1. Descubrimiento del electrón

A mediados del siglo XIX, los científicos comenzaron a estudiar las descargas eléctricas a través de tubos parcialmente evacuados (tubos a los que se les había extraído por bombeo casi todo el aire) creado por Willian Crookes en 1895. Un alto voltaje produce radiación dentro del tubo. E. Goldstein llamó a esta radiación rayos catódicos porque se originaba en el electrodo negativo, o cátodo. Aunque los rayos en si son invisibles, su movimiento puede detectarse porque hacen que ciertos materiales, incluido el vidrio, despidan rayos de luz fluorescente.

En ausencia de campos magnéticos o eléctricos los rayos catódicos viajan en línea recta. Sin embargo, los campos magnéticos o eléctricos “doblan” los rayos, es decir, los debían tal como se esperarían que lo hicieran partículas con carga negativa.

Estas observaciones de las propiedades de los rayos catódicos surgieron a los científicos que la radiación consiste en una corriente de partículas con carga negativa, que en 1891 George Stoney bautizó como electrones. Además, se descubrió que los rayos catódicos emitidos por cátodos de diferentes materiales eran iguales. Todas estas observaciones dieron pie a la conclusión de que los electrones son un componente fundamental de la materia.

En 1897 el físico británico J.J. Thomson calculó la relación entre la carga eléctrica y la masa de un electrón empleando un tubo de rayos catódicos. Midiendo de forma cuidadosa y cuantitativa los efectos de campos magnéticos y eléctricos sobre el movimiento de los rayos catódicos, Thomson determinó que la relación es de 1,76 · 100000000 Culombios por gramo.

En este video de youtube enseñan cómo funciona el tubo de rayos catódicos.
http://www.youtube.com/watch?v=1dPv5WKBz9k

2. Descubrimiento de otras partículas subatómicas

En 1886, Eugen Goldstein realizó algunos experimentos con un tubo de rayos catódicos con el cátodo perforado. Observó que, al mismo tiempo que se producían los rayos catódicos, existían otros que atravesaban los orificios del cátodo, produciendo luminiscencia al chocar con las paredes del tubo. Recibieron el nombre de rayos canales y estaban constituidos también por partículas, pero en este caso tenían que ser positivas, pues eran atraídas por el cátodo. La masa dependía del gas que estuviera encerrado en el tubo y esto aclaró que salían del seno del gas y no del electrodo positivo. Al experimentar con hidrógeno se consiguió aislar la partícula elemental positiva o protón, cuya carga es la misma que la del electrón pero positiva y su masa es 1837 veces mayor.

Mediante diversos experimentos se comprobó que la masa de protones y electrones no coincidía con la masa total del átomo; por tanto, el físico E. Rutherford supuso que tenía que haber otro tipo de partícula subatómica en el interior de los átomos.

Estas partículas se descubrieron en 1932 por el físico J. Chadwick. El hecho de no tener carga eléctrica hizo muy difícil su descubrimiento y recibieron el nombre de neutrones.

 

En este enlace puede formar distintos átomos de manera interactiva y sencilla.

http://phet.colorado.edu/sims/html/build-an-atom/latest/build-an-atom_en.html

3. El átomo. Modelos atómicos

Los átomos son la unidad mínima de una sustancia, lo que compone toda la materia común y ordinaria. Si los átomos de una sustancia se dividen, la identidad de esa tal puede destruirse y cada sustancia tiene diferentes cantidades de átomos que la componen. A su vez, un átomo está compuesto de 3 tipos de partículas: los protones, los neutrones y los electrones.

Una vez descubiertos las partículas componentes de los átomos, era preciso explicar su estructura.

1) Modelo atómico de Dalton:

               En 1808 John Dalton formuló el primer modelo atómico con soporte científico. Consideraba a los átomos indivisibles e indestructibles, siendo estos los elementos componentes de la materia y consideraba que los átomos de un mismo elemento eran iguales entre sí, teniendo cualidades y peso propio, diferentes al de otros elementos. Por otro lado, afirmó que los átomos de distintos elementos pueden combinarse entre sí y formar diversos compuestos.

