El modelo del pudín de ciruelas es uno de varios modelos científicos históricos del átomo . Propuesto por primera vez por JJ Thomson en 1904 [1] poco después del descubrimiento del electrón , pero antes del descubrimiento del núcleo atómico , el modelo intentaba dar cuenta de dos propiedades de los átomos entonces conocidas: que los electrones son partículas subatómicas cargadas negativamente y que los átomos no tienen carga eléctrica neta. El modelo del pudín de ciruelas tiene electrones rodeados por un volumen de carga positiva, como "ciruelas" cargadas negativamente incrustadas en un " pudín " cargado positivamente.
Se sabía desde hacía muchos años que los átomos contienen partículas subatómicas cargadas negativamente. Thomson los llamó "corpúsculos" ( partículas ), pero más comúnmente se les llamaba "electrones", el nombre que GJ Stoney había acuñado para la " unidad fundamental de electricidad " en 1891. [2] También se sabía desde hacía muchos años que Los átomos no tienen carga eléctrica neta. Thomson sostuvo que los átomos también deben contener alguna carga positiva que anule la carga negativa de sus electrones. [3] [4] Thomson publicó su modelo propuesto en la edición de marzo de 1904 de Philosophical Magazine , la principal revista científica británica de la época. En opinión de Thomson:
... los átomos de los elementos constan de una serie de corpúsculos electrificados negativamente encerrados en una esfera de electrificación positiva uniforme, ... [5]
El modelo de Thomson fue el primero en asignar una estructura interna específica a un átomo, aunque su descripción original no incluía fórmulas matemáticas. [6] [7] Había seguido el trabajo de William Thomson (más tarde Lord Kelvin), quien había escrito un artículo proponiendo un átomo de vórtice en 1867, [8] JJ Thomson abandonó su hipótesis del "átomo nebular" de 1890, basada en la teoría del vórtice . del átomo , en el que los átomos estaban compuestos de vórtices inmateriales y sugería que había similitudes entre la disposición de los vórtices y la regularidad periódica encontrada entre los elementos químicos. [9] Thomson basó su modelo atómico en evidencia experimental conocida de la época y, de hecho, siguió el ejemplo de Lord Kelvin nuevamente, ya que Kelvin había propuesto un átomo de esfera positiva un año antes. [10] [11] La propuesta de Thomson, basada en el modelo de Kelvin de una carga de volumen positiva, sirvió para guiar experimentos futuros.
El principal objetivo del modelo de Thomson después de su publicación inicial fue dar cuenta del estado eléctricamente neutro y químicamente variado del átomo. [5] Las órbitas de los electrones eran estables bajo la mecánica clásica. Cuando un electrón se aleja del centro de la esfera cargada positivamente, está sujeto a una fuerza neta positiva hacia adentro debido a la presencia de más carga positiva dentro de su órbita (ver ley de Gauss ). Los electrones tenían libertad para girar en anillos que se estabilizaban aún más mediante interacciones entre los electrones, y las mediciones espectroscópicas debían tener en cuenta las diferencias de energía asociadas con diferentes anillos de electrones. En cuanto a las propiedades de la materia, Thomson creía que surgían de efectos eléctricos. Además, enfatizó la necesidad de una teoría que ayude a representar los aspectos físicos y químicos de un átomo utilizando la teoría de los corpúsculos y la carga positiva . [12] Thomson intentó sin éxito remodelar su modelo para dar cuenta de algunas de las principales líneas espectrales conocidas experimentalmente para varios elementos. [13] Después del descubrimiento científico de la radiactividad, Thomson decidió abordarla en su modelo afirmando:
... debemos afrontar el problema de la constitución del átomo, y ver si podemos imaginar un modelo que tenga la potencialidad de explicar las notables propiedades que muestran las sustancias radiactivas... [14]
El modelo de Thomson cambió en el transcurso de su publicación inicial, convirtiéndose finalmente en un modelo con mucha más movilidad que contiene electrones que giran en el denso campo de carga positiva en lugar de una estructura estática. A pesar de esto, el apodo coloquial de "pudín de ciruela" pronto se atribuyó al modelo de Thomson, ya que la distribución de electrones dentro de su región del espacio cargada positivamente recordaba a muchos científicos las pasas , entonces llamadas "ciruelas", en el postre inglés común, pudín de ciruela . [15]
En 1909, Hans Geiger y Ernest Marsden realizaron experimentos en los que se disparaban partículas alfa a través de finas láminas de oro . Su profesor, Ernest Rutherford, esperaba encontrar resultados consistentes con el modelo atómico de Thomson. Sin embargo, cuando los resultados se publicaron en 1911, implicaban la presencia de un núcleo muy pequeño de carga positiva en el centro de cada átomo de oro. [16] Esto llevó al desarrollo del modelo del átomo de Rutherford . [17] Inmediatamente después de que Rutherford publicara sus resultados, Antonius van den Broek hizo la propuesta intuitiva de que el número atómico de un átomo es el número total de unidades de carga presentes en su núcleo. Los experimentos de Henry Moseley de 1913 (véase la ley de Moseley ) proporcionaron la evidencia necesaria para respaldar la propuesta de Van den Broek. Se descubrió que la carga nuclear efectiva era consistente con el número atómico (Moseley encontró solo una unidad de diferencia de carga). Este trabajo culminó en el mismo año con el modelo atómico de Bohr similar al sistema solar , en el que un núcleo que contiene un número atómico de cargas positivas está rodeado por un número igual de electrones en capas orbitales. Así como el modelo de Thomson guió los experimentos de Rutherford, el modelo de Bohr guió la investigación de Moseley. El modelo de Bohr fue elaborado durante la época de la " vieja teoría cuántica " y luego absorbido por el desarrollo completo de la mecánica cuántica. [18] [19]
Como ejemplo importante de modelo científico , el modelo del pudín de ciruelas ha motivado y guiado varios problemas científicos relacionados.
Un problema matemático particularmente útil relacionado con el modelo del pudín de pasas es la distribución óptima de cargas puntuales iguales en una esfera unitaria, llamado problema de Thomson . El problema de Thomson es una consecuencia natural del modelo del pudín de ciruelas en ausencia de su carga de fondo positiva uniforme. [20] [21]
Aunque el modelo de Thomson ha quedado obsoleto durante mucho tiempo por la mecánica cuántica, su problema de colocar cargas en una esfera sigue siendo digno de mención.