¿Cómo descubrieron los científicos la estructura del átomo?

Answer 1

Oh, es una historia interesante.

TL; DR:
¡Descubre las partes que faltan!

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Vamos a empezar con los antiguos griegos. Había dos teorías. Uno dijo, que la materia es creada por los cuatro elementos Agua , Fuego , Viento y Tierra . Una segunda teoría postula, que todo está hecho de pequeños bloques de construcción (no definieron una forma específica) que son indestructibles, llamados átomos . El átomo viene de los átomos, lo que significa imparable. De alguna manera, esta teoría se mantuvo. (Pero los elementos tampoco fueron olvidados)

Unos pocos siglos después de esas teorías, fue el modelo de Dalton. John Dalton (* 6. Septiembre 1766 y † 27. Julio 1844) publicó 1808 un libro llamado Un nuevo sistema de filosofía química. en el que escribió su hipótesis del átomo. Se compone de cuatro puntos principales:

• Cada sustancia está hecha de la unidad esférica más pequeña e indestructible posible, llamada Átomo. (Al igual que los griegos …)
• Cada átomo de un determinado elemento tiene las mismas propiedades, como el volumen y la masa. Pero los átomos de diferentes elementos son diferentes en masa y volumen.
• Los átomos no pueden ser destruidos, ni creados.
• Las reacciones químicas solo unen varios átomos entre sí, o destruyen esos enlaces en proporciones específicas .

Su teoría se deriva del trabajo de Antoine Lavoisier (* 26. August 1743 † 8 de mayo de 1794). Dijo la famosa frase:

Rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme.
(Nada se crea, nada se pierde, todo se transforma).

Bueno, estúpida historia. Un montón de nombres, algunas citas, pero nada que ver con la química. Entonces tu pregunta es ¿cómo sabían eso?

La ley de conservación de la masa de Lavoisier parece lógica, pero no es tan fácil. Si quema lana de acero en una balanza, puede ver que gana peso. Por otro lado, si agrega Zinc (Zn) al ácido clorhídrico (HCl), pierde peso. Lavoisier fue uno de los primeros químicos, que usó balanzas en su laboratorio. (como nota al margen, las primeras escalas de primavera se remontan a 1770. Adivina cuando Lavoisier descubrió la ley …) La respuesta está en el libro de Dalton.

Esos comportamientos extraños son reacciones , donde los átomos se unen (en el caso de la lana de acero) o se evaporan como gas. Lavoisier, por lo tanto, midió muchas reacciones y las aisló (como un contenedor agregado para medir el gas) y descubrió que si agrega el gas que sale de una reacción, la masa permanece igual.

La parte más importante de los descubrimientos de Dalton son las proporciones. Usó escalas también, y creó muchas reacciones. Varió la cantidad de sustancias y las mezcló, y descubrió que siempre se atan en ciertas proporciones. Tales 1: 2 (H2O o SiO2) o 1: 4 (SO4 o NH4). Sobre la base de este comportamiento, concluyó, que cada elemento se comporta de la misma manera y tiene las mismas propiedades.

Pero el mundo de la química simple estaba condenado a ser destruido …

Sir Joseph John Thomson (* 18. Diciembre 1859 † 30. Agosto 1940) destruyó la idea de partículas indestructibles (no ha sido intencionada …). Varios científicos antes de que Thomson sugiriera, que los átomos se formaban a partir de unidades fundamentales en el tamaño de los átomos, pero Thomson fue el primero en sugerir una unidad 1’000 más pequeña que el átomo. Y, de hecho, esta unidad es nuestro electrón ahora bien conocido (pero no tan bien entendido …).

Y de nuevo, ¿cómo hizo eso?

Thomson experimentó con rayos catódicos. En palabras sencillas, si llena un tubo con gas y agrega diferentes cargas en cada extremo, puede observar un brillo. Hasta ese momento, ahora se sabía cómo funcionaban las corrientes eléctricas. En 1897, Thomson midió la masa (no sé cómo, ¡quizás un Quoran más inteligente pueda ayudarme!) De los rayos catódicos y mostró que eran aproximadamente 1800 veces más livianos que el hidrógeno, el átomo más ligero. Por lo tanto, no pueden ser átomos, sino una nueva partícula. Una más pequeña, o partícula subatómica . Él los llamó corpúsculo y más tarde fueron llamados electrón.

Thomson pensó que esas partículas provenían del gas dentro del tubo. Pero como los átomos son neutrales y no provocan los mismos efectos que esta nueva partícula, pensó en otra parte opuesta, que es positiva.

La idea del nuevo átomo es que el electrón se distribuye equitativamente en una especie de cáscara, que se carga positivamente. Este modelo también se llama el modelo de pudín de ciruela …

Pero sabemos, que los átomos son diferentes. Entonces, ¿qué falta? ¡Cierto, falta el modelo de Rutherford!

