Las partes del átomo. El átomo se define generalmente como la unidad elemental de un cuerpo simple que es capaz de conservar las características del elemento al cual pertenece, independientemente de las transformaciones químicas que se produzcan en él.
Los átomos se componen de un núcleo cargado positivamente, de dimensiones sumamente pequeñas, y de una envoltura de electrones cargados negativamente, que se desplazan alrededor del núcleo sobre una o varias órbitas (n).
Decimos que el núcleo tiene dimensiones sumamente pequeñas porque, efectivamente, tiene un radio de una cien mil millonésima de centímetro (10^11 mm). Está compuesto, excepto en el caso del hidrógeno, de dos clases de partículas: por una parte, uncierto número de protones y, por otra parte, un cierto número de neutrones, ambos llamados también nucleones.
Partes del átomo
Para explicarlo de un modo mucho más simple, podemos decir que las partes del átomo serán núcleo y corteza:
Los protones y los neutrones
A partir de lo explicado con las partes del átomo,podemos profundizar ahora entre la diferencia entre protones y neutrones:
Generalmente se utiliza la letra Z para llamar al número de protones, y la N para indicar el número de neutrones del núcleo. La carga positiva de este núcleo comprende, entonces, un número Z de cargas específicas y su masa es aproximadamente igual a Z+N veces la masa de un protón.
El número de nucleones (neutrones y protones) se simboliza con una A y es lo que constituye el número de masa del átomo.
La masa del electrón es muy pequeña (1/1836 de la del protón). Su carga ha sido elegida como unidad de carga eléctrica o elemental. Se puede imaginar que los electrones gravitan en órbitas circulares o elípticas alrededor del núcleo, al mismo tiempo que giran sobre sí mismos, como lo hace La Tierra alrededor del Sol.
El movimiento de los electrones de rotación sobre sí mismos se llama spin, o espín. El número de electrones que se pueden encontrar en un átomo está determinado por la energía almacenada en el núcleo (carga) y por las acciones procedentes del exterior, como, por ejemplo, una influencia eléctrica capaz de actuar sobre los átomos.
En los átomos neutros, la carga negativa de los electrones está neutralizada por la carga positiva del núcleo, un átomo de este tipo se dice que no está cargado. Esto implica que el número de los electrones que rodean al núcleo sea igual al número de protones.
Como primer modelo puede sernos útil imaginarnos los átomos como si se tratase de un sistema planetario, con esferas (electrones) girando alrededor de un centro.
Sin embargo, esto no es más que un modelo precario de lo que hasta ahora se conoce del átomo, que revela ser, en realidad, mucho más complejo que esa representación básica, con orbitales que representan “zonas” en donde los electrones pueden encontrarse.
Así es que los electrones están repartidos en órbitas llamadas capas o niveles electrónicos (que son las capas K, L, M, N, O, P y Q); la capa exterior (o las dos últimas capas) llamadascapa de valencia determina la probabilidad que tiene un átomo de producir ciertas reacciones químicas. La órbita descrita por un electrón en torno a un núcleo atómico no se puede precisar con exactitud.
Historia del átomo
El conocimiento del átomo, como todo conocimiento científico, nace de la curiosidad del hombre por comprender lo que le rodea en su naturaleza y en su funcionamiento. Por explicarse los fenómenos naturales.
Los filósofos griegos discutieron mucho sobre la naturaleza de la materia y concluyeron que el mundo debía ser más sencillo de lo que parecía.
En el siglo V a.C. Leucipo sostenía que todas las formas de materia debían estar constituidas por un mismo tipo de elemento que adoptaba formas diferentes. Sostenía, además, que si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas, acabaríamos encontrando una porción que no se podría seguir dividiendo. Un discípulo suyo, aunque hay quien piensa que podrían ser el mismo, Demócrito, bautizó a estas partes indivisibles e infinitas de materia con el nombre de átomos, término que en griego significa “que no se puede dividir”, y que siempre estarían en movimiento y rodeadas de vacío.
