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TEMA 20: Modelo atómico

La página abre el tema con una infografía de seis modelos atómicos históricos:

Fuente de la infografía: https://r9.cl/slmm6

Criterios de evaluación

CE.CN.F.5.21. Argumenta mediante el modelo estándar, que los protones y neutrones no son partículas elementales, analizando las características (masa, carga, espín) de las partículas elementales del átomo, distinguiendo partículas reales: leptones (electrón, neutrino del electrón, muon, neutrino del muón, tau y neutrino del tau), quarks (up, down, charm, strange, bottom y top), hadrones (bariones formados por tres quarks, mesones formados por pares quark-antiquark) y el efecto de las cuatro fuerzas fundamentales (electromagnética, nuclear fuerte y débil), mediante partículas virtuales o "cuantos del campo de fuerza" (gravitones, fotones, gluones y bosones), distinguiendo en estos últimos al bosón de Higgs.

Objetivos

OG.CN.9. Comprender y valorar los saberes ancestrales y la historia del desarrollo científico, tecnológico y cultural, considerando la acción que estos ejercen en la vida personal y social.

Saberes previos

• ¿Qué sabes sobre la estructura básica de la materia y cómo los átomos componen todo lo que nos rodea?
• ¿Cómo te gustaría explorar más el mundo submicroscópico y comprender cómo funcionan los átomos?

Respuestas orientativas a los saberes previos

¿Saberes previos 1? La materia está formada por átomos, unidades diminutas e indivisibles en el nivel químico. Cada átomo tiene un núcleo con protones (carga positiva) y neutrones (carga neutra), rodeado de electrones (carga negativa); por ejemplo, Z = 11 protones en el sodio. Al combinarse, los átomos forman moléculas: 2\,\text{H}_{2} + \text{O}_{2} \rightarrow 2\,\text{H}_{2}\text{O}. Todos los objetos que vemos —el aire, el agua, nuestro cuerpo— están hechos de estos "ladrillos".

¿Saberes previos 2? Para explorar el mundo submicroscópico usamos el razonamiento por modelos: cada modelo atómico es una hipótesis que se contrasta con el experimento. Se puede estudiar desde el modelo de Dalton (esfera maciza) hasta el modelo estándar, donde el protón se compone de tres quarks, por ejemplo, el protón uud con carga +1 en unidades de e. Una ruta posible: historia de los modelos, estructura del núcleo, espectros atómicos y, finalmente, quarks y fuerzas fundamentales.

Puntos clave para el estudio del tema

1. Evolución histórica: Dalton (1803) → Thomson (1897) → Rutherford (1911) → Bohr (1913) → mecánica cuántica / modelo estándar.
2. Dato cuantitativo de Rutherford: el átomo tiene un diámetro de d \approx 10^{-10}\,\text{m}, pero el núcleo apenas r \approx 10^{-15}\,\text{m}; la fracción de volumen es de orden 10^{-12}, es decir, el átomo es casi todo espacio vacío.
3. Criterio CE.CN.F.5.21: protones y neutrones (bariones) no son elementales; están formados por tres quarks, cada uno con espín s = \tfrac{1}{2}\,\hbar y cargas fraccionarias, por ejemplo, q_{u} = +\tfrac{2}{3}\,e y q_{d} = -\tfrac{1}{3}\,e. Así, el protón tiene q = 2\left(+\tfrac{2}{3}\right) + \left(-\tfrac{1}{3}\right) = +1\,e y el neutrón q = \left(+\tfrac{2}{3}\right) + 2\left(-\tfrac{1}{3}\right) = 0.
4. Cuatro fuerzas fundamentales y sus cuantos: electromagnética (fotón), nuclear fuerte (gluón), nuclear débil (W^{\pm}, Z^{0}) y gravitatoria (gravitón, propuesto). El bosón de Higgs da masa a las partículas con carga débil.
5. Regla del modelo estándar: p \rightarrow n + e^{+} + \nu_{e} se interpreta a nivel de quarks como u \rightarrow d + e^{+} + \nu_{e}.

Verificación: la infografía etiqueta la última figura como "BOHR" y la quinta como "CHADWICK"; en el texto impreso aparece la errata "BOH R". La imagen es la fuente de verdad y así se transcribe.