El modelo atómico de Thomson

[Carga y lenguaje químico] Sección 2. Conceptos clave [Enlace químico] [Tipos de sustancia] Otros conceptos [El átomo de Thomson]

Los experimentos de Faraday dejaron de manifiesto que la masa no era la única propiedad cuantizada; la carga eléctrica también lo estaba, lo cual implicaba que podía estar asociada a una entidad material. Casi al mismo tiempo, a esta partícula 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 trivial: 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.

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 1. 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 2. 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.

 

Fig.  3. 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.

Fig.  4. 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).

 

Fig.  5. 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

Justificando la teoría de los iones

En términos químicos, podemos representar cada átomo según el modelo de Thomson utilizando el símbolo atómico correspondiente en lugar de un dibujo de pastel-con-pasas, mientras que los electrones ganados o perdidos se indican mediante símbolos de carga situados en el extremo superior derecho del símbolo. Por ejemplo:

• Si un átomo de sodio pierde un electrón, se representa como Na⁺.
• Si un átomo de calcio pierde dos electrones, se indica como Ca²⁺.
• Si un átomo de cloro gana un electrón, se representa como Cl⁻.
• Si un átomo de oxígeno gana dos electrones, se indica como O²⁻.

Es crucial recordar que los átomos que pierden electrones sufren un proceso de oxidación, mientras que aquellos que ganan electrones experimentan una reducción. Estas transformaciones son fundamentales en la formación de iones y en las reacciones redox, pilares del comportamiento químico de muchas sustancias.

Exploraremos con mayor profundidad la teoría de los iones, sus implicaciones energéticas y estructurales, así como la importancia de la Ley de Conservación de la Carga, en las lecciones futuras del curso. Estos conceptos serán esenciales para comprender la interacción entre especies químicas y la formación de compuestos tanto iónicos como moleculares.

Referencias

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