Modelo atómico de Thomson

Joseph John Thomson fue un físico británico responsable del descubrimiento de la primera partícula subatómica detectada, el electrón. Con base a su descubrimiento desarrollo un modelo atómico que sirvió de base para posteriores desarrollos.

J.J. Thomson y el descubrimiento del electrón

A finales del siglo XIX, el físico J.J. Thomson comenzó a experimentar con tubos de rayos catódicos. Los tubos de rayos catódicos son tubos de vidrio sellados de los que se ha evacuado la mayor parte del aire. Se aplica un alto voltaje a través de dos electrodos en un extremo del tubo, lo que hace que un haz de partículas fluya desde el cátodo (el electrodo cargado negativamente) hasta el ánodo (el electrodo cargado positivamente). Los tubos se llaman tubos de rayos catódicos porque el haz de partículas o “rayos catódicos” se origina en el cátodo. El rayo puede ser detectado pintando un material sensible (fósforo) en el extremo lejano del tubo más allá del ánodo. Los fósforos chispean, o emiten luz, cuando son impactados por el rayo catódico.

Para probar las propiedades de las partículas, Thomson colocó dos placas eléctricas de carga opuesta alrededor del rayo catódico. El rayo catódico se desvió de la placa eléctrica cargada negativamente y hacia la placa cargada positivamente. Esto indicaba que el rayo catódico estaba compuesto de partículas cargadas negativamente.

Thomson también colocó dos imanes a cada lado del tubo, y observó que este campo magnético también desviaba el rayo catódico. Los resultados de estos experimentos ayudaron a Thomson a determinar la relación masa-carga de las partículas de rayos catódicos, lo que condujo a un fascinante descubrimiento: la masa de cada partícula era mucho, mucho más pequeña que la de cualquier átomo conocido. Thomson repitió sus experimentos usando diferentes metales como materiales de electrodos, y encontró que las propiedades del rayo catódico permanecían constantes sin importar de qué material catódico procedieran. A partir de estas pruebas, Thomson llegó a las siguientes conclusiones:

• El rayo catódico está compuesto de partículas cargadas negativamente.
• Las partículas deben existir como parte del átomo, ya que la masa de cada partícula es sólo 1/2000 de la masa de un átomo de hidrógeno.
• Estas partículas subatómicas se pueden encontrar dentro de los átomos de todos los elementos.

Aunque al principio fueron controvertidos, los descubrimientos de Thomson fueron aceptados gradualmente por los científicos. Eventualmente, a sus partículas de rayos catódicos se les dio un nombre más familiar: electrones. El descubrimiento del electrón refutó la parte de la teoría atómica de Dalton que asumía que los átomos eran indivisibles. Para explicar la existencia de los electrones, se necesitaba un modelo atómico completamente nuevo.

Modelo atómico de Thomson

El modelo atómico de Thomson o también llamado modelo del pudín de ciruela es uno de los 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 trató de 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 ciruela tiene electrones rodeados por un volumen de carga positiva, como “ciruelas” cargadas negativamente incrustadas en un “pudín” cargado positivamente. La palabra “ciruelas” en el inglés del siglo XIX “pudín de ciruelas” es un uso arcaico de la palabra; en aquel entonces se refería a las pasas, no a las ciruelas.

En este modelo, se sabía que los átomos estaban compuestos por electrones cargados negativamente. Aunque Thomson los llamó “corpúsculos”, más comúnmente se les llamaba “electrones”, que G. J. Stoney propuso como la “cantidad unitaria fundamental de electricidad” en 1891. En ese momento, se sabía que los átomos no tenían carga eléctrica neta. Para explicar esto, Thomson sabía que los átomos también deben tener una fuente de carga positiva para equilibrar la carga negativa de los electrones. Consideró tres modelos plausibles que serían consistentes con las propiedades de los átomos entonces conocidos:

• Cada electrón cargado negativamente se emparejó con una partícula cargada positivamente que lo siguió a todas partes dentro del átomo.
• Los electrones cargados negativamente orbitaron una región central de carga positiva de la misma magnitud que la carga total de todos los electrones.
• Los electrones negativos ocupaban una región del espacio que estaba uniformemente cargada positivamente (a menudo considerada como una especie de “sopa” o “nube” de carga positiva).

Thomson eligió la tercera posibilidad como la estructura más probable de los átomos. Thomson publicó su propuesta de modelo en la edición de marzo de 1904 de la Revista Filosófica, la principal revista científica británica de la época. En opinión de Thomson:

… los átomos de los elementos consisten en un número de corpúsculos electrificados negativamente encerrados en una esfera de electrificación positiva uniforme, …

Thomson, J. J. (March 1904). “On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure”

Con este modelo, Thomson abandonó su hipótesis del “átomo nebular” de 1890 basada en la teoría atómica de los vórtices en la que los átomos estaban compuestos por vórtices inmateriales y sugirió 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 pruebas experimentales conocidas de la época. Su propuesta de una carga de volumen positiva refleja la naturaleza de su enfoque científico del descubrimiento, que consistía en proponer ideas para guiar futuros experimentos.

En este modelo, las órbitas de los electrones eran estables porque cuando un electrón se alejaba del centro de la esfera con carga positiva, estaba sometido a una mayor fuerza positiva neta hacia adentro, porque había más carga positiva dentro de su órbita. Los electrones podían girar libremente en anillos que se estabilizaban aún más por las interacciones entre los electrones, y las mediciones espectroscópicas tenían por objeto tener en cuenta las diferencias de energía asociadas a los diferentes anillos de electrones. Thomson intentó sin éxito reformar su modelo para dar cuenta de algunas de las principales líneas espectrales conocidas experimentalmente por varios elementos.

El modelo del pudín de ciruela guio útilmente a su estudiante, Ernest Rutherford, a idear experimentos para explorar más a fondo la composición de los átomos. También, el modelo de Thomson (junto con un modelo similar de anillo saturniano para electrones atómicos presentado en 1904 por Nagaoka basado en el modelo de James Clerk Maxwell de los anillos de Saturno) fueron útiles predecesores del modelo más correcto del átomo, inspirado en el sistema solar, de Bohr.

El apodo coloquial “pudín de ciruela” pronto se atribuyó al modelo de Thomson, ya que la distribución de electrones en su región del espacio cargada positivamente recordaba a muchos científicos las pasas, entonces llamadas “ciruelas”, en el postre común inglés, el pudín de ciruela.

Para más información The plum pudding model