Qué es el Átomo

Aunque el átomo es una unidad básica, está compuesto de tres subestructuras:

• Los protones.
• Los neutrones.
• Los electrones.

Estas partículas subatómicas tienen un orden en particular dentro del átomo. Los protones y los neutrones forman el núcleo atómico mientras que los electrones orbitan alrededor de este. Adicionalmente, estas partículas están definidas por su carga eléctrica, donde los protones tienen una carga eléctrica positiva, los electrones negativa y los neutrones como su nombre lo indica, no tienen carga alguna, aunque aportan otras características al átomo.

Otra particularidad importante de estas partículas es la masa. La mayor parte de la masa se encuentra en el núcleo, o sea, en los protones y los neutrones. Un protón tiene aproximadamente 1,800 veces la masa de un electrón. Los electrones orbitan alrededor del núcleo en una nube que tiene un radio de aproximadamente 10,000 veces el tamaño del núcleo.

El número de protones y electrones define a cada uno de los elementos de la tabla periódica y su número es representado en ella como el número atómico. La cantidad de protones y electrones es la misma en un átomo determinado lo cual hace que su carga total sea neutral. La mayoría de los átomos, aunque no todos, tienen al menos tantos neutrones como protones. Si agregamos un protón adicional a un átomo, se crea un nuevo elemento y si agregamos un neutrón, creamos un isótopo, o sea un átomo del mismo elemento pero con mas masa.

El átomo de hidrógeno es la excepción ya que no contiene neutrones, solo está formado de un protón y un electrón.

El progreso tecnológico llevó al descubrimiento de nuevas partículas subatómicas aparte de las tres básicas que mencionamos y que han supuesto grandes avances en el entendimiento de la estructura y el funcionamiento del átomo como los quarks, los leptones y los bosones.

Núcleo

El núcleo atómico está formado de protones y neutrones que en conjunto se llaman nucleones y contienen casi la totalidad de la masa del átomo. Un 99.999% de la masa se encuentra en estas dos estructuras, los protones y los neutrones, que según el modelo estándar se encuentran unidos por la “fuerza nuclear fuerte”. Esta fuerza también conocida como “interacción nuclear fuerte” o simplemente “fuerza fuerte” vence la repulsión electromagnética que existe entre dos protones que tienen la misma carga eléctrica y los mantiene unidos entre sí junto a los neutrones que no tienen carga. La Tierra contiene aproximadamente 1.33 × 1050 átomos.

Protones

Portadores de la carga positiva, los protones son parte del núcleo y aportan casi la mitad de la masa de un átomo. Con ligeramente menos masa que los neutrones, los protones tienen una masa de 1.67x10-27 Kilogramos o sea 1836 veces la masa de un electrón. La masa de un protón es 99.86% la masa de un neutrón.

El número de protones determina de qué elemento de la tabla periódica estamos hablando. En este sentido, un átomo de sodio tiene 11 protones, uno de carbono seis, uno de oxígeno 8 o uno de Uranio 92. Si vemos la tabla periódica podremos observar que este número de protones equivale al número atómico de cada uno de estos elementos.

Quarks

Los protones y los neutrones están compuestos de un par de partículas llamadas quarks y gluones. Los protones contienen dos quarks ascendentes de carga positiva (+2/3) y un quark descendente con carga negativa (-1/3), mientras que los neutrones contienen un quark ascendente y dos quarks descendentes. Los gluones son responsables de unir a los quarks entre sí.

Neutrones

El otro elemento del núcleo son los neutrones con una masa ligeramente superior a la de los protones o lo que es equivalente a 1.69x 10-27 Kilogramos o 1839 veces la masa de un electrón. Igual que los protones, los neutrones están hechos de quarks pero tienen uno ascendente con carga (+2/3) y dos descendentes con carga (-1/3) cada uno lo que da una carga neta de cero.

Electrones

La partícula más pequeña del átomo son los electrones que son más de 1800 veces más pequeños que los protones y los neutrones, ya que tienen una masa de 9.109x10-31 kilogramos lo que equivale a 0.054% de la masa del átomo.

Los electrones orbitan el núcleo del átomo en una órbita con un radio de unas 10,000 veces el tamaño del núcleo formando lo que se conoce como la nube de electrones. Estos son atraídos a los protones del núcleo por la fuerza electromagnética que atrapa a los electrones en un “pozo de potencial” electrostático alrededor del núcleo.

Para encontrar la cantidad de protones, electrones y neutrones en el átomo de un elemento determinado se pueden hacer de la siguiente manera: busca una Tabla Periódica y encuentra el elemento que deseas.

En la información de todas las tablas periódicas, está el número atómico y el peso atómico de cada elemento. El número atómico es el número que se encuentra en la esquina superior izquierda y el peso atómico es el número ubicado en la parte inferior, como en este ejemplo para uranio.

El número de protones

El número atómico que vemos en la parte superior izquierda es la cantidad de protones en un átomo de un elemento. En este ejemplo, el número atómico del Uranio es 92. Esto nos dice que un átomo de Uranio tiene 92 protones en su núcleo. Lo interesante aquí es que cada átomo de uranio tiene necesariamente 92 protones. Si un átomo no tiene 92 protones, no puede ser un átomo de uranio. Agregar o eliminar protones del núcleo de un átomo crea un elemento diferente. Por ejemplo, eliminar un protón de un átomo de uranio crea un átomo de protactinio.