Unos años más tarde Empédocles (siglo IV a.C.) estableció que la materia estaba formada por 4 elementos: tierra, agua, aire y fuego.
Aristóteles (siglo III a.C.)agregó el “éter” como quintaesencia, negó la existencia de los átomos de Demócrito y reconoció la teoría de los 4 elementos, la cual, gracias a su prestigio y al posterior de Platón , se mantuvo vigente en el pensamiento de la humanidad, perdurando a través de la Edad Media y el Renacimiento. Hoy sabemos que aquellos 4 elementos iniciales no forman parte de los 106 elementos químicos actuales.
En 1808, John Dalton publicó su teoría atómica, que retomaba las antiguas ideas de Leucipo y Demócrito. Según la teoría de Dalton:
Hoy sabemos que ninguno de estos tres puntos es completamente cierto; sin embargo, Dalton contribuyó enormemente a entender cómo estaba formada la materia.
Evolución histórica de las partes del átomo
Desde la acuñación de “átomo” revelada por Demócrito (siglos IV y V a.C.), el hecho de buscar una explicación a todos los procesos químicos es fundamental para comprender los “porqués” que esconde la naturaleza. Por ello y a través de los años, los científicos han realizado sus propios modelos atómicos con el fin de entender la composición de la unidad básica de toda la materia. La evolución histórica del modelo atómico reúne los siguientes nombres:
John Dalton
Durante el s.XVIII y principios del XIX algunos científicos habían investigado distintos aspectos de las reacciones químicas, obteniendo las llamadas leyes clásicas de la Química.
Estructura del átomo
En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza.
– El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón.
Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z.
– La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón.
Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de electrones.
Isótopos
La suma del número de protones y el número de neutrones de un átomo recibe el nombre de número másico y se representa con la letra A. Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones.
Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número másico.
Modelo de átomo de He (isótopo 4-He)
Para representar un isótopo, hay que indicar el número másico (A) propio del isótopo y el número atómico (Z), colocados como índice y subíndice, respectivamente, a la izquierda del símbolo del elemento.
La imagen del átomo expuesta por Dalton en su teoría atómica, para explicar estas leyes, es la de minúsculas partículas esféricas, indivisibles e inmutables, iguales entre sí en cada elemento químico.
Jhon Thomson (1897)
Demostró que dentro de los átomos hay unas partículas diminutas, con carga eléctrica negativa, a las que se llamó electrones.
De este descubrimiento dedujo que el átomo debía de ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones. (Modelo atómico de Thomson.)
Ernest Rutherford(1911)
Demostró que los átomos no eran macizos, como se creía, sino que están vacíos en su mayor parte y en su centro hay un diminuto núcleo.
Dedujo que el átomo debía estar formado por una corteza con los electrones girando alrededor de un núcleo central cargado positivamente.
(Modelo atómico de Rutherford.)
Niels Bohr (1913)
Espectros atómicos discontinuos originados por la radiación emitida por los átomos excitados de los elementos en estado gaseoso.
Propuso un nuevo modelo atómico, según el cual los electrones giran alrededor del núcleo en unos niveles bien definidos. (Modelo atómico de Bohr.)
Louis de Broglie (1924)
Modelo Mecano-Cuántico del Átomo En 1924, Louis de Broglie, postuló que los electrones tenían un comportamiento dual de onda y partícula. Cualquier partícula que tiene masa y que se mueve a cierta velocidad, también se comporta como onda. Considerando las ecuaciones de Einstein y Planck, Louise de Broglie (1924) demostró λ = h/mv Quienes sentaron las bases del nuevo modelo mecano-cuántico fueron tres científicos:
3. Planck: cuantización de la energía Radiación del cuerpo negro: la energía sólo puede absorberse o liberarse en los átomos en cantidades definidas llamadas cuantos. La relación entre la energía y la frecuencia de la radiación está dada por: h es la constante de Planck.
