Modelo atómico de Thomson: características, descubrimiento del electrón y resumen

El modelo atómico de Thomson fue una de las primeras propuestas científicas que intentaron describir la estructura interna del átomo. Surgió después del descubrimiento del electrón y estuvo vigente durante los primeros años del siglo XX, hasta que nuevos experimentos demostraron que el átomo tenía una organización diferente. Para comprender este modelo conviene conocer primero qué observaciones llevaron a Thomson a formularlo.

Resumen

Thomson estudió los rayos catódicos y demostró en 1897 que estaban formados por electrones, partículas con carga negativa presentes en toda la materia. En 1904 propuso un átomo compuesto por una esfera de carga positiva con electrones incrustados, cuya compensación explicaba la neutralidad eléctrica. El modelo abandonó la idea del átomo indivisible, pero no incluía núcleo. El experimento de Rutherford evidenció la concentración central de masa y carga positiva, sustituyéndolo por un nuevo modelo.

Antecedentes del modelo atómico de Thomson

Joseph John Thomson fue un matemático y físico que investigó las descargas eléctricas producidas en gases a baja presión. Estos trabajos se desarrollaron principalmente a finales del siglo XIX y permitieron estudiar unos haces luminosos que aparecían dentro de tubos especiales: los rayos catódicos.

En aquella época no existía acuerdo sobre la naturaleza de estos rayos. Algunos científicos pensaban que eran una forma de radiación, mientras que otros defendían que estaban constituidos por partículas materiales. La mejora de las técnicas para conseguir presiones muy bajas dentro de los tubos permitió realizar observaciones más precisas y comparar los efectos de los campos eléctricos y magnéticos.

El descubrimiento del electrón y los rayos catódicos

Los rayos catódicos se desplazaban en línea recta cuando no estaban sometidos a campos eléctricos o magnéticos. Thomson colocó dos placas metálicas paralelas en el interior del tubo y aplicó entre ellas una diferencia de potencial. Al hacerlo, observó que el haz se desviaba hacia la placa con carga positiva.

Este comportamiento indicaba que las partículas que formaban los rayos tenían carga eléctrica negativa. Thomson también estudió la desviación producida por campos magnéticos y combinó ambos efectos para obtener información sobre la velocidad de las partículas y sobre su relación entre carga y masa.

Los resultados de sus experimentos condujeron en 1897 al reconocimiento del electrón, una partícula mucho más ligera que el átomo de hidrógeno. La relación entre su carga y su masa era aproximadamente mil veces mayor que la de cualquier partícula conocida hasta entonces. Esto podía explicarse porque el electrón tenía una masa extremadamente pequeña en comparación con la de los átomos.

Thomson repitió las pruebas empleando gases diferentes y distintos metales en los electrodos. La relación carga/masa obtenida no cambiaba de manera significativa. De este hecho dedujo que los electrones no pertenecían exclusivamente a un material concreto, sino que eran componentes comunes de la materia. Por tanto, el átomo, considerado durante mucho tiempo indivisible, debía contener partículas más pequeñas.

¿Cuáles son las características del modelo atómico de Thomson?

Tras estudiar el electrón, Thomson propuso en 1904 un modelo que intentaba explicar cómo podían encontrarse cargas positivas y negativas dentro del átomo. En ese momento también se conocían los rayos canales, anódicos o positivos, estudiados por Eugen Goldstein. Estos rayos se desplazaban en sentido contrario a los rayos catódicos y se relacionaban con partículas de carga positiva.

El modelo de Thomson se basaba en varias ideas principales:

• El átomo sería una esfera de carga positiva en la que se concentraría prácticamente toda su masa.
• Los electrones, con carga negativa, estarían distribuidos en el interior de esa esfera, como partículas incrustadas en ella.
• La cantidad total de carga positiva y la cantidad total de carga negativa se compensarían. Por eso, el átomo sería eléctricamente neutro.
• Los electrones no tendrían que ocupar posiciones absolutamente inmóviles. Podrían cambiar de lugar dentro de la esfera, siempre que el conjunto mantuviera el equilibrio de cargas.

