Modelo atómico de Thomson

Quién fue J.J. Thomson

Joseph John Thomson (1856-1940), conocido como J.J. Thomson, fue un físico británico que revolucionó la física atómica a finales del siglo XIX. Dirigió el famoso Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge entre 1884 y 1919, formando a varios futuros premios Nobel: Ernest Rutherford (su sucesor), Charles Glover Barkla, Francis William Aston, Owen Richardson y siete más. Su propio hijo, George Paget Thomson, también recibió el Nobel (de Física, en 1937, por demostrar la naturaleza ondulatoria del electrón).

Thomson recibió el Premio Nobel de Física en 1906 por sus investigaciones sobre la conducción eléctrica en gases que llevaron al descubrimiento del electrón.

Curiosidad: su descubrimiento del electrón fue tan revolucionario que, según se cuenta, durante la cena que celebró el hallazgo, levantó su copa diciendo «¡Por el electrón… que nadie le encuentre nunca utilidad!». Hoy toda la electrónica moderna depende del electrón.

Antecedentes: los tubos de rayos catódicos

Antes de Thomson, la física experimental ya estaba intrigada por los rayos catódicos: haces de partículas (o radiación, no se sabía) emitidos por el cátodo en tubos de vidrio al vacío sometidos a alto voltaje.

Existían dos hipótesis enfrentadas:

• Tesis germana (Goldstein, Hertz): los rayos catódicos son una forma de radiación electromagnética, similar a la luz UV.
• Tesis británica (Crookes, Schuster): los rayos catódicos son partículas materiales con carga.

Thomson, con sus experimentos sistemáticos, zanjó el debate a favor de la segunda hipótesis.

El descubrimiento del electrón (1897)

Thomson diseñó un tubo de rayos catódicos con dos placas paralelas (para aplicar un campo eléctrico) y un imán externo (para aplicar un campo magnético). Aplicando uno u otro, o ambos a la vez, podía:

1. Determinar el signo de la carga: las desviaciones del haz mostraban que los rayos llevan carga negativa.
2. Medir la relación carga/masa (e/m): tras ajustar los campos para que el haz no se desviara, calculó la velocidad y, a partir de ahí, la relación carga/masa.

El resultado fue impactante: la relación carga/masa de los rayos catódicos era ~1.836 veces mayor que la del átomo de hidrógeno (el más ligero conocido). Esto implicaba dos posibilidades:

• O los rayos tenían carga 1.836 veces mayor que la del hidrógeno (improbable).
• O los rayos tenían masa 1.836 veces menor que el átomo de hidrógeno (que es lo que era).

Thomson concluyó que existía una partícula subatómica más pequeña que el átomo. La llamó «corpúsculo» y, años después, el nombre electrón (propuesto por George Johnstone Stoney en 1891) se generalizó.

Importante: Thomson midió la relación e/m, no la carga ni la masa por separado. Robert Millikan completó el dato con su famoso experimento de la gota de aceite (1909-1913), midiendo la carga elemental e = −1,602 × 10⁻¹⁹ C. De ahí se dedujo la masa del electrón: 9,109 × 10⁻³¹ kg.

El modelo del pudín de pasas (1904)

Con el electrón descubierto, Thomson se enfrentó a un problema lógico: si los átomos contienen electrones (con carga negativa) y son neutros, debe haber carga positiva en algún sitio para compensar.

Su propuesta, publicada en 1904, fue el modelo del pudín de pasas (plum pudding model):

• El átomo es una esfera de carga positiva difusa, como el pudín.
• Los electrones están embebidos en esa esfera, como las pasas en el pudín.
• El número de electrones es exactamente el que compensa la carga positiva total, haciendo al átomo neutro.

La metáfora del pudín era tan vívida que el modelo se conoce universalmente por ese nombre.

Postulados del modelo de Thomson

Resumidos, son cinco:

1. El átomo es divisible: contiene partículas más pequeñas (electrones).
2. El átomo está formado por una esfera de carga positiva difusa que ocupa todo el volumen.
3. Los electrones (con carga negativa) están embebidos en esa esfera.
4. El número de electrones equilibra la carga positiva total, manteniendo neutralidad del átomo.
5. Los electrones pueden vibrar en su posición, lo que explicaría la emisión de luz por átomos excitados.