4. La luz como partícula Efecto fotoeléctrico (Einstein 1905): la luz está formada por partículas, fotones. Energía de un fotón:
5. Modelo Mecano-Cuántico del Átomo En 1927, Werner Heisenberg, sugiere que es imposible conocer con exactitud la posición, el momento y la energía de un electrón. A esto se le llama "principio de incertidumbre“. Si una partícula se comporta como una onda y viceversa, es imposible conocer simultáneamente la posición exacta y el momento (velocidad) de dicha partícula. Solamente es posible determinar la probabilidad de que el electrón se encuentre en una región determinada.
6. El principio de incertidumbre Al considerar partículas con masas muy pequeñas (escalas atómicas) no es posible determinar con suficiente precisión y simultáneamente su posición y su velocidad (Heisemberg 1927). No tiene sentido describir el comportamiento del electrón en torno al núcleo con las leyes de la mecánica clásica. Hay que considerar su comportamiento como onda.
Schrodinger (1927)
En 1927, Erwin Schrodinger propuso una ecuación muy compleja en la que introdujo la hipótesis de De Broglie tomando en cuenta el comportamiento dual del electrón, la que al ser resuelta permite obtener soluciones llamadas funciones de onda (llamadas también orbitales) y que contiene toda la información que permite describir el comportamiento del electrón en el átomo. En este modelo aparece el concepto de orbital: región del espacio en la que hay una máxima probabilidad de encontrar al electrón.
La ecuación de Schrödinger Es una ecuación que incluye las componentes ondulatorias. El movimiento de una onda se describe matemáticamente mediante una ecuación que se denomina ecuación de onda. Schrödinger describió el comportamiento del electrón girando alrededor del núcleo como una onda y planteó la ecuación de onda. Al resolver matemáticamente esta ecuación se obtienen distintas soluciones (estados del sistema). Para el átomo de hidrógeno existen infinitas soluciones de la ecuación de onda (infinitos estados o estados electrónicos del sistema). Cada estado electrónico está caracterizado por 4 números, los números cuánticos: n, l, ml, ms
En este modelo de átomo plenamente cuántico (Schrodinger), han desaparecido dos conceptos básicos del modelo anterior: Los electrones no son considerados como partículas sino como ondas No existen órbitas electrónicas sino orbitales
La propuesta de Schrodinger, conduce a un conjunto limitado de de funciones de onda (orbitales) por cada nivel energético propuesta. En un átomo multielectrónico, los orbitales por nivel energético resultan tener diferentes energías, lo que genera una subdivisión energética denominada subniveles de energía. Las funciones de onda u orbitales correspondiente a estos subniveles se designan con las letras minúsculas s , p , d , f . Aunque la palabra orbital proviene de órbita, ambos términos no deben confundirse.
Paul Dirac (1926)
El 8 de agosto de 1902, Paul Adrien Maurice Dirac nació en Bristol, Inglaterra, hijo de Charles Dirac, suizo, y de Florence Holten, inglesa. Asistió a la escuela primaria Bishop Road, y al Merchant Venturer´s Technical College, donde su padre enseñaba francés.
“Mi padre fijó la regla de que sólo debía hablarle en francés. Pensaba que esa sería una buena forma de aprender francés. Dado que yo encontraba que no podía expresarme en ese idioma, era mejor para mí permanecer en silencio que hablarle en inglés. Así me volví callado, eso empezó muy temprano”
Paul Adrien Maurice Dirac
En 1918, entró a la Universidad de Bristol para estudiar Ingeniería Eléctrica, graduándose con honores en 1921. Dirac afirmó luego:
“Aunque no usé las aplicaciones detalladas de la ingeniería, este entrenamiento sí cambio grandemente mi punto de vista. Antes, sólo me interesaban las ecuaciones exactas. El entrenamiento que recibí como ingeniero me enseñó a tolerar las aproximaciones, y pude ver que incluso las teorías basadas en aproximaciones pueden tener en ocasiones una considerable belleza. Creo que, si no hubiera tenido este entrenamiento de ingeniero, no hubiera tenido mucho éxito con la clase de trabajo que hice después… El matemático puro que quiere desarrollar su trabajo con precisión absoluta no llegará muy lejos en física”.
