Modelos atómicos, de JJ Thomson y Rutherford

Modelos Atómicos, de JJ Thomson
y Rutherford
Versión 2.2
M en C Rafael Govea VillaseñorM en C Rafael Govea Villaseñor
CINVESTAV-IPNCINVESTAV-IPN
UAM-IztapalapaUAM-Iztapalapa
??
??

¿Cuándo JJ Thomson propuso su¿Cuándo JJ Thomson propuso su
modelo de átomo?modelo de átomo?
Rafael Govea V.
●
JJ Thomson propuso su modelo enJJ Thomson propuso su modelo en
1904 (hay una versión previa de 1899)1904 (hay una versión previa de 1899)
(1856-1940)(1856-1940)

Rafael Govea V.
●
●
En (1906) recibió el Nobel por mostrarEn (1906) recibió el Nobel por mostrar
que los electrones son partículas.que los electrones son partículas.
●
(1856-1940)(1856-1940)

Rafael Govea V.
●
●
●
Era un modelo general para todos losEra un modelo general para todos los
átomos de las 8 decenas de elementosátomos de las 8 decenas de elementos
descubiertos para entonces.descubiertos para entonces.
(1856-1940)(1856-1940)

Rafael Govea V.
●
●
●
Era un modelo general para todos losEra un modelo general para todos los
átomos de las 8 decenas de elementosátomos de las 8 decenas de elementos
descubiertos para entonces.descubiertos para entonces.
●
Aplicó las ecuaciones de la fuerzaAplicó las ecuaciones de la fuerza
eléctrica para definir la estructura deleléctrica para definir la estructura del
átomo y explicar sus propiedades, peroátomo y explicar sus propiedades, pero
sin éxito.sin éxito.
(1856-1940)(1856-1940)

¿Qué se sabía cuando JJ Thomson¿Qué se sabía cuando JJ Thomson
creó su modelo? SVII aCcreó su modelo? SVII aC
Rafael Govea V.
El filósofo griego Tales de Mileto mostraba cómoEl filósofo griego Tales de Mileto mostraba cómo
una barra de ámbar frotada con lana atraíauna barra de ámbar frotada con lana atraía
pequeños objetospequeños objetos
ÁmbarÁmbar
Como en griegoComo en griego
ámbar se diceámbar se dice
««elektrónelektrón»» a laa la
propiedad del ámbarpropiedad del ámbar
y objetos semejantesy objetos semejantes
se le llamóse le llamó
electricidadelectricidad(624 aC-546 aC)(624 aC-546 aC)

creó su modelo? SVII, Cultura Chinacreó su modelo? SVII, Cultura China
Rafael Govea V.
Durante la dinastía Tang en China seDurante la dinastía Tang en China se
inventaron la pólvora y los fuegos pirotécnicosinventaron la pólvora y los fuegos pirotécnicos
El color de las luces dependía específicamente de las
sustancias agregadas a la pólvora.

creó su modelo? S17, Newtoncreó su modelo? S17, Newton
Rafael Govea V.
se separa en rayos de luz de diferentes colores
(también ≠ energía y longitud de onda [λ])
formando un arcoíris llamado espectro.
Newton (1666) demostró que al hacer pasar la luzNewton (1666) demostró que al hacer pasar la luz
blanca por un prisma, ella...blanca por un prisma, ella...

creó su modelo? SXVIII, Voltacreó su modelo? SXVIII, Volta
Rafael Govea V.
Alessandro Volta inventó en 1800 la pilaAlessandro Volta inventó en 1800 la pila
voltaica, el primer aparato que produjo corrientevoltaica, el primer aparato que produjo corriente
eléctricaeléctrica
(1745-1827)(1745-1827)