Aciertos del modelo

A pesar de ser una analogía simple, el modelo de Thomson tuvo méritos importantes:

• Reconoce la divisibilidad del átomo: rompe con el postulado «indivisible» de Dalton.
• Identifica al electrón: la primera partícula subatómica descubierta.
• Explica la electricidad estática y la conducción: si los átomos contienen electrones, se entiende cómo se generan y mueven cargas.
• Mantiene la neutralidad del átomo: con un mecanismo concreto.
• Es coherente con el electromagnetismo clásico: las cargas vibrantes pueden emitir radiación, idea correcta cualitativamente.

Limitaciones del modelo

El modelo de Thomson fue rápidamente refutado, en menos de 10 años, por experimentos cruciales:

1. El experimento de la lámina de oro (Rutherford, 1909-1911)

Hans Geiger y Ernest Marsden, bajo la dirección de Rutherford, bombardearon una lámina fina de oro con partículas alfa. Si el átomo fuera como un pudín, las partículas deberían atravesar sin grandes desviaciones. Pero observaron que algunas (1 entre 8.000) rebotaban en ángulos grandes, incluso hacia atrás. Esto solo se explicaba si la carga positiva estaba concentrada en un núcleo central, no difusa. El modelo del pudín de pasas quedó refutado.

2. No explicaba los espectros atómicos

Las líneas espectrales emitidas por los gases excitados (descubiertas a lo largo del siglo XIX) eran discretas, no continuas. Un modelo de carga positiva difusa con electrones vibrando no podía predecir esas líneas con precisión.

3. No predijo la existencia del núcleo

El modelo no anticipaba protones ni neutrones. Estos se descubrieron después: protón por el propio Rutherford (1919), neutrón por Chadwick (1932).

4. Suponía electrones equivalentes

Thomson trataba todos los electrones del mismo modo, sin distinguir niveles de energía. Bohr (1913) demostró que los electrones ocupan niveles cuantizados.

El legado del modelo de Thomson

Aunque fue superado en 14 años (1897-1911), el modelo de Thomson tiene un lugar irrenunciable en la historia de la ciencia:

• Identificó la primera partícula subatómica, abriendo la era de la física de partículas.
• Inauguró el atomismo experimental moderno: a partir de Thomson, los modelos atómicos se construyen a partir de datos empíricos, no de especulación.
• Formó a Rutherford, su sucesor en el Cavendish, que llevó la idea al siguiente nivel.
• Demostró que las leyes ponderales de Dalton son compatibles con la divisibilidad atómica: los átomos contienen partículas más pequeñas, pero siguen siendo las unidades químicas relevantes.

Comparación con modelos cercanos

Errores frecuentes al estudiar el modelo de Thomson

• Confundir el modelo con el «sistema solar»: el sistema solar es el modelo de Rutherford (1911). El de Thomson es estático, sin órbitas.
• Pensar que Thomson descubrió el protón: el protón lo descubrió Rutherford en 1919, casi 25 años después. Thomson solo identificó el electrón.
• Atribuir a Thomson el modelo del «pudín de pasas» sin entender que es solo una analogía pedagógica: el modelo real es matemático, basado en electromagnetismo clásico.
• Olvidar que Thomson fue maestro de Rutherford: la sucesión en el Cavendish es uno de los grandes linajes científicos de la historia.

Importancia para la física actual

El descubrimiento del electrón por Thomson fue el inicio de la física de partículas. Hoy sabemos que existen muchas más partículas elementales: quarks, neutrinos, fotones, gluones, bosón de Higgs, etc. Pero el electrón sigue siendo la partícula más estudiada y aprovechada tecnológicamente: toda la electrónica, los chips, los LEDs, los rayos X, los microscopios electrónicos y la radioterapia dependen del control de electrones.

Sin Thomson, no habría electricidad moderna, ni computadoras, ni telecomunicaciones. Y todo empezó con un tubo de vidrio y unos rayos catódicos misteriosos a finales del siglo XIX.