2) Modelo atómico de Tomson:

               En 1904 Tomson formuló una estructura del modelo atómico. Al ser tan pequeña la masa de los electrones, supuso que prácticamente toda la masa del átomo acumulaba la carga positiva y ocupaba todo el volumen atómico. Creyó también que esa masa de carga positiva era fluida y los electrones podían penetrar o incrustarse en ella. Como tienen carga negativa imaginó que estaban adheridos a la masa principal (de carga positiva) y se distribuían en posiciones equidistantes y lo más alejadas posible entre sí. Como curiosidad, el modelo atómico de Thomson se llamó modelo de "budín de pasas", estableciendo una analogía entre el pastel inglés y el átomo. La masa del budín representaría a la masa del átomo cargada positivamente y las pasas incrustadas en el pastel serían los electrones.

3) Modelo atómico de Rutherford:

               En 1911 Ernest Rutherford propuso un experimento que consistía en bombardear con partículas α una lámina de oro de unos 5 000 Å de grosor (2 000 átomos) observando los choques de las partículas que la atravesaban sobre una pantalla situada detrás de ella. Observó que la mayoría de las partículas α atravesaban la lámina con facilidad, algunas se desviaban y otras rebotaban en la lámina. Con este experimento determinó que el átomo está formado por dos partes: núcleo y corteza.
El núcleo es la parte central, de tamaño muy pequeño, donde se encuentra toda la carga positiva y, prácticamente, toda la masa del átomo. Esta carga positiva del núcleo, en la experiencia de la lámina de oro, es la responsable de la desviación de las partículas α (también con carga positiva).
La corteza es casi un espacio vacío, inmenso en relación con las dimensiones del núcleo. Eso explica que la mayor parte de las partículas α atraviesan la lámina de oro sin desviarse. Aquí se encuentran los electrones con masa muy pequeña y carga negativa. Los electrones giran alrededor del núcleo y están ligados al núcleo por la atracción eléctrica entre cargas de signo contrario.

4) Modelo atómico de Bohr:

                En 1913 Niels Bohr unió la idea de átomo nuclear de Rutherford con las ideas de una nueva rama de la Ciencia: la Física Cuántica. El electrón no puede girar en cualquier órbita, sino sólo en un cierto número de órbitas estables. En el modelo de Rutherford se aceptaba un número infinito de órbitas. Cuando el electrón gira en estas órbitas no emite energía. Cuando un átomo estable sufre una interacción, como puede ser el impacto de un electrón o el choque con otro átomo, uno de sus electrones puede pasar a otra órbita estable o ser arrancado del átomo.

4. Isótopos

Tomson en 1912 experimentando con iones del gas Neón, observó que las masas de algunos iones eran diferentes entre sí. Fue F. W. Aston quien en 1920 utilizando el espectrógrafo de masas llegó a verificar que existían átomos de Neón de masa 20 y otros de masa 22, confirmándose así que tenían el mismo número de electrones y protones, unos tenían 10 neutrones y otros, 12. Esto ocurría en muchos más elementos. La masa atómica que aparece en la tabla periódica de un elemento se corresponde a la media de las masas de sus isótopos en relación a la presencia en la naturaleza que tienen cada uno de ellos.

5. Tabla periódica

En 1829 el químico alemán Döbereiner realizo el primer intento de establecer una ordenación en los elementos químicos, haciendo notar en sus trabajos las similitudes entre los elementos cloro, bromo y yodo por un lado y la variación regular de sus propiedades por otro.

Desde 1850 hasta 1865 se descubrieron muchos elementos nuevos y se hicieron notables progresos en la determinación de las masas atómicas, además, se conocieron mejor otras propiedades de los mismos.

En 1864 cuando estos intentos dieron su primer fruto importante, cuando Newlands estableció la ley de las octavas. Habiendo ordenado los elementos conocidos por su peso atómico y después de disponerlos en columnas verticales de siete elementos cada una, observó que en muchos casos coincidían en las filas horizontales elementos con propiedades similares y que presentaban una variación regular.

Esta ordenación, en columnas de siete da su nombre a la ley de las octavas, recordando los periodos musicales. En algunas de las filas horizontales coincidían los elementos cuyas similitudes ya había señalado Döbereiner. El fallo principal que tuvo Newlands fue el considerar que sus columnas verticales (que serían equivalentes a períodos en la tabla actual) debían tener siempre la misma longitud. Esto provocaba la coincidencia en algunas filas horizontales de elementos totalmente dispares y tuvo como consecuencia el que sus trabajos fueran desestimados.