creó su modelo? S18, Voltacreó su modelo? S18, Volta
Rafael Govea V.
Alessandro Volta inventó en 1800 la pilaAlessandro Volta inventó en 1800 la pila
voltaica, el primer aparato que produjo corrientevoltaica, el primer aparato que produjo corriente
eléctricaeléctrica
Terminal eléctrica (electrodo)Terminal eléctrica (electrodo)
Disco de cobreDisco de cobre
Disco de fieltro húmedoDisco de fieltro húmedo
NaClNaClaqaq
Disco de zincDisco de zinc
Se llamó pila porque era precisamente eso,Se llamó pila porque era precisamente eso,
una pila de discos metálicosuna pila de discos metálicos

creó su modelo? S18-19, Voltacreó su modelo? S18-19, Volta
Rafael Govea V.
Volta también inventó el electroscopioVolta también inventó el electroscopio (electr- =(electr- =
electricidadelectricidad, scop- =, scop- = verver)) y el electróforo (y el electróforo (for- =for- = llevar)llevar)
El primero detectaEl primero detecta
la electricidadla electricidad
estática y elestática y el
segundo sirve parasegundo sirve para
transportar lostransportar los dosdos
tipos de cargatipos de carga
eléctrica, laeléctrica, la
positiva y lapositiva y la
negativanegativa

creó su modelo? SXIXcreó su modelo? SXIX
Rafael Govea V.
●
Un sólido caliente produce luz en unUn sólido caliente produce luz en un
espectro continuo.espectro continuo.
Porción visible de unPorción visible de un
espectro contínuoespectro contínuo

creó su modelo? SXIX, Kirchhoffcreó su modelo? SXIX, Kirchhoff
Rafael Govea V.
Gustav Kirchhoff (1824-1887) inventó el espectroscopioGustav Kirchhoff (1824-1887) inventó el espectroscopio
(esprectr- =(esprectr- = imagenimagen, scop- =, scop- = verver))
●
●
Un gas tenue produce luz con líneasUn gas tenue produce luz con líneas
espectrales en longitudes de ondaespectrales en longitudes de onda
discretas que dependen de la naturalezadiscretas que dependen de la naturaleza
química del gas.química del gas.
Espectro de rayasEspectro de rayas
de emisiónde emisión

creó su modelo? S19, Kirchhoffcreó su modelo? S19, Kirchhoff
Rafael Govea V.
Gustav Kirchhoff (1824-1887) inventó el espectroscopioGustav Kirchhoff (1824-1887) inventó el espectroscopio
(esprectr- =(esprectr- = imagenimagen, scop- =, scop- = verver))
●
●
Un gas tenue produce luz con líneasUn gas tenue produce luz con líneas
espectrales en longitudes de ondaespectrales en longitudes de onda
discretas que dependen de la naturalezadiscretas que dependen de la naturaleza
química del gas.química del gas.
●
Un sólido caliente rodeado de un gasUn sólido caliente rodeado de un gas
tenue a menor temperatura produce luztenue a menor temperatura produce luz
en un espectro continuo con huecosen un espectro continuo con huecos
(rayas) en longitudes de onda discretas(rayas) en longitudes de onda discretas
cuyas posiciones dependen de lacuyas posiciones dependen de la
naturaleza química del gas.naturaleza química del gas.

¿Qué se sabía cuando JJ Thomson creó¿Qué se sabía cuando JJ Thomson creó
su modelo? S19, Kirchhoff y Bunsensu modelo? S19, Kirchhoff y Bunsen
Rafael Govea V.
Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen descubrieron con elGustav Kirchhoff y Robert Bunsen descubrieron con el
espectroscopioespectroscopio a los elementos Cesio (1860) y Rubidioa los elementos Cesio (1860) y Rubidio
(1861).(1861). Asumieron que el espectro es la ”huella dactilar” deAsumieron que el espectro es la ”huella dactilar” de
un elemento.un elemento.
Otros elementos fueron descubiertos por su espectro,Otros elementos fueron descubiertos por su espectro,
incluso fuera de nuestro planeta como el Helio (incluso fuera de nuestro planeta como el Helio (helioshelios ==
nombre griego del Sol)nombre griego del Sol)

