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El Átomo En la filosofía de la antigua Grecia la
palabra “átomo” se empleaba para
referirse a la parte más pequeña de
materia que podía concebirse y era
considerada indestructible.
(Demócrito, Siglo V a.C.)
Con la llegada de la ciencia
experimental en los siglos XVI y XVII,
los avances en la teoría atómica se
hicieron más rápidos. Los químicos se
dieron cuenta muy pronto de que todos
los líquidos, gases y sólidos pueden
descomponerse en sus constituyentes
últimos o elementos.
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¿Qué son los átomos?
Los átomos son los elementos básicos que
constituyen la materia que conforma
nuestro cuerpo y los objetos que nos
rodean. Un escritorio, el aire, las frutas,
los líquidos, etc.
Hay 90 átomos que existen estables y
espontáneamente en la naturaleza. En los
laboratorios los científicos han sido capaces
de crear alrededor de 25 más y en las
Tablas Periódicas actuales encontraremos
unos 116 elementos químicos.
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¿Cuál es la estructura del átomo?
Los átomos están conformados de tres partículas básicas:
• Protones: tienen una carga eléctrica positiva y están en el núcleo del átomo.
• Neutrones: no tienen carga eléctrica y están constituidos por la unión de un Protón, un Electrón y un Neutrino, ubicándose en el núcleo.
• Protones y Neutrones juntos forman el núcleo, que es la parte central del átomo y dan la masa del mismo.
• Electrones: tienen una carga eléctrica negativa y orbitan el núcleo
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El Protón (P+) Los científicos pensaban
originalmente que no existía nada
más pequeño que el Protón en el
núcleo del átomo.
Lo descubre E. Golstein en 1886.
Su masa es 1.67x10-24 g
Se representa como P+ y tiene una
carga eléctrica positiva
Su masa es 1.837 veces mayor que
la del electrón
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Quarks Pero en 1968 los científicos descubrieron nuevas partículas dentro del Protón. Las llamaron Quarks.
El concepto de quark fue propuesto independientemente en 1963 por los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig. El término quark se tomó de la obra Finnegans Wake del escritor irlandés James Joyce.
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Gluones
Hay tres quarks en cada
protón. Los quarks se
mantienen unidos mediante
otras partículas llamadas
Gluones, que no tienen
masa ni carga eléctrica; sólo
poseen energía
electromagnética.
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El Neutrón (n)
El Neutrón fue identificado
por primera vez en 1932 por
el físico británico James
Chadwick.
No tiene carga eléctrica
Está conformado por la
unión de un Protón, un
Electrón (se anulan sus
cargas eléctricas) y un
Neutrino
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Quarks En 1968 los científicos
descubrieron nuevas
partículas dentro del
Neutrón. Estas tres
partículas también eran
quarks, unidas también
por energía
electromagnética llamadas
Gluones
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Núcleo Atómico El núcleo es el centro del átomo. Fue descubierto en 1911, pero tomó 21 años de experimentación identificar sus partes.
Es donde se concentra la, prácticamente, totalidad de la masa atómica.
Está formado por Protones y Neutrones, unidos por medio de la interacción nuclear fuerte. La cantidad de Protones en el núcleo, determina el elemento químico al que pertenece. Los núcleos atómicos con el mismo número de Protones pero distinto número de Neutrones se denominan Isótopos.
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Electrón (e-) Los electrones son extremadamente pequeños y muy
livianos. Es fácil retirar electrones de los átomos y
usarlos excitados como fuente de electricidad y en
aparatos como televisores, radios, computadores, etc.
Posee una masa de 9.1x10-28 g (es 1.836 veces más
liviano que el Protón) y una carga eléctrica relativa de
-1
Fue descubierto por el Físico Británico J.J. Thomson
en 1897, quién publica su trabajo en 1905.
Se considera que es un Leptón ya que no estaría
constituido por otras sub-partículas (como los
Quarks)
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ESTRUCTURA ATÓMICA
El estudio del universo físico ha revelado un grupo de disciplinas estrechamente relacionadas.
"Los físicos se interesan por las fuerzas responsables de la estructura y los cambios de la materia."
"Los químicos estudian las diferentes clases de sustancias materiales, sus estructuras y sus transformaciones, e intentan comprender sus descubrimientos mediante las leyes de la física."
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Es por esto que a través de la historia, la
imagen que el hombre a tenido del átomo a
pasado por una serie de conceptos
evolutivos, estos cambios se han presentado
como consecuencia de las diferentes
evidencias experimentales encontradas por
diferentes investigadores como son los
experimentos de Thomson, Rutherford, Becquerel ,etc.
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Naturaleza eléctrica de la materia.
Los griegos hace aproximadamente 2600 años, ellos aportaron las primeras ideas relacionando la materia con ciertas partículas cargadas eléctricamente.
