Capítulo 6. Teorías de partículas del siglo XIX

 

6.1 El descubrimiento de elementos

 

Mientras algunos trabajaban para comprender la naturaleza ondulatoria de la luz, otros exploraban la materia, algo que, al principio, parecía actuar exactamente como los átomos de Demócrito (discutido en Capítulo 1 ). El filósofo natural británico Henry Cavendish descubrió el hidrógeno en 1766, ^[1] y se descubrieron muchos más elementos poco después de esto.

 

En 1778, el químico sueco Carl Scheele y el químico francés Antoine Lavoisier mostraron de forma independiente que el aire está compuesto principalmente de nitrógeno y oxígeno, y en tres años, el filósofo natural británico Joseph Priestley creó agua al encender hidrógeno y oxígeno. ^[2]

 

El químico británico John Dalton declaró que la materia está compuesta de átomos a principios del siglo XIX. Aunque no pudo probar que los átomos existen, predijo que cada elemento está hecho de átomos de tamaños y masas idénticos y que los átomos pueden combinarse para formar moléculas. ^[3]

 

 

 

6.1.1 Tablas periódicas

 

Las primeras tablas periódicas se produjeron en el siglo XIX. El químico alemán Julius Lothar Meyer, como muchos otros, notó que si los elementos están dispuestos en orden de masa, entonces se agrupan en grupos que comparten propiedades similares. También notó que estas propiedades parecen variar periódicamente.

 

En 1864, Meyer publicó una tabla periódica que contenía 28 elementos clasificados en seis grupos, que actualizó en 1870. Los elementos se ordenaron verticalmente en términos de peso atómico, con propiedades representadas por la fila en la que estaba el elemento. ^[4] En 1869, el químico ruso Dmitri Mendeleev publicó independientemente su propia tabla periódica, que era similar a la de Meyer. Sin embargo, la tabla de Mendeleev fue diferente porque dejó huecos para los elementos sin descubrir y cambió algunos de los pesos atómicos, dando un orden ligeramente diferente. ^[5]

 

Los elementos que Mendeleev había predicho se descubrieron pronto, y se demostró que había predicho correctamente varias de sus propiedades, incluida su densidad, punto de fusión y peso atómico. ^[6] Estas tablas se rotaron más tarde 90 °, como la tabla periódica que usamos hoy. La naturaleza periódica de los elementos fue explicada por el físico danés Niels Bohr y el químico británico Charles Bury en el siglo XX (discutido en Capítulo 10 ).

 

 

 

6.2 Iones positivos y negativos

 

En 1834, Michael Faraday acuñó el término iónico para describir el asunto dentro de una solución, como el agua salada de Volta (discutida en Capítulo 5 ), que viaja de un conductor eléctrico a otro. Faraday disolvió el metal y lo colocó en un tanque en un extremo, al lado de un conductor con carga positiva. Más tarde descubrió que había aparecido un nuevo metal al otro lado, junto al conductor negativo.

 

Los experimentos mostraron que algunas sustancias solo se movían desde el conductor negativo, conocido como el cátodo, hacia el conductor positivo, el ánodo, y algunas solo viajaban hacia el otro lado. Los primeros fueron nombrados aniones y los últimos cationes. ^[7]

 

El físico sueco Svante August Arrhenius elaboró ​​la idea de Faraday en 1884. Arrhenius demostró que cuando la sal, que está compuesta de cloruro de sodio (NaCl), se disuelve en agua, se rompe en iones de cloro cargados negativamente (Cl-) y positivamente iones de sodio cargados (Na +). ^[8]

 

 

6.2.1 Tubos Geissler

 

En 1838, Faraday pasó una corriente eléctrica a través de un tubo de vidrio que había absorbido la mayor parte de su aire. Se dio cuenta de que esto producía una luz que comenzaba en el cátodo y terminaba en el ánodo. ^[9]

 

En 1857, el fabricante de instrumentos alemán Heinrich Geißler mejoró la idea de Faraday cuando inventó una forma de bombear aún más aire del tubo. Cuando hizo esto, Geißler descubrió que la luz llenaba todo el tubo. Bombeó diferentes gases en el tubo y descubrió que producían luces de diferentes colores. ^[10] Esta idea se comercializó en 1910 cuando se usaron tubos Geissler para hacer letreros de neón. ^[11] El químico británico William Crookes desarrolló la idea de Geißler en la década de 1870, creando tubos Crookes, que se mejoraron en el siglo XX con tubos de rayos catódicos, lo que condujo a primeras televisiones en la década de 1930. ^[11]

 

 

6.2.2 El descubrimiento del electrón

 

Cuando se hizo el descubrimiento de Geißler, nadie sabía qué transportaba las corrientes eléctricas o de qué se trataba la corriente que hacía brillar el gas. No fue hasta 1897 que el físico británico Joseph John “J.J.” Thomson determinó la relación de masa a carga de las partículas que parecen transportar la corriente eléctrica. Thomson determinó que son más de 1000 veces más pequeños que el átomo más pequeño. También descubrió que todos tienen la misma masa, independientemente de qué gas se bombee al tubo. ^[12] Thomson había descubierto la primera partícula elemental, el electrón.

 

Más tarde se entendió que los electrones viajaban desde el cátodo hacia el ánodo. Cuando había menos gas en el tubo, los electrones podían viajar más rápido y a veces chocaban contra la pared del tubo, emitiendo fotones – “partículas” de luz (discutido en Capítulo 8 ). Las moléculas de gas absorben los fotones y emiten electrones. Luego los reabsorben rápidamente, emitiendo otro fotón, generalmente con una energía más baja. Esto se conoce como fluorescencia (discutido en Capítulo 10 ), y su efecto parece ser más dramático cuando las moléculas de gas absorben fotones ultravioleta y emiten fotones visibles. ^[13]

 

El papel de los electrones dentro de los átomos se explicó después del desarrollo de la teoría del átomo de Niels Bohr en 1913 (discutido en Capítulo 10 ).

