Partículas subatómicas
A pesar de que átomo significa ‘indivisible’,
en realidad está formado por varias partículas subatómicas. El átomo contiene
protones, neutrones y electrones, con la excepción del hidrógeno-1, que no
contiene neutrones, y del catión hidrógeno o hidrón, que no contiene
electrones. Los protones y neutrones del átomo se denominan nucleones, por
formar parte del núcleo atómico.
El electrón es la partícula más ligera de cuantas
componen el átomo, con una masa de 9,11 · 10−31 kg. Tiene una carga
eléctrica negativa, cuya magnitud se define como la carga eléctrica elemental,
y se ignora si posee subestructura, por lo que se lo considera una partícula
elemental. Los protones tienen una masa de 1,67 · 10−27 kg, 1836
veces la del electrón, y una carga positiva opuesta a la de este. Los neutrones
tienen un masa de 1,69 · 10−27 kg, 1839 veces la del electrón, y no
poseen carga eléctrica. Las masas de ambos nucleones son ligeramente inferiores
dentro del núcleo, debido a la energía potencial del mismo; y sus tamaños son
similares, con un radio del orden de 8 · 10-16 m o 0,8 femtómetros (fm).
El protón y el neutrón no son partículas elementales,
sino que constituyen un estado ligado de quarks u y d, partículas
fundamentales recogidas en el modelo estándar de la física de partículas, con
cargas eléctricas iguales a +2/3 y −1/3 respectivamente, respecto de la carga
elemental. Un protón contiene dos quarks u y un quark d, mientras
que el neutrón contiene dos d y un u, en consonancia con la carga
de ambos. Los quarks se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear fuerte,
mediada por gluones —del mismo modo que la fuerza electromagnética está mediada
por fotones—. Además de estas, existen otras partículas subatómicas en el
modelo estándar: más tipos de quarks, leptones cargados (similares al
electrón), etc.
Los protones y neutrones de un átomo se encuentran
ligados en el núcleo atómico, la parte central del mismo. El volumen del núcleo
es aproximadamente proporcional al número total de nucleones, el número másico A,
lo cual es mucho menor que el tamaño del átomo, cuyo radio es del orden de 105
fm o 1 ångström (Å). Los nucleones se mantienen unidos mediante la fuerza
nuclear, que es mucho más intensa que la fuerza electromagnética a distancias
cortas, lo cual permite vencer la repulsión eléctrica entre los protones.
Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número
de protones, que se denomina número atómico y se representa por Z. Los
átomos de un elemento dado pueden tener distinto número de neutrones: se dice
entonces que son isótopos. Ambos números conjuntamente determinan el núclido.
El núcleo atómico puede verse alterado por procesos
muy energéticos en comparación con las reacciones químicas. Los núcleos
inestables sufren desintegraciones que pueden cambiar su número de protones y
neutrones emitiendo radiación. Un núcleo pesado puede fisionarse en otros más
ligeros en una reacción nuclear o espontáneamente. Mediante una cantidad
suficiente de energía, dos o más núcleos pueden fusionarse en otro más pesado.
En átomos con número atómico bajo, los núcleos con una
cantidad distinta de protones y neutrones tienden a desintegrarse en núcleos
con proporciones más parejas, más estables. Sin embargo, para valores mayores
del número atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción
mayor de neutrones para estabilizar el núcleo.
Los electrones en el átomo son atraídos por los
protones a través de la fuerza electromagnética. Esta fuerza los atrapa en un
pozo de potencial electrostático alrededor del núcleo, lo que hace necesaria
una fuente de energía externa para liberarlos. Cuanto más cerca está un
electrón del núcleo, mayor es la fuerza atractiva, y mayor por tanto la energía
necesaria para que escape.
Los electrones, como otras partículas, presentan
simultáneamente propiedades de partícula puntual y de onda, y tienden a formar
un cierto tipo de onda estacionaria alrededor del núcleo, en reposo respecto de
este. Cada una de estas ondas está caracterizada por un orbital atómico, una
función matemática que describe la probabilidad de encontrar al electrón en
cada punto del espacio. El conjunto de estos orbitales es discreto, es decir,
puede enumerarse, como es propio en todo sistema cuántico. La nube de
electrones es la región ocupada por estas ondas, visualizada como una
densidad de carga negativa alrededor del núcleo.
Cada orbital corresponde a un posible valor de energía
para los electrones, que se reparten entre ellos. El principio de exclusión de
Pauli prohíbe que más de dos electrones se encuentren en el mismo orbital.
Pueden ocurrir transiciones entre los distintos niveles de energía: si un
electrón absorbe un fotón con energía suficiente, puede saltar a un nivel
superior; también desde un nivel más alto puede acabar en un nivel inferior, radiando
el resto de la energía en un fotón. Las energías dadas por las diferencias
entre los valores de estos niveles son las que se observan en las líneas
espectrales del átomo.
Antes del experimento de Rutherford la comunidad
científica aceptaba el modelo atómico de Thomson, situación que varió después
de la experiencia de Ernest Rutherford. Los modelos posteriores se basan en una
estructura de los átomos con una masa central cargada positivamente rodeada de
una nube de carga negativa.
Este tipo de estructura del átomo llevó a Rutherford a
proponer su modelo en que los electrones se moverían alrededor del núcleo en
órbitas. Este modelo tiene una dificultad proveniente del hecho de que una
partícula cargada acelerada, como sería necesario para mantenerse en órbita,
radiaría radiación electromagnética, perdiendo energía. Las leyes de Newton,
junto con las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo aplicadas
al átomo de Rutherford llevan a que en un tiempo del orden de 10−10 s, toda la
energía del átomo se habría radiado, con la consiguiente caída de los
electrones sobre el núcleo
No hay comentarios:
Publicar un comentario