1.1: Introducción

La comprensión y predicción de las propiedades de la materia a nivel atómico representa uno de los grandes logros de la ciencia del siglo XX. La teoría desarrollada para describir el comportamiento de electrones, átomos y moléculas difiere radicalmente de la física newtoniana familiar, la física que gobierna los movimientos de los cuerpos macroscópicos y los eventos físicos de nuestras experiencias cotidianas. El descubrimiento y formulación de los conceptos fundamentales de la física atómica en el período 1901 a 1926 por hombres como Planck, Einstein, de Broglie y Heisenberg provocó lo que sólo puede describirse como una revolución en los conceptos básicos entonces aceptados de la física.

La nueva teoría se llama teoría cuántica o mecánica cuántica. Por lo que ahora sabemos esta teoría es capaz de dar cuenta de todos los comportamientos observables de la materia y, con extensiones adecuadas, de la interacción de la materia con la luz. La formulación adecuada de la mecánica cuántica y su aplicación a un problema específico requiere un marco matemático bastante elaborado, al igual que las declaraciones y aplicaciones adecuadas de la física newtoniana. Podemos, sin embargo, en este relato introductorio familiarizarnos con los experimentos críticos que llevaron a la formulación de la mecánica cuántica y aplicar los conceptos básicos de esta nueva mecánica al estudio de los electrones.

Específicamente el problema que nos planteamos es descubrir las leyes físicas que rigen el comportamiento de los electrones y luego aplicarlas para determinar cómo se disponen los electrones cuando se unen a núcleos para formar átomos y moléculas. Esta disposición de electrones se denomina la estructura electrónica del átomo o molécula. Además, discutiremos la relación entre la estructura electrónica de un átomo y sus propiedades físicas, y cómo se cambia la estructura electrónica durante una reacción química.

El modelo nuclear de Rutherford para el átomo preparó el escenario para la comprensión de la estructura de los átomos y las fuerzas que los mantienen unidos.

De los experimentos de dispersión alfa de Rutherford quedó claro que el átomo consistía en un núcleo cargado positivamente con electrones cargados negativamente dispuestos de alguna manera a su alrededor, ocupando los electrones un volumen de espacio muchas veces mayor que el ocupado por el núcleo. (Los diámetros de los núcleos caen en el rango de l '10-12® 1' 10-13 cm, mientras que el diámetro de un átomo es típicamente del orden de magnitud de 1 '10-8 cm.) Las fuerzas responsables de unir el átomo, y de hecho toda la materia (aparte de los núcleos mismos), son de origen electrostático: el núcleo cargado positivamente atrae a los electrones cargados negativamente. Hay fuerzas magnéticas asociadas que surgen de los movimientos de las partículas cargadas. Estas fuerzas magnéticas dan lugar a muchos fenómenos físicos importantes, pero son de menor magnitud que las fuerzas electrostáticas y no son responsables de la unión que se encuentra en la materia.

Durante una reacción química solo se cambia el número y disposición de los electrones, permaneciendo inalterado el núcleo. La carga inmutable del núcleo atómico es responsable de retener la identidad química del átomo a través de cualquier reacción química. Así, con el propósito de comprender las propiedades químicas y el comportamiento de los átomos, el núcleo puede considerarse simplemente como una carga puntual de magnitud constante para un elemento dado, dando lugar a un campo central de fuerza que une los electrones al átomo.

Rutherford propuso su modelo nuclear del átomo en 1911, unos quince años antes de la formulación de la mecánica cuántica. En consecuencia, su modelo, cuando se propuso por primera vez, planteaba un dilema para la física clásica. El modelo nuclear, basado como estaba en observaciones experimentales, tenía que ser esencialmente correcto, sin embargo, todos los intentos de dar cuenta de la estabilidad de dicho sistema utilizando la mecánica newtoniana terminaron en fracaso.

Según la mecánica newtoniana deberíamos poder obtener una solución completa al problema de la estructura electrónica de los átomos una vez que se conozca la naturaleza de la fuerza entre el núcleo y el electrón. La fuerza electrostática operativa en el átomo es bien entendida y es descrita por la ley de Coulomb, que establece que la fuerza entre dos partículas con cargas\(e_1\) y\(e_2\) separadas por una distancia\(R\) viene dada por:

\[F \propto \dfrac{e_1e_2}{R^2}\]

Existe un teorema de electrostática que establece que ninguna disposición estacionaria de partículas cargadas puede estar nunca en equilibrio electrostático, es decir, ser estable a cualquier cambio adicional en su posición. Esto significa que todas las partículas de una colección de especies con carga positiva y negativa siempre tendrán fuerzas resultantes de atracción o repulsión actuando sobre ellas sin importar cómo estén dispuestas en el espacio. Por lo tanto, no es posible ningún modelo del átomo que invoque alguna disposición estacionaria de los electrones alrededor del núcleo. Los electrones deben estar en movimiento si se quiere preservar la estabilidad electrostática. Sin embargo, un electrón que se mueve en el campo de un núcleo experimenta una fuerza y, según la segunda ley del movimiento de Newton, se aceleraría. Las leyes de la electrodinámica establecen que una partícula cargada acelerada debe emitir luz y así perder energía continuamente. En este modelo dinámico del átomo, todos los electrones entrarían en espiral en el núcleo con la emisión de luz y toda la materia colapsaría a un volumen mucho menor, el volumen ocupado por los núcleos.

Nadie pudo idear un modelo teórico basado en Newtonian, o lo que ahora se llama mecánica clásica, que explicaría la estabilidad electrostática de los átomos. La conclusión ineludible fue que las ecuaciones clásicas de movimiento no se aplicaron al electrón. En efecto, a principios del siglo XX se encontró que una serie de fenómenos físicos relacionados con la luz y con eventos a nivel atómico eran inexplicables en términos de mecánica clásica. Se hizo cada vez más claro que la mecánica newtoniana, al tiempo que predecía con precisión los movimientos de masas que iban en tamaño desde estrellas hasta partículas microscópicas, no podía predecir el comportamiento de partículas de las masas extremadamente pequeñas que se encuentran en el dominio atómico. Se indicó la necesidad de un nuevo conjunto de leyes.

Colaboradores y Atribuciones

• Dr. Richard F.W. Bader  (Professor of Chemistry / McMaster University)