 

6.3 Radiación

 

En 1896, el físico francés Antoine Henri Becquerel realizó experimentos para ver si los rayos X, que se descubrieron hace menos de tres meses (discutido en Capítulo 5 ), se produjeron a partir de elementos fluorescentes naturales, como uranio. Becquerel dejó algunas sales de uranio en un sorteo con una placa fotográfica y luego descubrió que la placa estaba cubierta de niebla. Esto significaba que el uranio debía haber emitido algún tipo de radiación. ^[14]

 

 

La estudiante de doctorado de Becquerel, la física y química polaca-francesa Marie Skłodowska-Curie estudió la radiación de uranio con un dispositivo conocido como electrómetro piezoeléctrico. Este es un dispositivo para medir cambios muy pequeños en la carga eléctrica que habían sido inventados por su esposo, el físico francés Pierre Curie, y su hermano Jacques. El electrómetro mostró que los rayos de uranio hacen que el aire alrededor de una muestra conduzca electricidad y que el nivel de conductividad depende de la masa de la muestra, independientemente de la temperatura, o si es sólida o líquida. ^[15] Skłodowska-Curie sugirió que estos rayos podrían provenir del interior de los átomos de uranio, desafiando la idea de que los átomos son indivisibles.

 

Skłodowska-Curie extrajo sales de uranio de dos tipos de mineral: pitchblende y torbernita. Ella descubrió que ambos eran más radiactivos de lo que deberían ser si la única sustancia radiactiva que contenían era uranio y que el pitchblende era el más radiactivo. Skłodowska-Curie comenzó a buscar otros elementos radiactivos dentro del mineral.

 

Skłodowska-Curie descubrió que el torio también es radiactivo en abril de 1898, ^[16] sin saber que el químico alemán Gerhard Schmidt había hecho el mismo descubrimiento dos años antes. Ese año, Pierre detuvo su propia investigación y comenzó a trabajar en el proyecto de Skłodowska-Curie.

 

Después de haber sido derrotados por el descubrimiento de la radioactividad del torio, los Curies se apresuraron a aislar los otros elementos en las sales de uranio, moliendo el mineral con mortero y mortero. Para julio de ese año, habían descubierto el elemento polonio, llamado así por la tierra natal de Skłodowska-Curie en Polonia, que no existía como un país independiente en ese momento. En diciembre de 1898, habían descubierto el radio, llamado así por la cantidad de radiación que producía, donde el radio es la palabra latina para “rayo”. Los Curies acuñaron el término “radioactividad” durante este tiempo. ^[17]

 

Los Curies descubrieron que las sustancias radiactivas desaparecen con el tiempo. El tiempo que tarda una sustancia radiactiva en reducirse a la mitad de su masa se conoce como vida media. ^[18]

 

 

Aquí, N ₀ es la cantidad inicial de la sustancia radiactiva, N _t es lo que queda después del tiempo t y t _1/2 es la vida media de la sustancia.

 

Para 1902, los Curies se habían molido y se habían separado sobre una tonelada de mineral de pitchblende para aislar 0.1 gramos de cloruro de radio. Curie no pudo aislar el radio puro hasta 1910 y nunca pudo aislar el polonio debido a su corta vida media.

 

 

6.3.1 Rayos alfa, beta y gamma

 

En 1899, el físico neozelandés Ernest Rutherford descubrió que el uranio emite dos tipos de radiación, que denominó rayos alfa y rayos beta. ^[19] El químico francés Paul Villard descubrió un tercer tipo de radiación en 1900, ^[20] que Rutherford nombró rayos gamma. ^[21] Esta fue la radiación que había empañado las placas fotográficas de Becquerel.

 

Becquerel identificó los rayos beta como electrones midiendo su relación de masa a carga en 1900. ^[22] La emisión de radiación beta fue finalmente explicada por la teoría electrodébil, que fue desarrollado en la década de 1960 para describir la débil fuerza nuclear (discutido en Capítulo 24 ).

 

Los rayos alfa seguían siendo un misterio, aunque tanto Rutherford como los Curies predijeron que eran algún tipo de partícula cargada. En 1907, Rutherford demostró que los rayos alfa son en realidad átomos de helio que carecen de electrones, lo que los convierte en iones con carga positiva. ^[23] La emisión de radiación alfa se explicó más tarde por el principio de incertidumbre de Heisenberg (discutido en Capítulo 16 ), después del desarrollo de la física nuclear ( discutido en Capítulo 14 ) y la mecánica cuántica (discutido en Capítulo 15 ) en la década de 1920.

 

El físico británico William Henry Bragg demostró que los rayos gamma son parte del espectro electromagnético en 1910. ^[24] En 1914, Rutherford y el físico británico Edward Andrade demostró que los rayos gamma son un poco más enérgicos que los rayos X. ^[25] La emisión de radiación gamma finalmente se explicó utilizando física nuclear después de que Albert Einstein publicó su teoría de la relatividad especial en 1905 (discutida en el Libro I).

 

El hecho de que los átomos puedan emitir radiación significa que no son indivisibles. La estructura de los átomos fue explicada por el modelo de Bohr-Sommerfeld, desarrollado por Niels Bohr y el físico alemán Arnold Sommerfeld después de 1913 (discutido en Capítulo 10 y Capítulo 11 ).