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Átomo

Un átomo es la unidad de partículas más pequeñas existente como sustancia simple, pudiendo intervenir en una combinación química. A lo largo de los siglos, los conocimientos limitados que se tenían sobre el átomo, sólo fueron objeto de conjeturas y suposiciones, por lo que no se pudieron obtener datos concretos sino hasta muchos años después. En los siglos XVIII y XIX, el científico inglés John Dalton sugirió la existencia de los átomos como una unidad extremadamente pequeña, de la cual estaría compuesta toda la materia, y les asignó masa y los representó como esferas macizas e indivisibles.

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Qué es un átomo

Es la unidad mínima de la materia, de lo que se componen los sólidos, líquidos y gases. Los átomos se agrupan, pudiendo ser del mismo tipo o diferentes, para formar moléculas, las cuales, a su vez constituye la materia de la que están compuestos los cuerpos que existen. Sin embargo, científicos han determinado que apenas un 5% de la materia existente en el universo está constituida por átomos, ya que la materia oscura (que ocupa más del 20% del universo) está compuesta de partículas desconocidas, así como la energía oscura (que ocupa un 70%).

Su nombre proviene del latín atomus, que significa “indivisible”, y quienes le otorgaron esta terminología fueron los filósofos griegos Demócrito (460-370 a.C.) y Epicuro (341-270 a.C.).

Estos filósofos, quienes sin haber experimentado, en la búsqueda de una respuesta ante la interrogante de qué estamos compuestos y la explicación de la realidad, concluyeron que era imposible dividir la materia infinitamente, que debía existir un “tope”, lo que significaba que se habría llegado al límite mínimo de lo que están compuestas todas las cosas. A dicho “tope”, lo llamaron átomo, pues esa partícula mínima ya no podía ser dividida y de eso estaría compuesto el universo, cabe agregar que aún se conserva dicho concepto en la actualidad cuando se habla de qué es un átomo.

Está conformado por un núcleo, donde existe al menos un protón e igual cantidad de neutrones (a cuya unión se le denomina “nucleón), y al menos un 99,94% de su masa se encuentra en dicho núcleo. El restante 0,06% lo constituyen los electrones que orbitan el núcleo. Si la cantidad de electrones y protones es la misma, el átomo es eléctricamente neutro; si tiene más electrones que protones, su carga será negativa y se le determina como anión; y si la cantidad de protones supera a los electrones, su carga será positiva, y denominado catión.

Su tamaño es tan pequeño (de aproximadamente la diez mil millonésima parte de un metro) que si se dividiera un objeto una cantidad considerable de veces, ya no quedaría nada del material del que estaba compuesto, sino que quedarían los átomos de los elementos que, en combinación, lo formaban, y éstos son prácticamente invisibles. Sin embargo, no todos los tipos de átomos tienen la misma forma y tamaño, ya que dependerá de varios factores.

Elementos de un átomo

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Los átomos tienen otros componentes que los conforman denominados partículas subatómicas, las cuales, no pueden existir independientemente, a menos que sea bajo condiciones especiales y controladas. Estas partículas son: electrones, que poseen carga negativa; protones, que tienen carga positiva; y neutrones, cuya carga es igual, lo que los hace neutros eléctricamente. Los protones y neutrones se encuentran en el núcleo (el centro) del átomo, formando lo que se conoce como nucleón, y los electrones orbitan el núcleo.

Protones

Esta partícula se encuentra en el núcleo del átomo, formando parte de los nucleones, y su carga es positiva. Aportan cerca del 50% de la masa del átomo, y su masa es equivalente a 1836 veces la de un electrón. Sin embargo, presentan una ligera cantidad menor de masa que los neutrones. El protón no es una partícula elemental, ya que está compuesto por tres quarks (que es un tipo de fermión, una de las dos partículas elementales existentes).

La cantidad de protones en un átomo es determinante para definir el tipo de elemento. Por ejemplo, el átomo de carbono tiene seis protones, mientras que un átomo de hidrógeno tiene un único protón.

Electrones

Son las partículas negativas que se encuentran orbitando el núcleo del átomo. Su masa es tan ínfima que se considera descartable. Normalmente, la cantidad de electrones en un átomo es la misma de los protones, por lo cual ambas cargas se cancelan las unas con las otras.

Los electrones de distintos átomos quedan enlazados por la fuerza de Coulomb (electrostática), y al compartirse e intercambiarse de un átomo a otro, causa los enlaces químicos. Hay electrones que pueden estar libres, sin estar unidos a algún átomo; y los que están enlazados a uno, pueden tener órbitas de distintos tamaños (a mayor radio orbital, mayor la energía contenida en él).

