precisa de esta magnitud fundamental.

Tubos de rayos catódicos

A finales del siglo XIX, con el desarrollo de bombas de vacío, se accedió a la tecnología de tubos de semivacío. Recordemos, a partir de las lecciones sobre gases reales, que un gas enrarecido se vuelve conductor eléctrico, permitiendo así completar un circuito. Al analizar qué permitía cerrar dicho circuito, los científicos hipotetizaron que los portadores de carga debían tener polaridad negativa, ya que se movían desde el polo negativo y eran atraídos hacia el positivo. Esta hipótesis se confirmó mediante un experimento conocido como la cruz de Malta, en el cual se colocaba una placa opaca con forma de cruz en el interior del tubo. Al aplicar una diferencia de potencial, se observaba una sombra nítida proyectada en el extremo positivo del tubo, lo que indicaba que las partículas cargadas se desplazaban en línea recta desde el cátodo, confirmando así su naturaleza corpuscular y polaridad negativa.

Figura 3. El [Tubo de rayos catódicos] (CRT) funciona con gases a baja presión, permitiendo la emisión de electrones desde el cátodo al ánodo. Su trayectoria se observa con pantallas fluorescentes, base para el descubrimiento del electrón y la creación de televisores y monitores. Aunque desplazados por LCD y OLED, los CRT marcaron un hito histórico en visualización y en la física moderna.

Experimento de la desviación por campo electromagnético

Además, los científicos observaron que los campos magnéticos, generados por imanes o electroimanes, alteraban la trayectoria de los rayos en dirección consistente con una carga negativa: los rayos se alejaban del polo negativo del imán y se acercaban al positivo. A partir de esta observación, se dedujo que los portadores de carga viajaban en líneas rectas y poseían polaridad negativa. Estos y otros experimentos pasaron a conocerse colectivamente como los experimentos de los tubos de rayos catódicos, los cuales reforzaron la idea de la existencia de partículas portadoras de carga negativa.

Figura 4. [Carga del rayo catódico] El tubo de rayos catódicos permitió demostrar que los rayos eran corrientes de electrones y no radiación neutra. Su desviación por imanes y campos eléctricos, siendo repelidos por el polo negativo y atraídos por el positivo, confirmó su carga negativa. Estos experimentos sentaron las bases de la teoría electrónica, revolucionando la comprensión de la materia y la electricidad.

Resulta irónico que, en ese momento, los principales defensores de estas ideas fueran físicos, mientras que muchos químicos de prestigio aún se resistían a aceptar el modelo molecular basado en partículas.

A través de la comparación entre la desviación de los rayos catódicos causada por un campo eléctrico y la producida por un campo magnético, el físico J.J. Thomson logró estimar por primera vez la relación carga-masa del electrón (es decir, el cociente entre su carga eléctrica y su masa). Para llevar a cabo este experimento, diseñó un tubo de rayos catódicos con un orificio en el ánodo, que permitía el paso de un haz estrecho de electrones. Colocó placas cargadas eléctricamente y un imán dispuestos perpendicularmente al haz, y en el extremo opuesto colocó una pantalla fluorescente para registrar el impacto de los electrones.

El campo eléctrico desviaba el haz en una dirección, mientras que el campo magnético lo desviaba en la dirección opuesta. Thomson ajustó cuidadosamente la intensidad de ambos campos hasta lograr que se anulasen mutuamente, permitiendo que el haz de electrones viajara en línea recta hacia la pantalla. Al conocer las condiciones en las que se lograba este equilibrio, pudo calcular un valor pionero para la relación carga-masa del electrón, obteniendo en 1897 un resultado de 1.76 × 10⁸ culombios por gramo.

Figura 5. [Joseph John Thomson] (1856-1940), físico británico, descubrió el electrón en 1897 mediante experimentos con tubos de rayos catódicos, demostrando la divisibilidad del átomo. Superó la fragilidad de estos dispositivos y determinó la relación carga/masa (e/m). Recibió el Premio Nobel de Física en 1906, aportó al estudio de isótopos y propuso el modelo atómico del “pudín con pasas”, sentando bases de la física moderna.

La relación masa a carga

No obstante, la relación carga-masa es una ecuación de tres términos, y hasta ese momento solo se disponía de uno: el cociente. Por ende, era imperativo calcular de forma independiente la carga o la masa del electrón para poder determinar el valor restante. Dado que determinar directamente la masa del electrón resultaba prácticamente imposible con la tecnología de la época, la única alternativa viable consistía en obtener una medición precisa de la carga. Este desafío permaneció sin solución durante al menos otra década, hasta la realización del célebre experimento de la gota de aceite de Millikan, que tuvo lugar aproximadamente en la misma época en que Jean Perrin demostraba experimentalmente la existencia del átomo.

El experimento de Millikan, realizado en 1909, fue diseñado específicamente para medir la carga eléctrica del electrón. En este experimento, pequeñas gotas de aceite caían entre dos placas metálicas cargadas eléctricamente. Estas gotas adquirían carga negativa al captar electrones adicionales mediante la irradiación con rayos X. Millikan midió cómo la variación del voltaje entre las placas afectaba la velocidad de caída de las gotas, y a partir de esos datos, calculó la carga individual de cada gota.