En 1921, Dirac buscó infructuosamente trabajo como ingeniero, pero para su suerte le ofrecieron dos años de colegiatura gratis para estudiar matemáticas en la Universidad de Bristol. En 1923, Dirac se inscribió en Cambridge con una beca del Departamento de Investigación Científica e Industrial. Allí, Ralph Fowler le presentó a Dirac la vieja teoría cuántica y los modelos del átomo de Rutherford, Bohr y Sommerfeld.
En mayo de 1925 conoció a Bohr en Cambridge, cuando éste daba una conferencia sobre los problemas y dificultades de la teoría cuántica. En julio de ese mismo año, conoció a Heisenberg, también en Cambridge y leyó el primer artículo de éste dos meses después (en septiembre). Le tomó dos semanas concluir que la idea más importante de Heisenberg era la no conmutatividad, y antes de que terminara el año ya había publicado su primer artículo sobre mecánica cuántica.
En mayo de 1926, Dirac recibió su doctorado con una tesis titulada simplemente “Mecánica Cuántica”. Entretanto, Schrödinger había publicado su ecuación, a lo que Dirac reaccionó primero con hostilidad y luego con entusiasmo, en cuanto aplicó la teoría a sistemas de partículas idénticas. Fue Dirac quien puso juntos la simetría y anti simetría de las eigenfunciones para dar la primera justificación correcta de la estadística de Bose-Einstein y la ley de Planck, y de la estadística de Fermi-Dirac y el principio de exclusión.
Tras la obtención de su doctorado, Dirac inició sus viajes. Primero fue a visitar a Bohr a Copenhagen (1926).
“En las tabernas de Copenhagen, Dirac conoció a Heisenberg, Pauli y al resto de los ‘mecánicos cuánticos’: un montón de simpáticos tipos snob y locuaces. Como muchos otras personas tímidas e inteligentes de aquel lugar y momento, Dirac tenía posturas políticas violentamente coloridas: les dijo a sus colegas continentales que no había razón para que los pobres sufrieran, que no le veía propósito en premiar con riqueza a los avaros, y que la religión organizada era una farsa grotesca. Tras una de esas disquisiciones, Wolfgang Pauli llegó a decir: ‘Dirac tiene una nueva religión: No hay Dios, y Dirac es Su profeta’.”
Dirac junto a Werner Heisenberg
Luego fue a Goettingen (1927). Allí conoció a Robert Oppenheimer, quien vivía en la misma pensión que él. Cierta vez, Dirac le preguntó:
De Goettingen fue a Leiden, y más tarde a Bruselas, para la conferencia Solvay de 1927, donde conoció a Einstein. Sin embargo, el contacto entre ambos hombres permaneció siempre al mínimo.
Aunque se conocía la ecuación de Klein-Gordon, Dirac no estaba satisfecho con que dicha ecuación no tuviera asociada una densidad de probabilidad positiva definida, lo cual podía rastrearse al hecho de que no era lineal en el operador de momento. Por otra parte, Pauli había propuesto que el electrón satisface una ecuación de onda de dos componentes que contiene el spin del electrón, el cual queda descrito por matrices de 2×2. Al jugar con estas matrices durante unas cuantas semanas, Dirac descubrió que no era necesario tener una ecuación de dos componentes. ¿Por qué no usar matrices de 4×4?
Así, para principios de 1928, había nacido la ecuación de Dirac, con una densidad de probabilidad definida positiva y el spin y momento magnético correctos del electrón. Si las matrices de Pauli implicaban funciones de onda de dos componentes, las matrices de Dirac implicaban cuatro. ¿Por qué cuatro?