En 1869 el químico alemán Julius Lothar Meyer y el químico ruso Dimitri Ivanovich Mendelyev propusieron la primera “Ley Periódica”.

Utilizando como criterio la valencia de los distintos elementos, además de su peso atómico, Mendelyev presentó su trabajo en forma de tabla en la que los periodos se rellenaban de acuerdo con las valencias (que aumentaban o disminuían de forma armónica dentro de los distintos periodos) de los elementos.

Esta ordenación daba de nuevo lugar a otros grupos de elementos en los que coincidían elementos de propiedades químicas similares y con una variación regular en sus propiedades físicas.

La tabla explicaba las observaciones de Döbereiner, cumplía la ley de las octavas en sus primeros periodos y coincidía con lo predicho en el gráfico de Meyer. Además, observando la existencia de huecos en su tabla, Mendelyev dedujo que debían existir elementos que aun no se habían descubierto y además adelanto las propiedades que debían tener estos elementos de acuerdo con la posición que debían ocupar en la tabla.

Años más tarde, con el descubrimiento del espectrógrafo, el descubrimiento de nuevos elementos se aceleró y aparecieron los que había predicho Mendelyev. Los sucesivos elementos encajaban en esta tabla. Incluso la aparición de los gases nobles encontró un sitio en esta nueva ordenación.

La tabla de Mendelyev fue aceptada universalmente y hoy, excepto por los nuevos descubrimientos relativos a las propiedades nucleares y cuánticas, se usa una tabla muy similar a la que él elaboró más de un siglo atrás.

Los últimos cambios importantes en la tabla periódica son el resultado de los trabajos de Glenn Seaborg a mediados del siglo XX, empezando con su descubrimiento del plutonio en 1940 y, posteriormente, el de los elementos transuránicos del 94 al 102 (Plutonio, Pu; Americio, Am; Curio, Cm; Berkelio, Bk; Californio, Cf; Einstenio, Es; Fermio, Fm; Mendelevio, Md; y Nobelio, No).
Seaborg, premio Nobel de Química en 1951, reconfiguró la tabla periódica poniendo la serie de los actínidos debajo de la serie de los lantánidos.

6. Conclusión

Desde los primeros inicios por conocer la naturaleza de los elementos que componen los materiales hasta ahora, el campo de la física no ha dejado de avanzar, descubriendo nuevas teorías, corrigiendo otras y aprendiendo de experiencias. El aprendizaje de cómo están formados nuestros materiales, sus características y sus propiedades nos ha permitido poder calentar agua sin necesidad de fuego, ver imágenes de astros a millones de años luz de la Tierra o enviar mensajes instantáneamente a personas al otro lado del mundo. El mundo de la física seguirá expandiéndose, ya que el mundo actual, el siglo XXI, está construido sobre la ciencia  y las nuevas tecnologías.
-Ana Sosa

Por lo tanto, ¿es posible pensar que le hombre es el que descubre la ciencia o la ciencia al hombre? A lo largo de la historia el ser humano ha evolucionado gracias a la ciencia, por consiguiente, ¿es posible que la ciencia es la que hace al hombre evolutivo con el suficiente interés para seguir con dicha evolución? Sabemos que hoy en día la ciencia y su importancia se ha extendido por todo el mundo interviniendo en la vida diaria, en facilitar los quehaceres cotidianos. Por tanto, lo único que se puede afirmar es que su desarrollo está íntimamente vinculado a la evolución de la humanidad.
-Olga Herrera

Es, por tanto, la capacidad humana la que ha hecho que tengamos los avances tecnológicos actuales. La capacidad de que una persona se pregunte: "¿Cómo?", "¿Porqué?", "¿Para qué?". La ciencia no tiene límites y el ansia humana de descifrar los secretos del funcionamiento de nuestro entorno y crear nuevos materiales u objetos usando los nuevos conocimientos adquiridos tampoco.

7. Biografías

En orden de aparición en este trabajo.

