La física atómica es la rama de la física que estudia la estructura y el comportamiento de los átomos, las partículas más pequeñas que forman la materia. Los átomos están compuestos por un núcleo central, donde se encuentran los protones y los neutrones, y una nube de electrones que orbitan alrededor del núcleo.
Esto trata de explicar cómo se organizan los electrones en los distintos niveles de energía, cómo interactúan los átomos entre sí y con la luz, y cómo se producen fenómenos como la radiactividad, la emisión y absorción de fotones, y la dualidad onda-partícula.
La física atómica tiene una gran importancia tanto teórica como práctica, ya que nos permite comprender la naturaleza de la materia y sus propiedades, así como desarrollar aplicaciones tecnológicas basadas en el aprovechamiento de la energía atómica, como las centrales nucleares, los reactores de fusión, los láseres, los espectrómetros, los relojes atómicos, y la medicina nuclear, entre otras.
En este post, vamos a repasar algunas de las nociones básicas de la física atómica, desde los primeros modelos atómicos hasta la mecánica cuántica, y veremos cómo se relacionan con la estructura de la materia y el origen de la luz.
Resumen de los modelos atómicos
Son importantes porque nos ayudan a visualizar el interior de los átomos y las moléculas, y así predecir las propiedades de la materia. Estos han ido cambiando a lo largo del tiempo, evolucionando según los datos experimentales disponibles.
Los modelos atómicos se basan en diferentes teorías y experimentos que intentan explicar la estructura y el comportamiento de los átomos. Algunos de los modelos más importantes son:
- Teoría atómica de Dalton: Dalton propuso que la materia está formada por átomos indivisibles, que son iguales para cada elemento y que se combinan en proporciones fijas para formar compuestos.
- Modelo atómico de Thomson: Thomson descubrió el electrón y sugirió que el átomo es una esfera positiva con electrones incrustados, como un pastel de pasas.
- Modelo atómico de Rutherford: Rutherford realizó el experimento de la lámina de oro y dedujo que el átomo tiene un núcleo pequeño y denso con carga positiva, rodeado de electrones que giran a gran distancia.
- Modelo atómico de Bohr: Bohr modificó el modelo de Rutherford y propuso que los electrones solo pueden ocupar ciertos niveles de energía, y que emiten o absorben luz al saltar de un nivel a otro.
- Modelo atómico de Schrödinger: Schrödinger aplicó la mecánica cuántica al átomo y obtuvo una ecuación que describe la probabilidad de encontrar un electrón en una región del espacio, llamada orbital.
¿Qué aportaron estos modelos a la sociedad?
Estos modelos sirvieron para entender mejor los fenómenos físicos y químicos, como la radiactividad, el espectro electromagnético, los enlaces químicos, las reacciones nucleares, etc. También sirvieron para desarrollar nuevas tecnologías, como los rayos X, los láseres, las bombas atómicas, los reactores nucleares, etc.
Modelo actual de física atómica: modelo atómico de Schrödinger.
El modelo atómico de Schrödinger es el modelo actual del átomo, que se basa en la mecánica cuántica y la dualidad onda-partícula. Según este modelo:
- Los electrones son ondas de materia que se distribuyen en el espacio según una función de ondas, que da la probabilidad de encontrarlos en un punto dado alrededor del núcleo.
- Los electrones pueden girar en órbitas elípticas, y dentro de un mismo nivel energético existen subniveles con diferentes formas y orientaciones.
- No se puede conocer la posición exacta de un electrón en su órbita, sino solo la región donde es más probable que se encuentre, llamada orbital.
- Los electrones solo emiten o absorben energía en los saltos entre orbitales, y la energía del fotón emitido o absorbido es igual a la diferencia de energía entre ambos.
¿Qué es la luz y cómo se relaciona con los átomos?
Es una forma de energía que se transmite mediante ondas electromagnéticas. Puede tener diferentes frecuencias y longitudes de onda, que determinan el color que percibimos. La luz blanca es la combinación de todos los colores del espectro visible, que va desde el rojo al violeta.
¿De dónde viene la luz?
La respuesta está en los átomos, las unidades más pequeñas de la materia. Los átomos están formados por un núcleo con protones y neutrones, y una nube de electrones que giran alrededor. Los electrones pueden ocupar diferentes niveles de energía, que son discretos y no continuos. Esto significa que los electrones solo pueden saltar de un nivel a otro, y no pueden estar entre medias.
Cuando un electrón salta de un nivel de mayor energía a uno de menor energía, libera la diferencia de energía en forma de un fotón, una partícula de luz.
La frecuencia y el color del fotón dependen de la diferencia de energía entre los niveles.
- Por ejemplo, si la diferencia es grande, el fotón tendrá una frecuencia alta y un color cercano al violeta. Si la diferencia es pequeña, el fotón tendrá una frecuencia baja y un color cercano al rojo.
Este fenómeno se llama emisión atómica, y es el responsable de la luz que emiten las estrellas, las bombillas, los fuegos artificiales y muchos otros objetos.
La luz emitida por cada sustancia tiene un patrón característico llamado espectro de emisión, que se puede observar al pasar la luz por un prisma o una rejilla de difracción. El espectro de emisión es como una huella digital que identifica a cada elemento químico, y que nos permite saber de qué están hechos los objetos que emiten luz.
Pero los átomos no solo emiten luz, sino que también pueden absorberla. Cuando un átomo recibe un fotón con la energía exacta para que un electrón salte de un nivel de menor energía a uno de mayor energía, el átomo absorbe el fotón y el electrón cambia de nivel.
- Este fenómeno se llama absorción atómica, y es el responsable de que algunos objetos no reflejen todos los colores de la luz blanca que los ilumina, sino que solo reflejen algunos y absorban otros.
¿Qué es el espectro de absorción?
La luz absorbida por cada sustancia también tiene un patrón característico llamado espectro de absorción, que se puede observar al pasar la luz blanca por una muestra y luego por un prisma o una rejilla de difracción.
- El espectro de absorción es el complementario del espectro de emisión, es decir, tiene líneas oscuras en los lugares donde el espectro de emisión tiene líneas brillantes.
- El espectro de absorción también sirve para identificar los elementos químicos presentes en una muestra, y se usa, por ejemplo, para analizar la composición de la atmósfera de los planetas.
Como vemos, la luz y los átomos están íntimamente relacionados, y nos permiten conocer muchos aspectos de la naturaleza. La luz tiene una naturaleza dual: onda y partícula, y se comporta de una forma u otra dependiendo del experimento que se realice.
La luz también tiene una relación directa con la temperatura de los objetos que la emiten, y sigue una ley física atómica llamada ley de Planck, que describe cómo varía la intensidad de la radiación emitida según la frecuencia y la temperatura.
Referencias
What are the 6 models of the atom? (n.d.). Socratic.org. Retrieved December 6, 2023, from https://socratic.org/questions/what-are-the-6-models-of-the-atom
Modelo atómico de Schrodinger. [Internet]. 2018-05-24 [citado 2023-12-06]. Disponible en: https://quimicafacil.net/infografias/modelo-atomico-de-schrodinger/