PROBLEMA DE LA DISPOSICIÓN DE LOS ELECTRONES. INFORMACIÓN DE LOS ESPECTROS ATÓMICOS

 

Nos referimos ahora a otra importante dificultad del modelo de Rutherford: No podía explicar los resultados de los estudios sobre los espectros atómicos. Estos resultados ya eran conocidos cuando se formuló el modelo y sugerían que los electrones en el átomo sólo pueden tener unas determinadas cantidades de energía. Este hecho se relaciona con la disposición de los electrones en volumen atómico a la que el modelo de Rutherford no impone ningún tipo de restricción. En principio, los electrones podrían situarse a cualquier distancia del núcleo.
 

Para obtener información empírica sobre la disposición de los electrones en el átomo se puede determinar el trabajo que se necesita para arrancar o extraer cada uno ellos, lo que se llaman energías de ionización (la primera energía de ionización es la mínima energía que hay que suministrar a un átomo neutro, en su estado fundamental, para arrancarle un electrón; la segunda energía de ionización es la energía precisa para sustraer el segundo electrón y así sucesivamente)

 

 

Nos planteamos a modo de hipótesis, como pueden variar estas energías para un átomo determinado a medida que se le van extrayendo electrones. Las gráficas adjuntas, A y B, expresan dos posibles respuestas a esta cuestión. Se basan en suponer a los electrones distribuidos de forma más o menos aleatoria a diferentes distancias del núcleo.

Lógicamente, la primera energía de ionización (corresponde a la extracción del electrón más alejado del núcleo y, por tanto, el menos atraído) tiene que ser la menor, la segunda tiene que ser mayor que la primera, la tercera mayor que la segunda, y así sucesivamente. A medida que se extraen electrones, los que quedan son más atraídos por el núcleo, porque se encuentran más próximos a él, y también porque sufren menos repulsión de los electrones restantes (colocados por debajo de ellos).

Teniendo en cuenta además que, según la ley de Coulomb, la fuerza eléctrica de atracción del núcleo al electrón es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa, se deduce que la hipótesis más razonable es la representada por una gráfica del tipo B.

 

Los estudios de los espectros atómicos permitieron dar una respuesta experimental a esta cuestión. La espectroscopía se había iniciado en el siglo XVII con el experimento del prisma de Newton (1665), en el que comprobó que la luz blanca se descompone en el espectro de colores del arco iris. Y se desarrolló en los siglos XVIII y XIX, cuando el prisma inicial usado para descomponer la luz fue reforzado con rendijas y lentes telescópicas, consiguiendo una herramienta más potente y precisa para examinar luz procedente de distintas fuentes.
 

En 1814, Fraunhofer (1787-1916), utilizó un telescopio y un difractómetro diseñado por él mismo, para investigar por primera vez con detalle las líneas de absorción en el espectro del Sol. Lo hizo siguiendo indicaciones de Wollaston (1776-1828), un físico inglés que había descubierto en él rayas oscuras. Fraunhofer enumeró con exactitud 754 de esas líneas, que desde entonces se denominan líneas de Fraunhofer.espués de Fraunhofer, se concede a Bunsen (1811-1899) y a Kirchhoff (1824-1887) el principal mérito de haber desarrollado en 1959 el espectroscopio para estudiar la luz generada en laboratorio mediante el calentamiento de diferentes fuentes como gases, metales y sales.

 

 

En el espectroscopio original de Bunsen y Kirchhoff, un objetivo [B] conduce luz emitida por la llama del mechero "Bunsen" hasta un prisma [A], que produce la separación de los diversos colores. Un brazo [H], situado después del prisma, contiene una escala graduada sobre vidrio, colocada de forma que su imagen se refleja sobre una de las caras del prisma y se dirige hacia otro objetivo [C].

Gracias a este diseño, el observador puede contemplar a través del objetivo [C] dos imágenes superpuestas: la de la escala graduada y la procedente de la muestra con las líneas espectrales. Para analizar dichas líneas se calibra el instrumento mediante líneas producidas por algunas sustancias cuyo espectro es conocido.