1) William Crookes: (Londres, 1832 - 1919) Físico y químico inglés. Descubrió el elemento químico talio y fue un incansable e imaginativo inventor. Su tubo de descarga de rayos catódicos formó parte de todos los laboratorios experimentales y permitió descubrir el electrón y el efecto fotoeléctrico.

2) Eugen Goldstein: (Gleiwitz, 1850 - Berlín, 1930) Físico alemán. Colaborador del Observatorio de Berlín y del Instituto de Física Técnica, fue el descubridor de los rayos positivos o canales e introdujo el término «rayos catódicos». Estudió también los espectros atómicos.

3) George Stoney: (Oakley Park, 1826 - Londres, 1911) Físico y matemático irlandés. Se formó en el Trinity College de la capital irlandesa y ejerció la docencia en la Queen's University, de la que fue también secretario. Estudioso de la estructura de la materia, se dedicó a realizar una primera evaluación del número de Avogadro.

4) Joseph John Thomson: (Cheetham Hill, Reino Unido, 1856 - Cambridge, id., 1940) Físico británico. Hijo de un librero, Joseph John Thomson estudió en el Owens College y más tarde en la Universidad de Manchester y en el Trinity College de Cambridge. Se graduó en matemáticas en 1880, ocupó la cátedra Cavendish y, posteriormente, fue nombrado director del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge.

Thomson investigó la naturaleza de los rayos catódicos y demostró que los campos eléctricos podían provocar la desviación de éstos. Llevó a cabo numerosos experimentos sobre su desviación, bajo el efecto combinado de campos eléctricos y magnéticos, buscando la relación existente entre la carga y la masa de las partículas, proporcionalidad que se mantenía constante aun cuando se alterase el material del cátodo.

5) Ernest Rutherford: (Nelson, Nueva Zelanda, 1871-Londres, 1937) Físico y químico británico. Tras licenciarse, en 1893, en Christchurch (Nueva Zelanda), Ernest Rutherford se trasladó a la Universidad de Cambridge (1895) para trabajar como ayudante de J. J. Thomson. En 1898 fue nombrado catedrático de la Universidad McGill de Montreal, en Canadá. A su regreso al Reino Unido (1907) se incorporó a la docencia en la Universidad de Manchester, y en 1919 sucedió al propio Thomson como director del Cavendish Laboratory de la Universidad de Cambridge.

Por sus trabajos en el campo de la física atómica, Ernest Rutherford está considerado como uno de los padres de esta disciplina. Investigó también sobre la detección de las radiaciones electromagnéticas y sobre la ionización del aire producida por los rayos X. Estudió las emisiones radioactivas descubiertas por H. Becquerel, y logró clasificarlas en rayos alfa, beta y gamma.

6) James Chadwick: (Manchester, 1891 - Cambridge, 1974) Físico inglés, premio Nobel de Física en 1935 por el descubrimiento del neutrón. Estudió bajo la tutela de Rutherford en la Universidad de Manchester, donde se licenció en 1911. Viajó a Berlín para ampliar su formación, esta vez bajo la dirección de Geiger. Sus investigaciones se vieron paralizadas a causa de la Primera Guerra Mundial.

En 1919, Chadwick volvió a Cambridge y prosiguió su colaboración con Rutherford, quien había descubierto en 1917 la desintegración atómica artificial al estudiar el átomo de nitrógeno y continuaba trabajando con otros elementos ligeros. Rutherford había teorizado sobre la existencia de nuevos núcleos atómicos, formados en su concepción por protones y electrones.

En 1932, durante el estudio de una radiación detectada por W. Bothe (1891-1957), logró identificar sus componentes como partículas con una masa equivalente a la del protón, pero carentes de carga, descubriendo así la existencia de los neutrones, componentes del núcleo atómico junto con los protones, y que harían posible el descubrimiento de la fisión atómica. Chadwick dio a conocer sus trabajos en la revista Nature; sin embargo, no se ocupó de la función del neutrón en el núcleo atómico, trabajos de los que se hizo cargo, casi de forma inmediata, el físico alemán Werner Heisenberg, y que supusieron el comienzo de la física cuántica.