JJ Thomson y el electrón, su aparatoJJ Thomson y el electrón, su aparato
Rafael Govea V.
JJ Thomson estudiaba la conducción deJJ Thomson estudiaba la conducción de
electricidad en gases. Para ello usaba tuboselectricidad en gases. Para ello usaba tubos
de vidrio con aire u otros gases enrarecidosde vidrio con aire u otros gases enrarecidos
por una bomba de vacío y 2 electrodos,por una bomba de vacío y 2 electrodos,
cátodo (-) y ánodo (+)cátodo (-) y ánodo (+)

JJ Thomson y el electrón, suJJ Thomson y el electrón, su
experimentoexperimento
Rafael Govea V.
Aparato de ThomsonAparato de Thomson
cátodocátodo
Ánodo perforadoÁnodo perforado
Rayo catódico
Fondo del tubo cubierto deFondo del tubo cubierto de
una sustancia fluorescenteuna sustancia fluorescente
Ánodo perforadoÁnodo perforado Placas cargadasPlacas cargadas

JJ Thomson y el electrón, suJJ Thomson y el electrón, su
experimentoexperimento
Rafael Govea V.
JJ Thomson sabía que al hacer pasar corrienteJJ Thomson sabía que al hacer pasar corriente
eléctrica y al calentarse el cátodo salía un rayo recto.eléctrica y al calentarse el cátodo salía un rayo recto.
Si aplicaba carga a las placas el rayo se desviabaSi aplicaba carga a las placas el rayo se desviaba
hacia abajo de mostrando que el rayo teníahacia abajo de mostrando que el rayo tenía
partículas negativaspartículas negativas
cátodocátodo
Ánodo perforadoÁnodo perforado
Rayo catódico
Fondo del tubo cubierto deFondo del tubo cubierto de
una sustancia fluorescenteuna sustancia fluorescente
Ánodo perforadoÁnodo perforado Placas cargadasPlacas cargadas

JJ Thomson y el electrón, susJJ Thomson y el electrón, sus
resultadosresultados
Rafael Govea V.
●
JJ Thomson hizo muchos experimentos diferentes yJJ Thomson hizo muchos experimentos diferentes y
aplicó las ecuaciones del campo magnético yaplicó las ecuaciones del campo magnético y
eléctrico para establecer que:eléctrico para establecer que:
http://cuantozombi.com/2012/10/01/el-experimento-de-thompson/

Rafael Govea V.
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●
Las partículas tenían carga negativa y una masaLas partículas tenían carga negativa y una masa
más de mil veces menor al átomo de hidrógeno.más de mil veces menor al átomo de hidrógeno.

Rafael Govea V.
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●
●
Se movían a 1/3 de la velocidad de la luz en elSe movían a 1/3 de la velocidad de la luz en el
mejor vacío conseguible.mejor vacío conseguible.

Rafael Govea V.
●
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Cuántificó la razón carga/masa (q/m) de la partículaCuántificó la razón carga/masa (q/m) de la partícula
que se reconoció como la unidad de carga eléctricaque se reconoció como la unidad de carga eléctrica
llamada electrón, sugerida por GJ Stoney en 1874.llamada electrón, sugerida por GJ Stoney en 1874.

Rafael Govea V.
●
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Cuántificó la razón carga/masa (q/m) de la partículaCuántificó la razón carga/masa (q/m) de la partícula
que se reconoció como la unidad de carga eléctricaque se reconoció como la unidad de carga eléctrica
llamada electrón, sugerida por GJ Stoney en 1874.llamada electrón, sugerida por GJ Stoney en 1874.
●
La razón q/m era la misma sin importar el materialLa razón q/m era la misma sin importar el material
del catodo → todas las sustancias tenían electrones.del catodo → todas las sustancias tenían electrones.

