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En 1904, el físico británico JJ Thomson propuso su idea de cómo era el átomo. Fue una construcción inusual pero plausible que fue bien recibida en la comunidad científica durante un tiempo.

Unos años antes, Thomson había descubierto el electrón y estaba tratando de reconciliar dos de las propiedades conocidas del átomo: que los electrones tienen una carga negativa y que el átomo en general es neutro. Si los electrones son negativos y el átomo es neutro, entonces algo debe ser positivo. Así que a Thomson se le ocurrió una distribución que tenía sentido en ese momento en la pintoresca moda británica, la llamó modelo de pudín de ciruelas.

El modelo de pudín de ciruela tiene electrones rodeados por un volumen de carga positiva en el que se incrustan electrones de carga negativa. Tuvo una vida relativamente corta: en 1911, Ernest Rutherford publicó resultados que mostraban un pequeño núcleo de carga positiva, en lugar de una gran masa alrededor de los electrones.

Pequeñas cosas que lo componen todo

La idea de que la materia está hecha de átomos se remonta a mucho tiempo atrás, pero fue abandonada durante dos mil años.

El filósofo griego Demócrito, nacido alrededor del año 460 a. C., promovió lo que muchos consideraron una idea loca: todo lo que vemos a nuestro alrededor está hecho de pequeños componentes individuales. Llamó a estos constituyentes atomos, o átomos, como los llamaríamos en inglés.

Algunas de las ideas de Demócrito resultaron ser notablemente intuitivas. Él creía que los átomos son invisibles al ojo humano, pero tienen una geometría. Siempre están en movimiento, están separados por el vacío y los átomos individuales son indestructibles muy cerca de lo que sabemos que es verdad hoy.

Aunque algunos filósofos todavía lo consideraban, la idea atómica de Demócrito fue abandonada en gran parte durante siglos, particularmente porque sus seguidores Platón y Aristóteles la ignoraron. Platón, quien creía que toda la materia está hecha de los cuatro elementos (tierra, fuego, viento y agua), supuestamente odiaba tanto a Demócrito que deseaba que todos sus libros fueran quemados. Sin embargo, Demócrito es considerado por algunos el padre de la ciencia moderna, siendo su enfoque más cercano a la ciencia que a la filosofía, como fue el caso de Platón.

Durante muchos siglos, pocas personas prestaron mucha atención a la teoría atómica de Demócrito. Sin embargo, eso cambió drásticamente en el siglo XX, a medida que se hacían nuevos descubrimientos científicos. En algún momento, el filósofo y erudito Bertrand Russel escribió que esta teoría atómica se parecía notablemente a la de la ciencia moderna y evitaba la mayoría de las fallas a las que era propensa la especulación griega.

La teoría atómica había vuelto a llamar la atención.

Todas las luces en los átomos

Cerca del final del siglo XVIII, el investigador inglés John Dalton se esforzaba por explicar algunos resultados experimentales. Dalton, quien también estudió el daltonismo (de ahí el término daltonismo), descubrió que no importa cómo se combinen los elementos químicos, la masa total en la reacción sigue siendo la misma. Él y otros químicos también notaron que el agua absorbe diferentes gases en diferentes proporciones, por ejemplo, el agua absorbe mucho mejor el dióxido de carbono que el nitrógeno.

Propuso que cada elemento químico está compuesto de átomos de un solo tipo único. Estos átomos no pueden alterarse ni destruirse por medios químicos, pero pueden combinarse para formar estructuras más complejas sorprendentemente similares a las que había propuesto Demócrito.

Esta fue la escuela de pensamiento dominante durante aproximadamente un siglo, hasta que apareció JJ Thomson.

Varios átomos y moléculas como se muestra en A New System of Chemical Philosophy de John Dalton (1808).

Pasas, no ciruelas

Irónicamente, el modelo de pudín de ciruelas es en realidad un nombre inapropiado. Utiliza un significado arcaico del pudín de ciruela británico, que en realidad es un pastel hecho con pasas (en la época previctoriana, la ciruela se usaba para las pasas). Pero este pastel de la vieja escuela tendría otro significado.

A principios de la década de 1900, investigadores famosos como Amadeo Avogadro, Robert Brown e incluso Albert Einstein habían explorado las fallas del modelo de Dalton, pero todavía se pensaba que los átomos eran la división más pequeña posible de la materia hasta los experimentos de Thomson en 1897.

A través de la experimentación, Thomson descubrió que un campo eléctrico puede desviar un rayo catódico. Esto significa que en lugar de ser luz, este rayo catódico tenía que ser otra cosa, lo que Thomson dedujo correctamente que era un flujo de electrones. En otras palabras, había encontrado uno de los componentes básicos de los átomos: un electrón cargado negativamente. Era una partícula diferente a todas las conocidas anteriormente, y Thomson se tomó este tiempo antes de poder probar su descubrimiento más allá de la sombra de una duda.