“El comentario de Dirac acerca de Crimen y Castigo: ‘Esta bien, pero en uno de los capítulos el autor cometió un error. Describe al sol saliendo dos veces el mismo día’”
Desde el principio Dirac diagnosticó correctamente la causa: Hay dos componentes (con spin +1/2 y –1/2) que corresponden a estados de energía positiva. Las otras dos corresponden a estados de energía negativa (con spin +1/2 y –1/2).
De izquierda a derecha: Sheila Power, Pádraig de Brún, Paul Dirac , Eamon de Valera, Arthur Conway, Arthur Eddington, Erwin Schrödinger y Albert J. McConnell, en 1942 en una conferencia en Dublín
“Estábamos en el vapor que nos llevaba de América a Japón, y a mí me gustaba participar en la vida social del barco, por lo que participaba en los bailes de la tarde. Paul, sin embargo, no le gustaba mucho aquello, pero se sentaba a ver los bailes. Cierta vez regresé de bailar y me senté junto a él, y me preguntó: ‘Heisenberg, ¿por qué bailas?’ Yo dije ‘Bueno, cuando hay chicas lindas es un placer bailar’. Él pensó por un largo rato y tras cinco minutos dijo: ‘Heisenberg, ¿cómo sabes de antemano que las chicas son lindas?’”
Al principio, Dirac simplemente rechazó las soluciones como “no físicas”. Más tarde, reconoció que no pueden rechazarse tan simplemente pues cabe la posibilidad de que haya transiciones entre soluciones de energía positiva y de energía negativa. Hermann Weyl sugirió que las soluciones “extras” corresponderían al protón (1929), pero Dirac explicó que no podían ser simplemente protones pues éstos tienen energía positiva.
Sin embargo, dijo Dirac:
“Aceptemos que, en el Universo, como lo conocemos, casi todos los estados de energía negativa están ocupados y que la distribución de carga resultante no es detectable debido a su homogeneidad en el espacio. En tal caso, cualquier estado no ocupado representa una disrupción que rompe dicha uniformidad. Esto aparece como un agujero, y es posible admitir que estos agujeros son positrones. El principio de exclusión de Pauli afirma que cualquier estado dinámico disponible a un electrón puede ser ocupado cuando más por una partícula. Un electrón, por tanto, no puede perder energía cayendo a un estado menos energético que ya está ocupado.”
Paul Dirac, el quinto por la derecha, junto a otros científicos en el curso del séptimo congreso Solvay que se celebró en 1933 y estuvo dedicado a la estructura del núcleo atómico
Dirac identificó a los huecos con los protones, pero Oppenheimmer y Tamm mostraron en 1930 que, si así fuera, los átomos serían inestables. Entonces, en mayo de 1931 Dirac propuso que estos “huecos” serían una nueva partícula desconocida para la física experimental, de la misma masa y la carga opuesta a la del electrón. Había nacido la idea de antimateria.
“Hay, en el presente, problemas fundamentales en la física teórica … de los cuales la solución presumiblemente requerirá una revisión más drástica de nuestros conceptos fundamentales que ninguna otra. Muy probablemente, estos cambios serán tan grandes que estará más allá del intelecto humano el tener las nuevas ideas necesarias mediante intentos directos de formular los datos experimentales en términos matemáticos. El teórico del futuro, por tanto, deberá proceder de una manera más directa. El método más poderoso de avance que puede sugerirse hoy es el emplear todos los recursos de las matemáticas puras en un intento de generalizar y perfeccionar el formalismo matemático que forma la base actual de la física teórica, y después de cada éxito en esta dirección, intentar interpretar la nueva matemática en términos de entidades físicas.
Creo que es una peculiaridad mía el que me guste jugar con ecuaciones, simplemente buscando bellas relaciones matemáticas que tal vez no tengan ningún significado físico. A veces, sí lo tienen.
El investigador, en sus esfuerzos por expresar las leyes fundamentales de la naturaleza en forma matemática debe buscar principalmente la belleza matemática. Debe tomar la sencillez en consideración, en forma subordinada a la belleza. Ocurre frecuentemente que los requerimientos de la sencillez y de la belleza son los mismos, pero donde chocan esta última debe tener precedencia. Paul Adrien Maurice Dirac
Dirac en una instantánea tomada en el interior del aula.