Ernest Rutherford (* 30. Agosto 1871 † 19. Octubre 1937) aplastó las expectativas del modelo fácil, otra vez. Dijo que el átomo está formado por un gran centro, que es positivo y más pequeño, partículas negativas que vuelan alrededor de este núcleo.

Puh Esa es una imagen extraña. La idea es que la fuente es una fuente radiactiva, que crea rayos alfa positivos (núcleo de helio). Estas partículas se disparan en una cosa de lámina de oro. Alrededor de la lámina hay un detector, que marca el impacto de las partículas radiactivas.

Supongamos que el modelo de Thomson es correcto. Hay dos resultados. O bien todas las partículas se reflejan, porque toda la esfera que contiene los electrones es positiva, y no hay impactos detrás de la lámina de oro, o todas las partículas pasan la lámina de oro, porque la esfera es algo positiva, pero no puede desviar positivamente partículas alfa. (Tenga en cuenta que entendieron el electrón un poco, no la subunidad cargada positiva).

Pero, como siempre, surgió una mezcla de ambas expectativas. Casi todos los rayos pasaron, pero algunos de ellos fueron fuertemente derivados. La siguiente imagen lo explica bastante bien.

La conclusión es que un átomo tiene un núcleo positivo, que es un error suficiente para derivar partículas alfa. Alrededor de este núcleo hay una gran cantidad de espacio lleno de electrones, que no influyen en el resultado de las partículas alfa. Nació el modelo de Rutherford.

Ahora tenemos un átomo grande, con un núcleo y una gran cantidad de espacio lleno de unos pocos electrones. Hasta ahora, esos electrones no tienen un lugar específico, simplemente vuelan alrededor de este espacio vacío. ¿Por qué espacio vacío? Porque si los átomos no tuvieran un espacio vacío tan grande, y los núcleos casi se tocaran entre sí, ninguna partícula alfa podría pasar. De hecho, solo se derivaron unas pocas partículas, lo que sugiere una gran área vacía alrededor del núcleo.

Como siempre, había alguien que simplemente no podía dejar que el mundo fuera como era. Niels Bohr (* 7. octubre 1885 † 18. noviembre 1962) vio que diferentes metales alcalinos en una llama producían diferentes colores, aunque el metal en sí permanecía y no se evaporaba ni desaparecía. El mismo resultado se puede observar en un tubo lleno de gas y conectado a una fuente eléctrica.

A partir de esta observación (y una fórmula, que se ha demostrado teóricamente pero no tiene impacto en el resultado práctico), concluyó que el espacio alrededor del núcleo está subdividido en diferentes órbitas en las que puede estar un electrón. Cada órbita tiene su propio nivel de energía. Un electrón en un nivel de energía estable no emite fotones. El electrón emite energía solo cuando cambia la órbita. ¿Pero de dónde viene la energía? Recuerda, ponemos el metal en una llama …

Un poco más de detalles. Basado en el físico clásico, el electrón debe emitir energía y terminar en un cierto punto de aplastamiento en el núcleo. La idea es crear un sistema como el sistema planetario, con un centro y los planetas (o los electrones) flotando alrededor. Para ser estable, el electrón no emite energía cuando está en una órbita. Solo absorbe o emite energía, cuando cambia una órbita. Cuando el electrón salta de una órbita inestable a una estable, libera energía en forma de fotón. Dependiendo de la órbita, el electrón tiene más o menos energía y, por lo tanto, se ve como un color diferente.

¡Pero espera! ¡No sería química, si no tuviéramos otro modelo, también!

La física clásica parecía estar terminada y totalmente descubierta en el siglo XIX, a excepción de algunos pequeños problemas. Esos pocos problemas llevaron a la física cuántica y un nuevo modelo del átomo.

Como dijimos, agregamos una excepción a nuestro físico clásico al decir que el electrón de alguna manera no pierde energía. Y las excepciones no funcionan muy bien, si queremos tener teorías confiables, o incluso leyes. El experimento de la doble rendija comenzó a generar dudas sobre la verdadera naturaleza de los fotones. Y ha habido un montón de problemas, que simplemente no cabían.

Entonces, después de muchas ecuaciones, y las teorías y cosas que nadie entiende, es el nuevo modelo cuántico.

