Modelo de pudín de ciruela - Plum pudding model
El modelo del pudín de ciruela es uno de varios modelos científicos históricos del átomo . Propuesto por primera vez por JJ 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 que entonces se conocían: que los electrones son partículas cargadas negativamente y que los átomos no tienen carga eléctrica neta. . El modelo del pudín de ciruela tiene electrones rodeados por un volumen de carga positiva, como "ciruelas" cargadas negativamente incrustadas en un " pudín " cargado positivamente .
Visión general
Se sabía desde hace muchos años que los átomos contienen partículas subatómicas cargadas negativamente . Thomson los llamó "corpúsculos" ( partículas ), pero eran más comúnmente llamados "electrones", el nombre que GJ Stoney había acuñado para la " cantidad unitaria fundamental de electricidad " en 1891. También se sabía desde hace muchos años que los átomos han sin carga eléctrica neta. Thomson sostuvo que los átomos también deben contener alguna carga positiva que cancele la carga negativa de sus electrones. Thomson publicó su modelo propuesto en la edición de marzo de 1904 de la Philosophical Magazine , la principal revista científica británica de la época. En opinión de Thomson:
... los átomos de los elementos consisten en una serie de corpúsculos electrificados negativamente encerrados en una esfera de electrificación positiva uniforme, ...
Con este modelo, Thomson abandonó su hipótesis del "átomo nebular" de 1890, que se basaba en la teoría del vórtice del átomo , en la que los átomos estaban compuestos por vórtices inmateriales y sugirió que existían similitudes entre la disposición de los vórtices y la regularidad periódica encontrada entre los vórtices. elementos químicos. Siendo un científico astuto y práctico, Thomson basó su modelo atómico en evidencia experimental conocida de la época. Su propuesta de una carga volumétrica positiva refleja la naturaleza de su enfoque científico del descubrimiento, que consistía en proponer ideas para guiar experimentos futuros.
En este modelo, las órbitas de los electrones eran estables porque cuando un electrón se alejaba del centro de la esfera cargada positivamente, estaba sujeto a una fuerza interna positiva neta mayor, porque había más carga positiva dentro de su órbita (ver la ley de Gauss ). Los electrones podían rotar libremente en anillos que se estabilizaban aún más mediante interacciones entre los electrones, y las mediciones espectroscópicas estaban destinadas a tener en cuenta las diferencias de energía asociadas con diferentes anillos de electrones. Thomson intentó sin éxito remodelar su modelo para dar cuenta de algunas de las principales líneas espectrales conocidas experimentalmente para varios elementos.
El modelo del pudín de ciruela guió de manera útil a su alumno, Ernest Rutherford , a idear experimentos para explorar más a fondo la composición de los átomos. Además, el modelo de Thomson (junto con un semejante modelo de anillo de Saturno para los electrones atómicos presentada en 1904 por Nagaoka después de James Clerk Maxwell 's modelo de los anillos de Saturno ) fueron predecesores útil de las más correcto solar-sistema-como Bohr modelo del átomo.
El apodo coloquial "pudín de ciruela" pronto se atribuyó al modelo de Thomson, ya que la distribución de electrones dentro de su región cargada positivamente del espacio les recordó a muchos científicos las pasas , entonces llamadas "ciruelas", en el postre común inglés, pudín de ciruela .
En 1909, Hans Geiger y Ernest Marsden realizaron experimentos con láminas delgadas de oro . Su profesor, Ernest Rutherford, esperaba encontrar resultados consistentes con el modelo atómico de Thomson. No fue hasta 1911 que Rutherford interpretó correctamente los resultados del experimento que implicaban la presencia de un núcleo muy pequeño de carga positiva en el centro de cada átomo de oro. Esto condujo al desarrollo del modelo del átomo de Rutherford . Inmediatamente después de que Rutherford publicara sus resultados, Antonius Van den Broek hizo la propuesta intuitiva de que el número atómico de un átomo es el número total de unidades de carga presentes en su núcleo. Los experimentos de Henry Moseley de 1913 (ver la ley de Moseley ) proporcionaron la evidencia necesaria para apoyar la propuesta de Van den Broek. Se encontró que la carga nuclear efectiva era consistente con el número atómico (Moseley encontró solo una unidad de diferencia de carga). Este trabajo culminó en el modelo de Bohr similar al sistema solar (pero limitado cuánticamente) del átomo en el mismo año, en el que un núcleo que contiene un número atómico de cargas positivas está rodeado por un número igual de electrones en capas orbitales. Así como el modelo de Thomson guió los experimentos de Rutherford, el modelo de Bohr guió la investigación de Moseley.
Problemas científicos relacionados
El modelo de pudín de ciruela con un solo electrón fue utilizado en parte por el físico Arthur Erich Haas en 1910 para estimar el valor numérico de la constante de Planck y el radio de Bohr de los átomos de hidrógeno. El trabajo de Haas estimó estos valores dentro de un orden de magnitud y precedió al trabajo de Niels Bohr en tres años. Es de destacar que el modelo de Bohr en sí mismo proporciona predicciones razonables solo para sistemas atómicos e iónicos con un solo electrón efectivo.
Un problema matemático particularmente útil relacionado con el modelo del pudín de ciruela es la distribución óptima de cargas puntuales iguales en una esfera unitaria, llamado problema de Thomson . El problema de Thomson es una consecuencia natural del modelo de pudín de ciruela en ausencia de su carga de fondo positiva uniforme.
El tratamiento electrostático clásico de los electrones confinados a puntos cuánticos esféricos también es similar a su tratamiento en el modelo del pudín de ciruela. En este problema clásico, el punto cuántico se modela como una esfera dieléctrica simple (en lugar de una esfera uniforme cargada positivamente como en el modelo del pudín de ciruela) en la que residen electrones libres o en exceso. Las configuraciones de electrones N electrostáticos se encuentran excepcionalmente cerca de las soluciones encontradas en el problema de Thomson con electrones que residen en el mismo radio dentro de la esfera dieléctrica. En particular, se ha demostrado que la distribución trazada de la energía dependiente de la geometría tiene un parecido notable con la distribución de los orbitales de electrones anticipados en los átomos naturales, tal como se disponen en la tabla periódica de elementos. De gran interés, las soluciones del problema de Thomson exhiben esta distribución de energía correspondiente al comparar la energía de cada solución de N-electrón con la energía de su solución vecina (N-1) -electrón con una carga en el origen. Sin embargo, cuando se trata dentro de un modelo de esfera dieléctrica, las características de la distribución son mucho más pronunciadas y proporcionan una mayor fidelidad con respecto a los arreglos orbitales de electrones en átomos reales.