Una de las observaciones clave fue que la carga medida en cada gota siempre era un múltiplo entero de 1.602 × 10⁻¹⁹ culombios, lo que llevó a Millikan a concluir que este valor correspondía a la carga elemental de un solo electrón. Con este valor y la relación carga-masa determinada previamente por Thomson, fue finalmente posible estimar la masa del electrón. Este experimento proporcionó datos fundamentales para la comprensión de la estructura subatómica de la materia.

Los experimentos de Thomson, por su parte, revelaron que las partículas constituyentes de los rayos catódicos eran aproximadamente mil veces más pequeñas que el átomo de hidrógeno y que su masa no dependía del elemento químico utilizado para generarlas. Es decir, todos los gases empleados en los tubos de Crookes emitían la misma partícula, con idéntica masa y carga. Aunque Thomson originalmente las denominó corpúsculos, la comunidad científica adoptó finalmente el término "electrón", propuesto por otros investigadores. Este descubrimiento revolucionó la comprensión de la estructura atómica y sentó las bases para el desarrollo de la física subatómica.

Figura 6. El [Experimento de la gota de aceite] de Millikan (siglo XX) determinó con precisión la carga elemental del electrón, demostrando que la electricidad es cuantizada en unidades discretas. Observó que las cargas en las gotas eran múltiplos de un valor mínimo, identificando así al electrón como portador fundamental de carga. Este hallazgo consolidó la estructura atómica y fundamentó la física moderna.

El pudin con pasas

Con la existencia del electrón ya establecida y una comprensión más profunda del átomo, Thomson argumentó que este no podía ser una esfera sólida e indivisible, como se pensaba anteriormente, sino más bien una esfera blanda que contenía electrones incrustados en su interior. Según su propuesta, formulada en torno al año 1900, antes del experimento de Millikan, cuando un átomo se oxida, uno o más de sus electrones eran expulsados desde su interior, lo cual daba lugar a la aparición de cargas positivas. Estas cargas positivas no estaban localizadas en partículas específicas, sino que se distribuían en un campo continuo y difuso que rodeaba a los electrones.

Thomson comparó esta distribución con un pastel blando lleno de pasas, donde las pasas representaban a los electrones y la masa del pastel al campo positivo. Por esta razón, su modelo pasó a conocerse popularmente como el modelo del pudín de pasas (o "plum pudding model" en inglés).

 

Figura 7. El [Modelo atómico de Thomson] (1904) describía al átomo como una esfera de carga positiva con electrones incrustados, semejante a un “pudín con pasas”. Explicaba la neutralidad eléctrica y fue el primero en proponer partículas subatómicas. Aunque luego fue superado por Rutherford, marcó un hito histórico al introducir la idea de estructura interna del átomo en física y química moderna.

Aunque esta analogía culinaria puede parecer simplificadora o incluso humorística, es importante subrayar que el modelo de Thomson no fue una simple metáfora, sino el resultado de cálculos rigurosos y del uso de herramientas matemáticas avanzadas, como las ecuaciones de campo eléctrico y el análisis vectorial. Este modelo representó un paso fundamental en la evolución del pensamiento científico sobre la estructura atómica, y aunque más adelante sería reemplazado por modelos más precisos, sentó las bases para muchos desarrollos posteriores

Es importante tener en cuenta que estos estudios se desarrollaban en un contexto de gran reticencia de la comunidad científica a aceptar la existencia del átomo como partícula fundamental. De hecho, la teoría atómica no alcanzó una aceptación generalizada sino hasta 1911, con los experimentos de Jean Perrin, que confirmaron las ideas de Einstein sobre el movimiento browniano. Este proceso resalta cómo las teorías científicas rara vez se consolidan de manera lineal u ordenada, a diferencia de la imagen simplificada que muchas veces transmiten los documentos didácticos, en los que se presenta la historia de la ciencia como una sucesión clara y lógica de descubrimientos

Referencias

Arabatzis, T. (2009). Cathode rays. In Compendium of Quantum Physics (pp. 89–92). Springer.

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., & Stoltzfus, M. W. (2015). Chemistry the Central Science.

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2022). Chemistry, the central science (15th ed.). Pearson.

Chang, R. (2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill New York.

Chang, R., & Overby, J. (2021). Chemistry (14th ed.). McGraw-Hill.

Dahl, P. F. (1997). Flash of the cathode rays: A History of JJ Thomson’s electron. CRC Press.

Millikan, R. A. (1913). On the elementary electrical charge and the Avogadro constant. Physical Review, 2(2), 109–143.

Schonland, B. F. J. (1923). The passage of cathode rays through matter. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, 104(725), 235–247.

Seager, S. L., Slabaugh, M. M., & Hansen, M. M. (2022). Chemistry for Today (10th ed.). Cengage Learning.

Sinclair, S. B. (2013). JJ Thomson and the chemical atom: From ether vortex to atomic decay. Ambix.

Zumdahl, S. S., Zumdahl, S. A., DeCoste, D. J., & Adams, G. (2018). Chemistry (10th ed.). Cengage Learning.