Desde 1930 Dirac ocupó la Cátedra Lucasiana de Cambridge (que Newton ocupó siglos antes), y en 1933 recibió (un año después que Heisenberg y al mismo tiempo que Schrödinger) el premio Nobel de Física “por sus nuevas formas de la teoría de los átomos”.
Otros eventos importantes en la vida de Dirac ocurrieron en 1934 y en 1937, cuando conoció a Margit Wigner, y se casó con ella, respectivamente. Tuvieron dos hijas, Mónica y Florence que nacieron en 1940 y 1942, y vivieron con los dos hijos de Margit, Judith y Gabriel, que adoptaron el apellido Dirac.
A lo largo de su vida, Dirac continuó activo en la física, trabajando en temas como la dinámica Hamiltoniana, la cosmología y la electrodinámica cuántica.
Corteza atómica: Estructura electrónica
Las propiedades de los elementos dependen, sobre todo, de cómo se distribuyen sus electrones en la corteza. El siguiente modelo interactivo te permite conocer la estructura electrónica de los elementos de la tabla periódica:
Aunque los conocimientos actuales sobre la estructura electrónica de los átomos son bastante complejos, las ideas básicas son las siguientes:
Existen 7 niveles de energía o capas donde pueden situarse los electrones, numerados del 1, el más interno, al 7, el más externo.
A su vez, cada nivel tiene sus electrones repartidos en distintos subniveles, que pueden ser de cuatro tipos: s, p, d, f.
En cada subnivel hay un número determinado de orbitales que pueden contener, como máximo, 2 electrones cada uno. Así, hay 1 orbital tipo s, 3 orbitales p, 5 orbitales d y 7 del tipo f. De esta forma el número máximo de electrones que admite cada subnivel es: 2 en el s; 6 en el p (2 electrones x 3 orbitales); 10 en el d (2 x 5); 14 en el f (2 x 7).
La distribución de orbitales y número de electrones posibles en los 4 primeros niveles se resume en la siguiente tabla:
| Niveles de energía | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Subniveles | s | s p | s p d | s p d f |
| Número de orbitales de cada tipo | 1 | 1 3 | 1 3 5 | 1 3 5 7 |
| Denominación de los orbitales | 1s | 2s 2p | 3s 3p 3d | 4s 4p 4d 4f |
| Número máximo de electrones en los orbitales | 2 | 2 – 6 | 2 – 6 – 10 | 2- 6- 10- 14 |
| Número máximo de electrones por nivel | 2 | 8 | 18 | 32 |
La configuración electrónica en la corteza de un átomo es la distribución de sus electrones en los distintos niveles y orbitales. Los electrones se van situando en los diferentes niveles y subniveles por orden de energía creciente hasta completarlos. Es importante saber cuantos electrones existen en el nivel más externo de un átomo pues son los que intervienen en los enlaces con otros átomos para formar compuestos.
Algunos datos curiosos sobre los átomos
Todo cuanto hemos visto sobre los átomos es realmente fascinante. Pero hay más curiosidades cuando tratamos con estos elementos. Por ejemplo, quelos átomos son indestructibles, algo que llama la atención sobre todo por su tamaño, ya que son ínfimos. Además, te gustará saber que los átomos tienen millones de años y que se formaron nada menos que en las estrellas, a excepción de los que son más pequeñitos.
Para que te hagas una idea del tamaño y alcance de los átomos, te diremos que tan solo en el punto final de cualquiera de estas frases que estás leyendo, cabe unos dos mil millones de átomos. Mientras que en tu cabeza hay la friolera de 450 cuatrillones de átomos. Son de distinto tamaño, siendo los más pequeños conocidos hasta el momento los llamados quarks. Las diferentes sustancias nacen porque los átomos se combinan entre ellos para crear sustancias distintas. No es raro, por tanto, que estén presente en todo cuanto conocemos.
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