Los inicios de la teoría atómica se remonta al siglo V a.C. los griegos observaron que cuando se frotaba ámbar (resina fósil de los árboles) con alguna tela, éste material era capaz de atraer pequeños pedazos de papel, paja, hojas secas, etc. Esta fuerza de atracción se le llamó electricidad estática.
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Benjamín Franklin (1747) realizó más experimentos,
ya que estaba convencido de que las tormentas eran
fenómenos eléctricos y propuso un método para
demostrarlo y llegó a la siguiente conclusión:
"La electricidad no se forma únicamente por
frotamiento sino que se recoge, ya que es un
elemento que se encuentra difundido en toda la
materia".
Esto constituyó el primer paso firme sobre el
conocimiento de la estructura electrónica de los
átomos.
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Experimento con los tubos de
Crookes
J.J. Thomson 1895
El paso de la electricidad a través de soluciones
salinas llevó a la conclusión de que la corriente
consiste de cargas en movimiento.
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El tubo estaba completamente cerrado y al vacío. Dentro de él se encuentran 2 electrodos, uno es el cátodo ( - ) y otro el ánodo ( + ), los cuales están conectados a una fuente de alto voltaje.
Al paso de una corriente eléctrica de alto potencial se libera un flujo de electrones en línea recta desde el polo negativo o cátodo hacia el polo positivo o ánodo
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Los rayos catódicos viajan en línea recta y por
ello proyectan la sombra de cualquier cuerpo
que se interponga a su paso
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Si se somete el tubo de Crookes a un campo eléctrico se
observará que el flujo de rayos catódicos sufre una
desviación hacia el polo positivo, por lo que infiere que los
rayos catódicos tienen carga negativa, son desviados por
campos eléctricos y magnéticos.
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Si se coloca un rehilete dentro del tubo de
Crookes, en forma perpendicular al haz de
electrones este se mueve en el sentido del
flujo de los rayos catódicos, lo que indica que tales rayos tienen masa.
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Con base a sus estudios
Thomson estableció su
Modelo Atómico ya que
en ese momento se sabía
que existían cargas
negativas ó electrones en
la materia y que,
lógicamente, deberían
existir cargas positivas
por lo tanto su modelo fue el:
Modelo de panqué o Budín
con pasas.
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Experimento de Millikan de la gota de aceite
Robert Millikan empezó en 1906 a través del
experimento de la gota de aceite a determinar
la carga del electrón, se planteó como
objetivo el conocer la carga y la masa del electrón por separado.
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“El experimento de la gota de aceite de
Millikan"
Con un pulverizador de perfume, roció el interior de la cámara con pequeñísimas gotas de aceite. En la parte superior e inferior había placas de metal conectadas a una batería. Cada gotita adquiría una pequeña carga de electricidad estática mientras viajaba por el aire, se podía controlar la velocidad de su descenso alterando el voltaje de las placas. Llegó a la conclusión de que la carga sólo podía asumir determinados valores fijos. Carga del electrón: 1.602 × 10-19 C Masa en reposo es 9.109 × 10-31 kg.
Cámara de niebla
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Experimento y modelo de Ernest
Rutherford
En 1911 Ernest Rutherford encontró que cuando se bombardeaba una delgada lámina metálica con partículas alfa (iones de helio = He++), la mayoría de las partículas penetraban la materia y sufría solamente una pequeña desviación en su recorrido.
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Los resultados obtenidos fueron los siguientes:
Algunas partículas eran
desviadas
Otras partículas rebotaba al
chocar con la lámina de oro
La mayoría de los rayos
lograban pasar a través de
la lámina sin desviarse o
solo muy ligeramente desviados
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Rutherford dio una explicación a sus experimentos y
sugirió lo siguiente:
Que los átomos están formados de un
núcleo cargado positivamente, rodeado por un sistema de electrones.
Que el volumen efectivo del núcleo es
extremadamente pequeño en comparación
con el del átomo y casi toda la masa de éste está concentrada en el núcleo.
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Rutherford plantea su modelo atómico al que
llamó "SISTEMA PLANETARIO" con un
núcleo donde están las partículas positivas
con espacios vacíos y en la superficie cargas negativas.
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Rutherford postuló las siguientes hipótesis:
El átomo está constituido por un núcleo pequeño
en donde se encuentra la masa atómica y la carga
positiva.
En torno al núcleo giran los electrones.
Como él átomo es neutro, el número de cargas
positivas en el núcleo debe ser igual al número de
cargas negativas alrededor de él .
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El modelo de Rutherford falló por
que no explicaba el origen de los
espectros lineales.
De acuerdo con las leyes de la
física clásica, un electrón en
órbitas se debe acelerar y, por
consiguiente, irradiar energía.