El número de electrones

Los átomos no tienen carga eléctrica neta, esto significa que hay equilibrio entre los protones cargados positivamente y los electrones cargados negativamente. Los átomos deben tener el mismo número de protones y electrones para lograr esto. En nuestro ejemplo por consiguiente, un átomo de uranio debe contener 92 electrones, ya que contiene 92 protones.

Un átomo puede ganar o perder electrones, convirtiéndose en lo que se conoce como un ion. Un ion no es más que un átomo cargado eléctricamente. Agregar o eliminar electrones de un átomo no cambia qué elemento es, solo su carga neta.

Por ejemplo, eliminar un electrón de un átomo de uranio forma un ion de uranio, que generalmente se escribe como U+. El signo más (+) significa que este es un ion de carga positiva. Está cargado positivamente porque un electrón cargado negativamente se eliminó del átomo. Los 91 electrones restantes fueron superados en número por los 92 protones cargados positivamente, lo que resultó en una carga de +1.

El número de neutrones

El peso atómico es básicamente una medida del número total de partículas en el núcleo de un átomo. En realidad, no es tan directo. El peso atómico es un promedio ponderado de todos los isótopos naturales de un elemento en relación con la masa de carbono-12.

Aunque la masa no se encuentra en la tabla periódica, todo lo que tiene que hacer es redondear el peso atómico al número entero más cercano. En nuestro ejemplo, el número de masa del uranio es 238 ya que su peso atómico, 238.03. El número de masa es un recuento del número de partículas en el núcleo de un átomo y como el núcleo está formado por protones y neutrones. Entonces:

• Número de masa = (Número de protones) + (Número de neutrones)
• Para el uranio, esta ecuación se convierte en: 238 = (Número de protones) + (Número de neutrones)
• Como sabemos, los protones es de 92 por lo que despejando esta simple ecuación podemos determinar que el uranio tiene 146 neutrones.

En resumen:

1. Protones = número atómico.
2. Electrones = número atómico
3. Neutrones = masa atómica redondeada – número atómico.

El término átomo proviene de una palabra griega que significa “indivisible” y por increíble que parezca hace más de dos mil años un grupo de filósofos griegos creo el primer modelo atómico. Este modelo se le atribuye a Demócrito (470-380 A.C.) quien consideraba que la materia no se puede seguir dividiendo después de llegar al elemento básico e indivisible: el átomo.

Pasaron más de dos mil años para que John Dalton, un químico-físico británico propusiera un nuevo modelo que sentó las bases de una nueva rama de la física. A partir de eso, toda una generación de genios de la física crearon nuevos modelos atómicos con importantes aportaciones cada uno de ellos. Los principales modelos que han sido propuestos en la historia son:

1. Modelo atómico de Demócrito.
2. Modelo de Dalton.
3. Modelo de Thomson.
4. Modelo de Rutherford.
5. Modelo de Bohr
6. Modelo se Sommerfeld.
7. Modelo de Schrödinger.

Después de la básica pero muy brillante explicación de los filósofos griegos Demócrito, Epicuro y Leucipo acerca del átomo y la composición de la materia, pasaron más de 2000 años para que se postulara una nueva teoría sobre el modelo atómico que fuera tomada en cuenta por la comunidad científica.

En 1804 John Dalton, un químico británico, se basó en las ideas de los griegos para presentar un modelo atómico que igual afirmaba la indivisibilidad del átomo y su unión como estructura básica para formar la materia. Adicionalmente, Dalton agregó que todos los átomos de un elemento son idénticos y tienen diferentes pesos y propiedades únicos comparados con otros elementos.

Otra gran aportación la hizo el ruso Dmitri Mendelev que en 1869 hizo una clasificación de los elementos según su masa atómica lo que fue el inicio de la hoy conocida como tabla periódica.

Otro británico, el físico Joseph Thomson descubrió en 1897 el electrón, lo que dio inicio a un modelo con cargas eléctricas positivas y negativas lo que implícitamente indicaba que los átomos se podían dividir. Unos años más tarde, Thomson propuso su modelo atómico que describía la estructura del átomo con electrones flotando en una sustancia de carga positiva.

Más tarde, Ernest Rutherford, un discípulo de Thomson, propuso en 1911 un nuevo modelo en el que los electrones orbitaban alrededor del núcleo y había un espacio vacío entre ellos. En esencia, el modelo del átomo de Rutherford sigue siendo el modelo básico que se usa hoy en día. Adicionalmente, Rutherford predijo el neutrón en 1920 por lo que fue agregado a este modelo y fue la primera vez que apareció en uno.

El modelo de Rutherford sin embargo, presentaba varias incongruencias a leyes básicas de la física, principalmente las leyes del Electromagnetismo, por lo que Niels Bohr propuso más tarde un nuevo modelo que trataba de conciliar estas diferencias.

Posteriormente, otros científicos propusieron o mejoraron el modelo atómico, como Arnold Sommerfeld, Erwin Schrödinger que desarrolló el modelo cuántico del átomo, Werner Heisenberg y Murray Gell-Mann y George Zweig estos últimos creadores del modelo con quarks.

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