Este planteamiento no describía un núcleo central. La carga positiva estaba repartida por todo el volumen del átomo, mientras que los electrones se encontraban incluidos en esa distribución. La propuesta se conoce popularmente como modelo del pudin de pasas: la masa del pudin representa la esfera positiva y las pasas simbolizan los electrones repartidos por su interior.

¿Por qué era importante este modelo?

Aunque después fue sustituido, el modelo de Thomson tuvo un papel importante en la historia de la física. Fue uno de los primeros modelos atómicos que incorporó una partícula subatómica identificada experimentalmente. Además, intentó relacionar la estructura del átomo con su neutralidad eléctrica: si existían electrones negativos, también debía existir una carga positiva que compensara sus efectos.

El modelo también ayudó a abandonar la idea del átomo como una unidad completamente indivisible. Sin embargo, se trataba de una explicación provisional, construida con los conocimientos disponibles en aquella época. Los experimentos posteriores comprobaron que la carga positiva no estaba distribuida de manera uniforme por todo el átomo.

Problemas y limitaciones del modelo atómico de Thomson

El modelo presentaba dificultades importantes porque no conseguía explicar todos los datos experimentales conocidos. Sus principales limitaciones fueron las siguientes:

• La esfera con carga positiva uniforme era una hipótesis del modelo, pero su existencia no había sido demostrada directamente.
• No explicaba de forma satisfactoria todas las propiedades periódicas de los elementos que se habían observado y organizado en la tabla periódica.
• No podía justificar ciertos resultados obtenidos al estudiar cómo atravesaban la materia algunas partículas con carga positiva.

La dificultad más decisiva apareció con el experimento de Rutherford, que consistía en dirigir partículas alfa, es decir, cationes de helio, contra una lámina muy fina de oro. Si la carga positiva estuviera extendida uniformemente por todo el átomo, como proponía Thomson, las partículas alfa deberían atravesar la lámina casi en línea recta, con desviaciones muy pequeñas.

Sin embargo, Rutherford observó que la mayoría de las partículas atravesaba la lámina, pero algunas cambiaban notablemente de dirección. Según los datos recogidos en el experimento, aproximadamente una de cada 10 000 partículas sufría una desviación apreciable. Este resultado no encajaba con una carga positiva distribuida de manera uniforme.

La explicación posterior fue que casi toda la masa y la carga positiva del átomo se concentraban en una región central muy pequeña: el núcleo. Los electrones se encontrarían alrededor de esa región y el átomo sería, en gran parte, espacio vacío. Esta interpretación dio lugar al modelo atómico de Rutherford, que sustituyó al de Thomson pocos años después.

Resumen del modelo atómico de Thomson

• Thomson investigó los rayos catódicos mediante tubos con gases a baja presión.
• En 1897 relacionó estos rayos con unas partículas negativas mucho más ligeras que los átomos: los electrones.
• El electrón parecía ser un componente universal de la materia, porque aparecía al utilizar gases y electrodos diferentes.
• En 1904 Thomson propuso un átomo formado por una esfera de carga positiva con electrones incrustados en su interior.
• El modelo explicaba la neutralidad del átomo mediante la compensación entre cargas positivas y negativas.
• La propuesta no explicaba las desviaciones observadas por Rutherford, por lo que fue reemplazada por un modelo con núcleo.

El modelo atómico de Thomson fue una etapa esencial para comprender que el átomo tenía estructura interna. Aunque su descripción de la carga positiva era incorrecta, introdujo el electrón en la explicación de la materia y preparó el camino para modelos atómicos posteriores.

Bibliografía

• Luis Moreno Martínez, Repensando la historia de los modelos atómicos, 2018.
• Isaac Asimov, Breve historia de la química: Introducción a las ideas y conceptos de la química, 2010.