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.

¿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.

¿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

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

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 GellMann y George Zweig. El término quark se tomó de la obra Finnegans Wake del escritor irlandés James Joyce.

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.

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

Quarks

En 1968 los científicos descubrieron nuevas partículas dentro del Neutrón. Estas tres partículas también eran quarks, unidas también por energía electromagnética llamadas Gluones

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.

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)

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."

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.

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.

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.

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.

 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

Los rayos catódicos viajan en línea recta y por ello proyectan la sombra de cualquier cuerpo que se interponga a su paso

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.

 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.

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.

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.

“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

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.

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

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.

 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.

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 .

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.

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.

La Radiactividad 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

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.

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

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.

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.

Una vez descubierta la

radioactividad… (sustancias que emiten espontáneamente radiación)

Aparato de Rutherford rayo de partículas alfa

Sustancia radiactiva

Pantalla fluorescente circular - ZnS cubierto Hoja de oro Dorin, Demmin, Gabel, química el estudio de la materia, 3rd Edition, 1990, página 120

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.

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.

La radioactividad puede ser: Natural

descomposición de los isótopos radioactivos que se encuentran en la naturaleza.

Artificial

la descomposición de los isótopos radioactivos obtenidos por el hombre. Los isótopos estables no se descomponen espontáneamente

Isótopos 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

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

Un tercio aproximadamente de los elementos poseen isótopos naturales radioactivos p+

e-

p+

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

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.