Estructura atómica
Partículas subatómicas
Véase también: 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 ion hidronio, 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).4
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.
El núcleo atómico
Artículo principal: 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
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.7
Nube de electrones
Artículo principal: 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 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.
3.3 Número atómico, número de masa e isótopos.
EL NÚMERO ATÓMICO
Es el número de protones que tiene un átomo y se
representa con Z. Como los átomos son neutros, Z nos indica en cierto modo el
número de electrones. Por tanto,
Número de protones = Número de electrones.
La suma del número de protones y neutrones se denomina
Número Másico: (A).
El número atómico ( Z ) es el número de protones que
tiene un átomo de un elemento determinado. Coincide con el número de orden del
elemento en la tabla periódica. El número atómico ( Z ) coincide con el número
de electrones que orbitan al rededor del átomo si éste se encuentra en estado
neutro (nºe-). De esta manera, el Flúor ( F ) tiene una Z de 9.
El número másico ( A ) es la suma del número de
protones ( Z ) y del número de neutrones ( N ) de un átomo. A = Z + N .
Los isótopos son átomos con el mismo número de
protones pero diferente número de neutrones. Los isótopos son, pues, átomos de
un mismo elemento químico que poseen masas diferentes. La abundancia isotópica
es la frecuencia con la que nos encontramos en la naturaleza cada uno de los
isótopos que puede tener un mismo elemento.
Viendo todo lo dicho, así es cómo podemos tener F-19,
con 9 protones y 10 neutrones, F-20, con 9 protones pero 11 neutrones, etc.
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