Átomo

Estructura de un átomo de carbono, en la que pueden distinguirse claramente los nucleones y la nube de electrones.

Tanto en Física como en Química, el átomo (del latín «atomus«, y éste del griego «άτομος«, que significa «indivisible») es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos. La teoría aceptada hoy es que el átomo se compone de un núcleo atómico de carga positiva formado por partículas denominadas nucleones, alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa.

El núcleo atómico:

Como ya se ha mencionado, el núcleo del átomo se encuentra formado por nucleones, que no son otra cosa que partículas subatómicas, entre las que se distinguen dos tipos:

–Protones: Partículas de carga eléctrica positiva igual a una carga elemental y una masa (1,67262 · 10^-27 kg) 1837 veces mayor que la del electrón. –Neutrones: Partículas carentes de carga eléctrica y una masa un poco mayor que la del protón (1,67493 · 10^-27 kg).

El núcleo atómico más sencillo es el del hidrógeno, formado únicamente por un protón. El núcleo del siguiente elemento en la tabla periódica, el helio, se encuentra formado por dos protones y dos neutrones. Atendiendo al número de neutrones y protones se reconocen:

• El número atómico –> La cantidad de protones contenida en el núcleo del átomo se conoce como número atómico, el cual se representa por la letra Z y se indica en la parte inferior izquierda del símbolo químico (es el que distingue a un elemento químico de otro). Según lo descrito anteriormente, el número atómico del hidrógeno es 1 (₁H), y el del helio, 2 (₂He).
• El número másico –> La cantidad total de nucleones que contiene un átomo se conoce como número másico, representado por la letra «A» y escrito en la parte superior izquierda del símbolo químico. Para los ejemplos dados anteriormente, el número másico del hidrógeno es 1 (¹H), y el del helio, 4 (⁴He). Sin embargo, la masa del núcleo no es la suma de las masas de los nucleones que lo conforman, ya que existe una energía de ligadura que los mantiene unidos y que, por la equivalencia relativista entre masa y energía, hace que la masa total sea menor a dicha suma.

Existen también átomos que tienen el mismo número atómico pero diferente número másico, a los cuales se los denomina isótopos. Por ejemplo, existen tres isótopos naturales del hidrógeno, el protio (¹H), el deuterio (²H) y el tritio (³H). Todos poseen las mismas propiedades químicas del hidrógeno, y pueden ser diferenciados únicamente por ciertas propiedades físicas.

Otros términos menos utilizados relacionados con la estructura nuclear son:

–Isótonos, que son átomos con el mismo número de neutrones. –Isóbaros, que son átomos que tienen el mismo número másico.

Debido a que los protones tienen cargas positivas se deberían repeler entre sí, sin embargo, el núcleo del átomo mantiene su cohesión debido a la existencia de otra fuerza de mayor magnitud, aunque de menor alcance, conocida como interacción nuclear fuerte.

Interacciones eléctricas entre protones y electrones:

Antes del experimento de Rutherford, la comunidad científica aceptaba el modelo atómico de Thomson, situación que varió después de la experiencia de 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 el 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 la ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo) aplicadas al átomo de Rutherford, llevan a que en un tiempo del orden de 10^-10 segundos, toda la energía del átomo se habría radiado, con la consiguiente caída de los electrones sobre el núcleo.

Nube electrónica:

Alrededor del núcleo atómico se encuentran los electrones, que son partículas elementales de carga negativa igual a una carga elemental y con una masa de 9,10 ·10^-31 kg.

La cantidad de electrones de un átomo en su estado basal es igual a la cantidad de protones que contiene en el núcleo, es decir, al número atómico, por lo que un átomo en estas condiciones tiene una carga eléctrica neta igual a 0.

A diferencia de los nucleones, un átomo puede perder o adquirir algunos de sus electrones sin modificar su identidad química, transformándose en un ión.

El concepto de que los electrones se encuentran en órbitas satelitales alrededor del núcleo se ha abandonado en favor de la concepción de una nube de electrones deslocalizados o difusos en el espacio, el cual representa mejor el comportamiento de los electrones descrito por la mecánica cuántica únicamente como funciones de densidad de probabilidad de encontrar un electrón en una región finita de espacio alrededor del núcleo.

Dimensiones atómicas:

La mayor parte de la masa de un átomo se concentra en el núcleo, formado por los protones y los neutrones, ambos conocidos como nucleones, los cuales son 1836 y 1838 veces más pesados que el electrón, respectivamente.

El tamaño o volumen exacto de un átomo es difícil de calcular, ya que las nubes de electrones no cuentan con bordes definidos, pero puede estimarse razonablemente en 1,0586·10^-10 m, el doble del radio de Bohr para el átomo de hidrógeno. Si esto se compara con el tamaño de un protón, que es la única partícula que compone el núcleo del hidrógeno (es aproximadamente 1·10^-15 su tamaño) se ve que el núcleo de un átomo es cerca de 100.000 veces menor que el átomo mismo, y sin embargo, concentra prácticamente el 100% de su masa. Para efectos de comparación, si un átomo tuviese el tamaño de un estadio, el núcleo sería del tamaño de una canica colocada en el centro, y los electrones como partículas de polvo agitadas por el viento alrededor de los asientos.

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–Jana Montez (2013). «Dibujo de una cobaya y sus partes». Imagui: http://www.andandara.com/Cienciay tecnologia/atomo.html

Referencias:
–Colaboradores de Wikipedia (2008). “Átomo”. Wikipedia, la enciclopedia libre: http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo
–Colaboradores de Wikipedia (2008). «Electrón». Wikipedia, la enciclopedia libre: http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n
–Colaboradores de Wikipedia (2008). «Neutrón». Wikipedia, la enciclopedia libre: http://es.wikipedia.org/wiki/Neutr%C3%B3n
–Colaboradores de Wikipedia (2008). «Protón». Wikipedia, la enciclopedia libre: http://es.wikipedia.org/wiki/Protones