Incluso midió la relación masa-carga de los electrones y descubrió que son 1800 veces más pequeños que el hidrógeno, el átomo más pequeño. No había duda al respecto: los átomos eran divisibles, y estos electrones tenían carga negativa. Lo que significa que algo también debe ser positivo en los átomos.

Una réplica de los rayos catódicos de JJ Thomson que ayudaron a descubrir el electrón. Créditos de la imagen: Universidad de Cambridge.

Si quieres hornear un pastel de ciruelas, primero debes inventar el universo

Los átomos son neutros en carga eléctrica. Claro, hay iones que tienen carga positiva o negativa, pero técnicamente hablando, los átomos son neutros. Entonces, si los electrones son negativos, deben tener una contraparte positiva.

Dado que Thomson descubrió que los electrones son tan pequeños, sea lo que sea lo positivo, debe ser relativamente grande. Así que consideró tres escenarios:

  • Cada electrón cargado negativamente tiene una partícula cargada positivamente que lo sigue a todas partes;
  • Los electrones orbitan una región de carga positiva con la misma magnitud que la carga total de todos los electrones;
  • Los electrones negativos ocupan un espacio uniformemente cargado positivamente.

Un budín de ciruelas delicioso desde el primer átomo hasta el último.

Seleccionó este último como el más probable de los tres. Envió sus ideas a la edición de 1904 de Philosophical Magazine , donde Thomson escribió:

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

Esta teoría fue adoptada por los físicos, quienes comenzaron a idear experimentos para aprender aún más sobre los átomos, basados ​​en esta configuración.

Irónicamente, fueron estos experimentos exactos los que terminaron refutando el modelo Plum Pudding.

Refutando el pastel, y pasa una nueva teoría

Los neutrones no se habían descubierto en ese momento, pero la estructura fundamental del modelo se ha mantenido en gran medida similar.

Curiosamente, el modelo de Thomson fue refutado por uno de sus alumnos, Ernest Rutherford. Esto solo demuestra cuán influyentes eran el trabajo y el laboratorio de Thomson en ese momento.

Los experimentos de Rutherford demostraron que la carga positiva se concentra hacia el centro del átomo, en lo que parecía ser un núcleo atómico. Rutherford inmediatamente sospechó de un modelo planetario del átomo, donde el núcleo es como una estrella y los electrones orbitan a su alrededor como planetas.

Pero había un problema, y ​​uno muy grande: contradecía la mecánica clásica.

En el modelo previsto por Rutherford, el electrón liberaría radiación electromagnética mientras orbita alrededor de un núcleo. Esto significa que perdería energía en el proceso, acercándose en espiral al núcleo y colapsando sobre el átomo en picosegundos. Este modelo es un desastre porque sugeriría que todos los átomos son inestables, lo que claramente no es el caso. Fue solo cuando apareció la explicación de Niels Bohr que este modelo pudo encontrar su terreno.

Según Both, el electrón es capaz de girar en ciertas órbitas estables alrededor del núcleo sin irradiar energía alguna, al contrario de lo que sugiere el electromagnetismo clásico. Rutherford y Bohr presentaron juntos su modelo, y aunque nuestra comprensión del átomo ha cambiado varias veces y hemos aprendido mucho más sobre las partículas atómicas y subatómicas, este modelo todavía se usa ampliamente, al menos en círculos no académicos.

¿Por qué molestarse en aprender sobre el modelo Plum Pudding?

Es fácil descartar el modelo Plum Pudding como defectuoso y nunca volver a mirarlo. Pero hay una razón por la cual las clases de física aún presentan este modelo, y no es solo para referencia histórica.

La idea es que si realmente queremos aprender algo, y no solo memorizarlo, ayuda a construir un proceso. Si pasamos por las etapas de cómo los físicos aprendieron por primera vez sobre los átomos, qué teorías tenían y cómo se probaron o refutaron estas teorías, obtenemos una comprensión mucho mejor. Por eso aprendemos sobre el modelo Plum Pudding, porque puede haber valor incluso en ideas desacreditadas.

Tenga la seguridad: a medida que la ciencia y la tecnología progresen, sin duda algunos de los modelos que usamos hoy en día resultarán defectuosos y la gente seguirá aprendiendo sobre ellos.

Todavía estamos aprendiendo cosas nuevas sobre los componentes de los átomos y su estructura, y aprenderemos más en el futuro previsible. La ciencia rara vez se trata de encontrar una verdad última y finita; en cambio, la ciencia se trata de agregar más y más capas de comprensión y construir modelos aproximados. El modelo de Thomson fue una de estas aproximaciones: estaba lejos de ser perfecto, de hecho, fue completamente refutado y, sin embargo, desempeñó un papel importante, ya que allanó el camino para que se hicieran más y mejores descubrimientos.

De esto se trata la ciencia.

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