¿Comó era el modelo de átomo de¿Comó era el modelo de átomo de
JJThomson?JJThomson?
Rafael Govea V.
Era una diminuta esfera hipotética de carga eléctrica contínua yEra una diminuta esfera hipotética de carga eléctrica contínua y
positiva que contenía en su interiorpositiva que contenía en su interior milesmiles de electronesde electrones
ordenadamente separados entre sí y balanceando la carga +.ordenadamente separados entre sí y balanceando la carga +.
electroneselectrones
Esfera deEsfera de
cargacarga
positivapositiva

Rafael Govea V.
positiva que contenía en su interiorpositiva que contenía en su interior miles de electronesmiles de electrones
ordenadamente separados entre sí equlibrando la carga positiva.ordenadamente separados entre sí equlibrando la carga positiva.
El Modelo deEl Modelo de ”Panqué”Panqué
con pasas”con pasas” propuestopropuesto
por Thomson en 1899por Thomson en 1899
era eléctricamenteera eléctricamente
neutro.neutro.

Rafael Govea V.
positiva que contenía en su interiorpositiva que contenía en su interior miles de electronesmiles de electrones
ordenadamente separados entre sí equilibrando la carga positiva.ordenadamente separados entre sí equilibrando la carga positiva.
El Modelo deEl Modelo de ”Panqué”Panqué
con pasas”con pasas” propuestopropuesto
por Thomson en 1899por Thomson en 1899
era eléctricamenteera eléctricamente
neutro.neutro.
En 1904 presentó arreglosEn 1904 presentó arreglos
concéntricos de unosconcéntricos de unos
pocospocos e-e-
matemáticamentematemáticamente
plausibles e intentó sinplausibles e intentó sin
éxito explicar laéxito explicar la
radioactividad y lasradioactividad y las
propiedades periódicaspropiedades periódicas

¿Por qué el modelo de átomo de JJ¿Por qué el modelo de átomo de JJ
Thomson es historia?Thomson es historia?
Rafael Govea V.
Ver Doménech Banco, JL et al (2013) ¿Los libros de texto de bachillerato...¿Los libros de texto de bachillerato... Enseñanza de las Ciencias 31(1):29-43.
●
Porque aunque fue ideado para explicar hechosPorque aunque fue ideado para explicar hechos
descubiertos (radioactividad, valencia, espectro dedescubiertos (radioactividad, valencia, espectro de
emisión de rayas...) no lo logró.emisión de rayas...) no lo logró.

Rafael Govea V.
●
●
Pronto se supo (1906) que los átomos tenían muchosPronto se supo (1906) que los átomos tenían muchos
menos electrones de los que Thomson suponía.menos electrones de los que Thomson suponía.

Rafael Govea V.
●
●
●
Así que la masa de los átomos no podía explicarse porAsí que la masa de los átomos no podía explicarse por
la pequeña masa de los electrones.la pequeña masa de los electrones.

Rafael Govea V.
●
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Así que la masa de los átomos no podía explicarse porAsí que la masa de los átomos no podía explicarse por
la pequeña masa de los electrones.la pequeña masa de los electrones.
Así, para 1910 el modelo de ”Panqué conAsí, para 1910 el modelo de ”Panqué con
pasas” se enfrentó a los resultados depasas” se enfrentó a los resultados de
Rutherford quien estudiaba los rayos alfa (Rutherford quien estudiaba los rayos alfa (αα))

¿Por qué estudiamos un modelo¿Por qué estudiamos un modelo
erróneo, como el modelo de ”Panquéerróneo, como el modelo de ”Panqué
con pasas” de JJ Thomson?con pasas” de JJ Thomson?
Rafael Govea V.
Porque la Ciencia avanza superando errores yPorque la Ciencia avanza superando errores y
aprendiendo de ellos. No es un proceso lineal, sinoaprendiendo de ellos. No es un proceso lineal, sino
muy complejo.muy complejo.
El modelo de JJ Thomson fue un intento heróico deEl modelo de JJ Thomson fue un intento heróico de
acomodar a los electrones dentro de los átomos.acomodar a los electrones dentro de los átomos.
Dejando atrás la idea que los átomos eran lo másDejando atrás la idea que los átomos eran lo más
pequeño existente.pequeño existente.
Planteando por primera vez el tema de la estructuraPlanteando por primera vez el tema de la estructura
atómica.atómica.