¿Qué dice? Bueno, todo está basado en la naturaleza extraña de los electrones. Cada electrón de un átomo tiene varias propiedades:

• Un número cuántico principal n. Esto describe la distancia desde un orbital al centro.
• Un número cuántico de momento angular l. Esto describe la forma del orbital. (Una esfera, una barra , etc.)
• Un número cuántico magnético m_l. Esto describe la orientación en el espacio. Puede tener el mismo orbital, pero uno para cada eje. (X, Y, Z)
• Y un giro m_s. Esto describe una propiedad del electrón mismo. Solo puede ser +1/2 o -1/2. (el electrón solamente)

Todos se pueden calcular y tienen diferentes valores posibles para cada átomo. Lo más importante a recordar es que cada electrón debe distinguirse por lo menos por uno de los cuatro números cuánticos de cada uno en un átomo. Esto conduce a estructuras complejas (como se ve en la imagen de arriba. Y a continuación …) cómo se construyen los átomos. Los límites químicos y las reacciones también pueden explicarse por este modelo. Existen métodos para combinar orbitales (combinación lineal de orbitales atómicos) y para explicar varios enlaces.

Abriré un pequeño soporte aquí. Se llama cuántica, porque las unidades y la materia son cuantificables. (Heuh heuh you funny, you) Eso significa que hay una pequeña parte de todo. Un tamaño más pequeño, una carga más pequeña, un más pequeño … Y todo lo demás es un múltiplo de esto. El giro es un ejemplo de ello. Solo puede ser +1/2 o -1/2. (el electrón) NUNCA entre. Si lo mide y realiza experimentos con él, solo obtiene uno de esos dos resultados, nunca otro. Así que la idea inicial de átomos no es tan errónea. Simplemente no era lo suficientemente pequeño. Soporte cerrado …

Y como hay mucho, MUCHO, MUCHO más matemática de lo que sé que existe detrás de todos esos modelos (más los últimos) existen partículas aún más fundamentales con diferentes propiedades y comportamientos. La parte más interesante es que hay partículas predichas, que luego se encuentran en los aceleradores de partículas, como en el CERN

Hay las partículas elementales. Se agrupan en fermiones (que componen la materia) y bosones (las partículas que hacen las interacciones entre las otras; la fuerza). Como se puede ver, son los giros de los bosones todo 1 (excepto ese grial dorado; el bosón de higgs). Y vienen de otra ecuación que los fermiones. Una propiedad interesante es que pueden alinear su giro (son simétricos) y, por lo tanto, son posibles los láseres, mientras que los fermiones no pueden alinearse (son asimétricos) y necesitan diferenciarse por lo menos en uno de los números cuánticos. Debido a esta característica, los fermiones crean cosas como átomos, porque no pueden alinearse y necesitan construirse en el espacio, mientras que los bosones pueden deslocalizarse y comportarse de manera diferente.

Descargo de responsabilidad: ni siquiera he terminado la escuela secundaria, y no debes confiar en mí. No tengo ni idea de lo que estoy hablando. Entonces, si no está de acuerdo con mi opinión profesional, hágamelo saber y lo arreglaré. Espero no haber arruinado demasiado. Tenga en cuenta que no tengo absolutamente ninguna idea (una vez más) y todas esas cosas se basan en años y años de investigación y estudio, y tienen una sólida formación en matemáticas. Traté de simplificarlo hasta un punto en el que muchas afirmaciones no son ciertas, pero para darle una visión general de nuestro mundo extraño.
Pero como puedes leer en mis fuentes, tampoco puedes confiar en los químicos, porque se contradicen cada pocas décadas. Así que espero que hayan disfrutado leyendo …

Fuentes (en varios idiomas, perdón por eso … Pero hablo unos pocos):
John Dalton – Wikipedia
Antoine Lavoisier – Wikipédia
Báscula
JJ Thomson
Rayo catódico
Ernest Rutherford – Wikipédia
Rutherford-Streuung – Wikipedia
Niels Bohr – Wikipedia
Modèle de Bohr – Wikipédia
Estructura atómica: el modelo mecánico cuántico

Answer 2

Veo que varias de las respuestas hasta ahora se han centrado en el descubrimiento / inferencia de la existencia del átomo, no en la estructura. Así que me centraré en la estructura, proporcionando una historia rápida y algo simplificada de su descubrimiento.

El primer experimento que realmente profundizó en la estructura fue la prueba experimental de Thompon de que los “rayos catódicos” eran rayos de electrones, que a su vez tenían que ser constituyentes del átomo (JJ Thomson).

El siguiente fue el “Experimento de la gota de aceite” de Millikan, que estableció la relación masa / carga del electrón. Entre los dos, esto permitió la formación del “modelo de Thomson” para el átomo, donde los electrones balanceaban la carga de los protones, pero estaban incrustados en los átomos como las pasas de uva en un pudín. Pero este modelo tenía problemas: ya sabíamos, por ejemplo, que la fuerza electromagnética, según la física clásica, no podía unirlos en un agregado estable. Sin embargo, sabíamos que los átomos eran muy estables. Además, a medida que aprendimos sobre el giro y el Principio de Incertidumbre, quedó claro que los electrones no pueden permanecer en el núcleo.