A la izquierda: Espectroscopio inicial diseñado por Bunsen y Kirchhoff
 

Como resultado de sus experimentos, Kirchhoff planteó tres leyes empíricas que describen la emisión de luz por objetos incandescentes. Estas leyes ponen de manifiesto que cada átomo produce un espectro de emisión y otro de absorción, que son característicos y discontinuos. La discontinuidad de las rayas implica una discontinuidad de las energías que cada átomo emitir y absorber. Dichas cantidades de energía se emiten o absorben cuando alguno de los electrones aumenta o disminuye su energía cinética y potencial. El conocimiento del espectro permite deducir las energías de ionización del átomo.
 

Para dejar una huella permanente de un espectro, la luz que ha sido descompuesta por el prisma se hace incidir sobre una placa fotográfica, donde quedan impresionadas las rayas. La colocación de cada raya indica su frecuencia, mientras que su intensidad se determina por el grado de ennegrecimiento de la placa.
 

 

A la izquierda se muestra el espectro de emisión del sodio. Su línea principal (amarilla) fue observada por Kirchhoff y Bunsen en el análisis de la luz emitida por un incendio lejano (se quemaba una fábrica de salazones).

 

Al comprobar que era similar a la línea emitida en el laboratorio por sodio incandescente, concibieron la idea de utilizar el análisis espectral de la luz procedente del Sol para deducir la composición solar.

 
 E.I. (J·10-19) 8 75 115 158 222 276 333 423 480 2 341 2 648
Electrón extraído 1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º 10º 11º
 

Ya hemos dicho que de los datos del espectro se pueden deducir las energías de ionización. En el caso del sodio, estas energías tienen los valores que se indican en la tabla adjunta.

 

Tras analizar estas energías y representarlas gráficamente se observa que sus valores no se corresponden con una disposición aleatoria de los electrones a diferentes distancias del núcleo.
 

Energías de ionización y representación de las capas electrónicas del sodio

 

En lugar de ello, sugieren una disposición de los electrones alrededor del núcleo formando 3 "capas".

Dos electrones (el 10º y el 11º) estarían "en una capa muy interna" siendo necesario para extraerlos del átomo aplicar comparativamente una enorme energía. Otros 8 electrones (del 2º al 9º) estarían en una segunda capa.

Debido al orden de magnitud empleado en la representación no se observa bien en la gráfica, pero los valores de las energías de ionización también indican que el electrón más externo (el 1º) estaría él sólo en una tercera capa, puesto que se necesita casi 10 veces menos energía para extraerlo que para hacerlo con el siguiente.

 

Los espectros de otros átomos producen resultados similares, en el sentido de indicar que a todos les es aplicable la idea de distribución de los electrones en capas. Se constata además que cada capa o nivel de energía puede tener un determinado número máximo de electrones (2 la capa más interna, 8, la segunda, otros 8 la tercera,..) y que en su estado fundamental o de mínima energía, los electrones de cada átomo ocupan las capas electrónicas o niveles de energía accesibles en orden creciente.

 

Debajo de este párrafo (totalmente a la derecha) puede verse un gif tomado de una animación muy interesante de la página web Educaplus, obra del profesor Jesús Peñas. Como vemos en ese pequeño clip de video, dicha animación permite al usuario elegir cualquier elemento de la tabla periódica y nos muestra entonces sus respectivos espectros de emisión y absorción. Aconsejamos visitar esta excelente página web y usar en el aula, en particular, esta animación (disponible aquí).
 

Es muy conveniente  que además los alumnos observen directamente algunos espectros atómicos, dado que actualmente la mayoría de los laboratorios escolares disponen de electroscopios Bunsen (como el que muestra la fotografía superior) y de tubos de descarga de diferentes gases elementales, pudiéndose así ver los espectros de tales elementos, cuando a esos gases se les somete a una descarga eléctrica. En caso de que no se disponga de electroscopio, vale la pena construirlo, pues es bastante sencillo y muy instructivo, como mostró en 2008 el profesor Francisco Savall (sus alumnos construyeron el modelo que muestra la fotografía de en medio) y, más recientemente, en 2022, el profesor Andrés García-Verdugo (sus alumnos lo construyen usando el recortable, disponible en Internet, que muestra la fotografía inferior).

 

 

 

 

El espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construcción y uso de modelos de emisión y absorción de radiación en física cuántica (Artículo de F. Savall-Alemany, J.L. Domenech y J. Martínez Torregrosa, 2014)

Espectroscopía fácil en el laboratorio de bachillerato (Artículo de Andrés García-Verdugo, 2022)
 
 
 
 
 

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