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Descubrimiento del neutrón
En 1932, Chadwick realizó un descubrimiento
fundamental en el campo de la ciencia
nuclear: descubrió la partícula en el núcleo
del átomo que pasaría a llamarse neutrón,
esta partícula no tiene carga eléctrica.
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Wilhelm Roentgen (1845-1923) físico
alemán (primer premio Nobel en
1901). Descubrió rayos X en 1895
que revoluciono toda la vida de
humanidad.
El científico descubrió que el tubo emite haz de rayos de
naturaleza indefinida ( por eso los llamó “los rayos X”) que
poseen la capacidad de penetrar muchas sustancias y dejar
su imagen en pantallas luminescentes o películas fotográficas
La Radiactividad
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Los rayos X producían radiaciones muy penetrantes capaces de
velar placas fotográficas cubiertas y de producir fluorescencia
en algunos materiales, aun cuando ante éstos se interponían
obstáculos delgados, como hojas de papel
Enseguida se descubrió que los
rayos X no son nada más que las
ondas electromagnéticas de muy
baja longitud de onda.
Ocupa su lugar en el espectro
electromagnético GRABADO DE LA NOTICIA DEL DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS X.
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Este descubrimiento sirvió de
motivación para ciertos estudios
de Henri Becquerel, en París, el
cual estaba muy interesado en
entender el fenómeno de la
fluorescencia.
Esas radiaciones eran producidas por cualquier sal de uranio,
fosforescente o no, con luz o sin ella, por lo que concluyó que
el fenómeno estaba directamente relacionado con la
presencia de uranio en los compuestos. Becquerel había
descubierto la radiactividad.
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Una vez descubierta la
radioactividad… (sustancias que
emiten espontáneamente radiación)
Poco tiempo después, también en París, la polaca Marie
Sklodowska-Curie descubrió que el torio tenía propiedades
similares a las del uranio y, junto con su marido, el francés
Pierre Curie, descubrió el elemento radio que es millones de
veces más activo que el uranio.
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Aparato de Rutherford
Dorin, Demmin, Gabel, química el estudio de la materia, 3rd Edition, 1990, página 120
rayo de partículas alfa
Sustancia
radiactiva
Pantalla fluorescente
circular - ZnS cubierto Hoja de oro
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Los rayos a (rayos alfa) tienen carga positiva y una masa
relativamente grande en comparación con la de los rayos b
(rayos beta), formados por electrones y cargados
negativamente.
Los rayos g son neutros y no tienen masa.
Aunque al principio no se sabía que eran, luego se les identificó como un
tipo altamente penetrante de radiación electromagnética o una
forma de luz más energética que la luz
visible.
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Resumen La radiactividad es la emisión espontánea de radiación por
una sustancia.
Los rayos-X y los rayos gamma (γ) son radiaciones
electromagnéticas de energía extremadamente alta y
penetrante.
Las partículas alfa son idénticas a los iones He2+ (2
neutrones + 2 protones).
Las partículas beta son producidas por
transformaciones que ocurren dentro de los núcleos
de los átomos radiactivos y tienen las mismas
propiedades que los electrones.
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Natural descomposición de los
isótopos radioactivos
que se encuentran en la naturaleza.
Artificial la descomposición de los
isótopos radioactivos
obtenidos por el hombre.
La radioactividad puede ser:
Los isótopos estables
no se descomponen espontáneamente
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Isótopos Elemento Z N A = N+Z
H 1 0 1
H 1 1 2
H 1 2 3
He 2 1 3
He 2 2 4
Li 3 3 6
Li 3 4 7
Be 4 5 9
B 5 5 10
B 5 6 11
C 6 6 12
C 6 7 13
C 6 8 14
N 7 7 14
N 7 8 15
O 8 8 16
O 8 9 17
O 8 10 18
etcétera
Cuatro quintos de los
elementos se
encuentran en la
naturaleza como
mezclas de isótopos
Un isótopo natural
que se encuentra en
la naturaleza y puede
ser estable o
radioactivo
= isótopo artificial
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Un tercio aproximadamente de los elementos poseen
isótopos naturales radioactivos
Todos los isótopos de los elementos más pesados que el Bi son radiactivos
Casi todos los isótopos naturales radiactivos, de abundancia
mesurable, se descomponen muy lentamente y existen desde
que se formó la Tierra
Son excepciones el tritio (hidrógeno-3), muy escaso,
y el carbono-l4.
Estos dos núclidos se están formando continuamente al
bombardear otros núclidos con rayos cósmicos
p+
p+
e-
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Los átomos se pueden identificar por el número de protones y
neutrones que contienen.
El número atómico “Z” es el número de protones que existen en el
núcleo. En un átomo neutro, el número de protones es igual al
número de electrones que lo rodean.
Por ejemplo: el Número atómico del flúor es 9. Esto es tiene 9
protones y 9 electrones.
El número másico del átomo "A” es la suma del número de protones y
neutrones en el núcleo.