¿Qué se sabía cuando Rutherford¿Qué se sabía cuando Rutherford
corrigió el modelo de JJ Thomson?corrigió el modelo de JJ Thomson?
Rafael Govea V.
Henri Becquerel descubrió laHenri Becquerel descubrió la radioactividadradioactividad ((radrad- = rayo)- = rayo)
en la pechblenda, un mineral de uranio en 1896 al velaren la pechblenda, un mineral de uranio en 1896 al velar
placas fotográficas protegidas de la luz.placas fotográficas protegidas de la luz.
1855-19081855-1908
Placa fotográfica veladaPlaca fotográfica velada
Montón de sal deMontón de sal de
uraniouranio
Montón de sal deMontón de sal de
uranio sobre unauranio sobre una
cruz de maltacruz de malta
metálicametálica Noten que los rayos del uranio noNoten que los rayos del uranio no
atravezaron el metal, pero si elatravezaron el metal, pero si el
papelpapel

Rafael Govea V.
Madame Curie y Pierre CurieMadame Curie y Pierre Curie
definieron la radioactividad como ladefinieron la radioactividad como la
propiedad de algunos elementos depropiedad de algunos elementos de
emitir rayos. Ellos descubrieron otrosemitir rayos. Ellos descubrieron otros
dos elementos radioactivos el Radiodos elementos radioactivos el Radio
y el Polonio (1898).y el Polonio (1898). Por ello recibiéronPor ello recibiéron
el premio Nobel de 1903 junto a Henryel premio Nobel de 1903 junto a Henry
Becquerel.Becquerel.

Rafael Govea V.
Ernest Rutherford descubrió en la primera década del SXX que laErnest Rutherford descubrió en la primera década del SXX que la
radioactividad natural consistía en 3 tipos de rayos:radioactividad natural consistía en 3 tipos de rayos: α, βα, β yy γγ. Por. Por
su trabajo con los rayos alfa obtuvo el premio Nobel en 1908.su trabajo con los rayos alfa obtuvo el premio Nobel en 1908.
1871-19371871-1937
Rayos alfa → +Rayos alfa → +
Rayos beta → -Rayos beta → -
yy
Rayos gama → 0Rayos gama → 0
(él descubrió que(él descubrió que
los alfa eran ioneslos alfa eran iones
de Hede He22
+, A = 4)+, A = 4)

¿Cuál fué el experimento clave de¿Cuál fué el experimento clave de
Rutherford?Rutherford?
Rafael Govea V.
El equipo deEl equipo de
Rutherford bombardeóRutherford bombardeó
con rayos alfa (ionescon rayos alfa (iones
de helio) láminasde helio) láminas
delgadas de oro ydelgadas de oro y
contó más de uncontó más de un
millón de impactos enmillón de impactos en
una pantallauna pantalla
fluorescente circularfluorescente circular
Pantalla de sulfuro de zinc
Ver Ponomariov (1974) pp58-61

¿Podía el modelo de JJ Thomson¿Podía el modelo de JJ Thomson
sobrevivir al experimento con R-sobrevivir al experimento con R-αα??
Rafael Govea V.
No, según el modelo de JJ ThomsonNo, según el modelo de JJ Thomson
todas las partículas alfa debíantodas las partículas alfa debían
atravezar la láminas delgadas de oro.atravezar la láminas delgadas de oro.
Los electrones dispersos en elLos electrones dispersos en el
volumen del átomo no podrían ofrecervolumen del átomo no podrían ofrecer
resistencia a las pesadas partículasresistencia a las pesadas partículas
alfa.alfa.