7) John Dalton: (Eaglesfield, Gran Bretaña, 1766 - Manchester, 1844) Químico y físico británico. Con 12 años, en 1778, comenzó a impartir enseñanza elemental en Cumberland, y a partir de 1780 lo hizo en Kendal durante 12 años más.
En 1792, a la edad de 26 años se trasladó a Manchester, donde impartió matemática y filosofía natural en el New College.
Estudió la enfermedad que padecía, conocida como acromatopsia y posteriormente llamada daltonismo en su honor, y publicó hechos extraordinarios relativos a la Visión de Colores (1794).
En 1801 enunció la ley de las presiones parciales y la de las proporciones múltiples.
En 1808 expuso la teoría atómica en la que se basa la ciencia física moderna. Demuestra que la materia se compone de partículas indivisibles llamadas átomos. También ideó una escala de símbolos químicos, que serán luego reemplazadas por la escala de Berzelius.
En 1826 se le concedió la Medalla de Oro de la Royal Society de Londres, así como de la Academia Francesa de las Ciencias.

8) Niels Bohr: (Niels Henrick David Bohr; Copenhague, 1885 - 1962) Físico danés. Considerado como una de las figuras más deslumbrantes de la Física contemporánea y, por sus aportaciones teóricas y sus trabajos prácticos, como uno de los padres de la bomba atómica, fue galardonado en 1922 con el Premio Nobel de Física, "por su investigación acerca de la estructura de los átomos y la radiación que emana de ellos".

9) Francis William Aston: (Birmingham, 1877 - Londres, 1945) Físico y químico inglés. Formado en las universidades de Birmingham y Cambridge, fue colaborador del laboratorio Cavendish. En 1919 inventó el espectrógrafo de masas, por el que obtendría el premio Nobel de Química de 1922. El espectrógrafo de masas es un dispositivo experimental que permite separar las partículas cargadas en función de su masa. Descubrió así la existencia de un total de 212 isótopos antes desconocidos y la regla que lleva su nombre, que afirma que los elementos atómicos de número impar no pueden tener más de dos isótopos estables.

10) Johann Wolfgang Döbereiner: (Bug, 1780 - Jena, 1849) Químico alemán. Profesor en la Universidad de Jena, estudió los fenómenos de catálisis y realizó algunos intentos de clasificación de los elementos conocidos (tríadas de Döbereiner), agrupándolos por sus afinidades y semejanzas: cloro, bromo y yodo; litio, sodio y potasio; azufre, selenio y teluro.

11) John Alexander Reina Newlands: (Southwark, 1837-Londres, 1898) Químico británico. Precursor en la elaboración del sistema periódico de los elementos, estableció la ley de recurrencia, en virtud de la cual las propiedades químicas de los elementos ordenados según su masa atómica se repiten con cierta periodicidad, ley que demostró para varias series de ocho elementos, conocidas como octavas de Newlands.

12) Julius Lothar Meyer: (Varel, 1830 - Tubinga, 1895) Químico y médico alemán. Profesor de química en Breslau y en el Instituto Politécnico de Karlsruhe, a partir de 1876 desarrolló su labor docente en Tubinga. Dedicado al principio a investigaciones de química fisiológica, estudió las combinaciones del oxígeno y del dióxido de carbono con la sangre. Sus estudios se orientaron luego a la química inorgánica y a la química física, y dieron como fruto un sistema de clasificación periódica de los elementos.

 

13) Dimitri Ivanovich Mendeleyer: (Tobolsk, actual Rusia, 1834-San Peterburgo, 1907) Químico ruso. Su familia, de la que era el menor de diecisiete hermanos, se vio obligada a emigrar de Siberia a Rusia a causa de la ceguera del padre y de la pérdida del negocio familiar a raíz de un incendio. Su origen siberiano le cerró las puertas de las universidades de Moscú y San Petersburgo, por lo que se formó en el Instituto Pedagógico de esta última ciudad.

14) Glenn Seaborg: (Glenn Theodore Seaborg; Ishperming, EE UU, 1912-Redondo Beach, id., 1997) Científico estadounidense que compartió el Premio Nobel de Química en 1951 con Edwin Mattison McMillan. Seaborg estudió en la Universidad de California-Los Ángeles y con posterioridad en la Universidad de Berkeley, donde en 1937 se doctoró en química.