INTERACCIÓN
MATERIA-ENERGIA
ÁTOMO
El átomo es un constituyente de
la materia ordinaria,
con propiedades químicas bien definidas, formado a su vez por constituyentes
más elementales sin propiedades químicas bien definidas. Cada elemento químico está formado por átomos
del mismo tipo (con la misma estructura electrónica básica), y que no es
posible dividir mediante procesos químicos.
Actualmente se conoce que el átomo está
compuesto por un núcleo
atómico, en el que se concentra casi toda su masa, rodeado de una nube de electrones. Esto fue
descubierto a principios del siglo XX, ya que durante el siglo XIX se había
pensado que los átomos eran indivisibles, de ahí su nombre a-tómo- 'sin
división'. Poco después se descubrió que también el núcleo está formado por
partes, como losprotones, con carga
positiva, y neutrones,
eléctricamente neutros.nota 1 Los electrones, cargados
negativamente, permanecen ligados a este mediante la fuerza electromagnética.
Los átomos se clasifican de acuerdo al número de
protones y neutrones que contenga su núcleo. El número de protones o número
atómico determina su elemento químico, y el número de neutrones
determina su isótopo. Un átomo
con el mismo número de protones que de electrones es eléctricamente neutro. Si
por el contrario posee un exceso de protones o de electrones, su carga neta es
positiva o negativa, y se denomina ion.
Estructura atómica
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 delhidrógeno-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 núcleo atómico
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,5 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.6
Nube de electrones
Los cinco
primeros orbitales atómicos.
Los electrones en el átomo son atraídos por los
protones a través de la fuerza electromagnética. Esta fuerza los atrapa en unpozo 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.
Propiedades atómicas
Masa
La mayor parte de la masa del átomo viene de los
nucleones, los protones y neutrones del núcleo. También contribuyen en una
pequeña parte la masa de los electrones, y la energía de ligadura de los
nucleones, en virtud de la equivalencia entre masa y energía. La unidad
de masa que se utiliza
habitualmente para expresarla es la unidad de masa atómica (u). Esta se define como la doceava parte de la masa de un átomo
neutro de carbono-12 libre, cuyo núcleo contiene 6 protones y 6 neutrones, y equivale a
1,66 · 10-27 kg aproximadamente.
Tamaño
Los átomos no están delimitados por una frontera
clara, por lo que su tamaño se equipara con el de su nube electrónica. Sin
embargo, tampoco puede establecerse una medida de esta, debido a las
propiedades ondulatorias de los electrones. En la práctica, se define el radio
atómico estimándolo en función de algún fenómeno físico, como la
cantidad y densidad de átomos en un volumen dado, o la distancia entre dos
núcleos en una molécula.
Niveles de energía
Un electrón ligado en el átomo posee una energía potencial inversamente
proporcional a su distancia al núcleo y de signo negativo, lo que quiere decir
que esta aumenta con la distancia. La magnitud de esta energía es la cantidad
necesaria para desligarlo, y la unidad usada habitualmente para expresarla es
el electrónvoltio (eV). En el modelo
mecanocuántico solo hay un conjunto discreto de estados o niveles en los que un
electrón ligado puede encontrarse —es decir, enumerables—, cada uno con un
cierto valor de la energía. El nivel con el valor más bajo se denomina el estado fundamental, mientras
que el resto se denominan estados excitados.
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 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.12
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.
CUANTOS
En física, el término cuanto o cuantio (del latín
Quantum, plural Quanta, que representa una cantidad de algo) denotaba en la
física cuántica primitiva tanto el valor mínimo que puede tomar una determinada
magnitud en un sistema físico, como la mínima variación posible de este
parámetro al pasar de un estado discreto a otro.1 Se hablaba de que una
determinada magnitud estaba cuantizada según el valor de cuanto. Es decir,
cuanto es una proporción hecha por la magnitud dada.
Un
ejemplo del modo en que algunas cantidades relevantes de un sistema físico
están cuantizadas lo encontramos en el caso de la carga eléctrica de un cuerpo,
que sólo puede tomar un valor que sea un múltiplo entero de la carga del
electrón. En la moderna teoría cuántica aunque se sigue hablando de
cuantización el término cuanto ha caído en desuso. El hecho de que las
magnitudes estén cuantizadas se considera ahora un hecho secundario y menos
definitorio de las caracterísitcas esenciales de la teoría.