Esta dificultad (y otras) se resolvió mediante los experimentos de dispersión de Rutherford, donde demostró que el átomo era en su mayoría un espacio vacío, con una masa muy concentrada en el centro que proporciona el centro de dispersión.

Pero esto introdujo un nuevo problema: ¿qué podría estar manteniendo unido todo ese asunto cargado positivamente? ¿No debería la fuerza eléctrica separarla en partículas elementales, es decir, protones? Es por eso que los experimentos de dispersión fueron experimentos clave en el camino no solo para descubrir protones y neutrones, sino también la fuerza nuclear entre ellos, una fuerza mucho más fuerte que la fuerza electromagnética a corto alcance.

Debido a los problemas de giro e incertidumbre mencionados anteriormente, los físicos empezaron a adivinar la existencia del neutrón (Rutherford ya estaba usando el término en 1920 – 10 años antes de que Chadwick confirmara su existencia: vea Neutron), pero era difícil encontrar evidencia experimental. , ya que no interactúan fácilmente. Después de todo, son neutrales, por lo que, a menos que recibas un impacto directo de neutrones y núcleos, ellos revolotean en el pasado. Y ambos son muy pequeños, por lo que esos impactos directos son raros (existen excepciones, pero se deben a efectos mecánicos cuánticos extraños que están fuera del alcance de este artículo).

Este fue un logro histórico, pero todavía había muchos misterios sobre la fuerza nuclear. Para explorar esos misterios, los físicos continuaron utilizando experimentos de dispersión de varios tipos: dispersión elástica, dispersión inelástica, dispersión inelástica profunda …

La clave para hacer deducciones de todos estos experimentos fueron no solo las ideas básicas del método científico (hipótesis-> experimento-> teoría, etc.) sino también la aplicación de 1) conservación de la energía, 2) conservación del momento y 3) mecánica cuántica .

Estos tres eran incluso más importantes que las Leyes de Newton y las Ecuaciones de Maxwell para la física nuclear. Fueron vitales tanto para diseñar experimentos útiles como para interpretar los resultados para formar teorías coherentes.

Desafortunadamente, al menos a corto plazo, la energía de estos experimentos de dispersión / colisión comenzó a producir más y más partículas inesperadas: kaones, muones, piones … se convirtió en un desastre tan desconcertante, se dice que Pauli bromeaba cuando se le preguntó acerca de algunos Partícula elemental, “Soy un físico, no un zoólogo”. Pero luego los físicos se dieron cuenta de que algunos de los operadores de mecánica cuántica para partículas (por ejemplo, operadores de aniquilación / creación), se transforman como grupos de Lie. Pero dado que la teoría de la representación de los grupos de Lie y sus correspondientes álgebras de Lie ya eran bien conocidas, esto les permitió dar algún sentido a lo que de otra manera parecía caos puro, lo que llevó a “la octava vía”, que a su vez condujo al Modelo Estándar. , incluido el modelo moderno para el núcleo en el que cada uno de neutrones y protones consta de tres quarks (abajo-arriba-arriba y arriba-abajo respectivamente).

Ahí lo tienen: una versión resumida de la historia de los físicos que descubren la estructura atómica. Me he dejado mucho, pero espero que esto sea suficiente para darte una buena idea de cómo fue y despertar tu apetito por más investigación.

Answer 3

debe leer el experimento de rayos catódicos y el experimento de rayos anódicos respectivamente para el descubrimiento de electrones y protones.
rayo de ánodo. o rayo positivo.
Rayos catódicos o rayos negativos.
Estos dos experimentos marcaron el descubrimiento de partículas cargadas.
estas partículas e- y p + provienen de átomos unionizados.
Los científicos pensaron en la disposición de estas partículas en un átomo. Luego estaba el modelo de budín de ciruela de Thomson.
pero más tarde, los experimentos de rutherford demostraron que los protones estaban presentes en el centro del átomo. Como esa vez también se descubrieron los neutrones.
entonces los científicos explicaron la estabilidad de un átomo y llegaron a la conclusión de que los protones y los neutrones están presentes en el centro y giran en torno al núcleo.
(pero la física cuántica toma e- como nube de electrones)
por lo que el modelo anterior solo explica las propiedades de un átomo solo en pequeña medida.

Answer 4

El átomo fue teorizado en la segunda mitad del siglo XIX, pero no había evidencia explícita de ello. La primera evidencia explícita fue cuando Einstein mostró, en uno de los artículos de su Annus Mirabilis de 1905, que Brownian Motion, un fenómeno natural observado durante mucho tiempo, podía explicarse con exactitud y precisión por la existencia de átomos. Si bien la mayoría, pero lejos de todo, los científicos en ese momento creían en los átomos, esta fue la primera vez que hubo evidencia inequívoca de la que no había otra explicación conocida.