¿Podía el modelo de JJ Thomson¿Podía el modelo de JJ Thomson
sobrevivir al experimento con R-sobrevivir al experimento con R-αα??
Rafael Govea V.
No, según el modelo de JJ ThomsonNo, según el modelo de JJ Thomson
todas las partículas alfa debíantodas las partículas alfa debían
atravezar la láminas delgadas de oro.atravezar la láminas delgadas de oro.
Los electrones dispersos en elLos electrones dispersos en el
volumen del átomo no podrían ofrecervolumen del átomo no podrían ofrecer
resistencia a las pesadas partículasresistencia a las pesadas partículas
alfa.alfa.
Sólo si casi toda la masa del átomoSólo si casi toda la masa del átomo
estuviera concentrada en un pequeñoestuviera concentrada en un pequeño
volumen se podían explicar losvolumen se podían explicar los
rebotes de más de 90° que el equiporebotes de más de 90° que el equipo
de Rutherford documentó (Geiger yde Rutherford documentó (Geiger y
Marsden)Marsden)

Modelo atómico de J.J. ThomsonModelo atómico de J.J. Thomson
corregido por Rutherfordcorregido por Rutherford
Rafael Govea V.
Ver Ponomariov (1974) p61
Núcleo positivo de 10Núcleo positivo de 10-15-15
m dem de
diámetro y casi con toda ladiámetro y casi con toda la
masa del átomomasa del átomo
ElectronesElectrones
ubicados dentroubicados dentro
del átomo de unadel átomo de una
manera nomanera no
especificada porespecificada por
RutherfordRutherford
+
??

Modelo atómico de J.J. ThomsonModelo atómico de J.J. Thomson
corregido por Rutherfordcorregido por Rutherford
Rafael Govea V.
Ver Ponomariov (1974) p62
El único problema es que según la bien conocida y yaEl único problema es que según la bien conocida y ya
demostrada teoría electrodinámica, los electrones debierandemostrada teoría electrodinámica, los electrones debieran
de caer en el núcleo en menos de una cienmillonésima dede caer en el núcleo en menos de una cienmillonésima de
segundosegundo
Núcleo positivo de 10Núcleo positivo de 10-15-15
m dem de
diámetro y casi con toda ladiámetro y casi con toda la
masa del átomomasa del átomo
ElectronesElectrones
ubicados dentroubicados dentro
del átomo de unadel átomo de una
maneramanera
desconocidadesconocida
+
??

A algunos se les ocurrió que losA algunos se les ocurrió que los
electrones se movían como planetaselectrones se movían como planetas
Rafael Govea V.

Rafael Govea V.
El Modelo haEl Modelo ha
sidosido
erróneamenteerróneamente
atribuido aatribuido a
Rutherford,Rutherford,
pero...pero...
RutherfordRutherford
nunca indicónunca indicó
cómo estabáncómo estabán
los ℮ en los‒los ℮ en los‒
átomosátomos

Rafael Govea V.
El modelo planetario era físicamente imposible, peroEl modelo planetario era físicamente imposible, pero
bonito.bonito. Bohr salió del atolladero con su modelo delBohr salió del atolladero con su modelo del
átomo de Hidrógenoátomo de Hidrógeno, pero eso es otra historia. La, pero eso es otra historia. La
contaremos en otra oportunidad.contaremos en otra oportunidad.
No es que los átomos noNo es que los átomos no
tuviesen núcleo, sinotuviesen núcleo, sino
que se ignoraba cómoque se ignoraba cómo
estaban los electronesestaban los electrones
en el átomo?en el átomo?

Lectura recomendadaLectura recomendada
Rafael Govea V.
Ponomariov, L (1974)Ponomariov, L (1974) Alrededor delAlrededor del
cuantocuanto. Trad. Del ruso por E Liminnik.. Trad. Del ruso por E Liminnik.
Editorial Mir, Moscú, 1974, 296 pEditorial Mir, Moscú, 1974, 296 p
Disponible en: archive.orgDisponible en: archive.org

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