El electrón es una partícula elemental, ya que es un tipo de fermión (leptones), y no lo constituye ningún otro elemento.

Neutrones

Es la partícula subatómica neutra del átomo, es decir, que presenta igual cantidad de carga positiva y negativa. Su masa es ligeramente superior a la de los protones, con los cuales conforma el núcleo del átomo.

Al igual que los protones, los neutrones están compuestos por tres quarks: dos descendentes o down con carga -1/3 y uno ascendente o up con carga +2/3, resultando una carga total de cero, lo que le da neutralidad. Un neutrón por sí solo no puede existir fuera del núcleo, ya que su promedio de vida fuera de éste, es de unos 15 minutos.

La cantidad de neutrones en un átomo, no determina la naturaleza de éste, a menos que se trate de un isótopo.

Isótopos

Son un tipo de átomos, cuya composición nuclear no es equitativa; es decir, que presenta la misma cantidad de protones pero distinta cantidad de neutrones. En este caso, los átomos que conforman un mismo elemento serán distintos, diferenciados por el número de neutrones que contengan.

Existen dos tipos de isótopos:

  • Naturales, que se encuentran en la naturaleza, como el caso del átomo de hidrógeno, que tiene tres (protio, deuterio y tritio); o el átomo de carbono, que también tiene tres (carbono-12, carbono-13 y carbono-14; cada uno con utilidades distintas).
  • Artificiales, que se producen en ambientes controlados, en los que se bombardean partículas subatómicas, siendo inestables y radioactivos.

Existen isótopos estables, pero dicha estabilidad es relativa, ya que, aunque de igual forma son radioactivos, su periodo de desintegración es extenso comparado a la existencia del planeta.

Cómo se definen los elementos de un átomo

Un átomo estará diferenciado o definido por varios factores, a saber:

  • Cantidad de protones: la variación en este número, puede resultar en otro elemento diferente, ya que determina a qué elemento químico pertenece.
  • Cantidad de neutrones: especifica el isótopo del elemento.

La fuerza con la que los protones atraen a los electrones, es la electromagnética; mientras que la que atrae a los protones y neutrones es la nuclear, cuya intensidad es mayor a la primera, que repele a los protones cargados positivamente entre sí.

Si en un átomo la cantidad de protones es elevada, la fuerza electromagnética que los repele se volverá más fuerte que la nuclear, existe la probabilidad que los nucleones sean expulsados del núcleo, produciendo la desintegración nuclear, o lo que también se le conoce como radiactividad; para luego resultar en transmutación nuclear, que es la conversión de un elemento en otro (alquimia).

Qué es un modelo atómico

Es un esquema que ayuda a definir qué es un átomo, su composición, su distribución y las características que presenta. Desde el nacimiento del término, se han desarrollado distintos modelos atómicos, que permitieron comprender mejor la estructuración de la materia.

Los modelos atómicos más representativos son:

Modelo atómico de Bohr

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El físico danés Niels Bohr (1885-1962), tras estudios con su profesor, el químico y también físico Ernest Rutherford, se inspiró en el modelo de éste último para exponer el suyo, tomando como guía el átomo de hidrógeno.

El modelo atómico de Bohr consiste en una especie de sistema planetario, en el que el núcleo está en el centro y los electrones se mueven alrededor del mismo a modo de planetas, en órbitas estables y circulares, donde la más grande guarda mayor energía. Incluye en el mismo la absorción y emisión de gases, la teoría de la cuantización de Max Planck y el efecto fotoeléctrico de

Albert Einstein

Los electrones pueden saltar de una órbita a otra: si va desde una de menor a otra de mayor energía, incrementará un cuanto o cuantio de energía por cada órbita que alcance; sucediendo lo contrario cuando va de mayor a menor energía, donde no sólo decrece la misma, sino que la pierde en forma de radiación como luz (fotón).

Sin embargo, el modelo atómico de Bohr tuvo fallas, pues no fue aplicable para otro tipo de átomos.

Modelo atómico de Dalton

John Dalton (1766-1844), matemático y químico, fue pionero en la publicación de un modelo atómico con basamento científico, en el que expuso que los átomos eran similares a las bolas de billar, es decir, esféricas.

El modelo atómico de Dalton establece en su planteamiento (al que denominó “teoría atómica”) que los átomos no pueden dividirse. También establece que los átomos de un mismo elemento son de cualidades idénticas, incluido su peso y masa; que a pesar de que puedan ser combinados, permanecen indivisibles con relaciones sencillas; y que pueden combinarse en proporciones diferentes con otro tipo de átomos para crear diversos compuestos (unión de dos o más tipos de átomos).

Este modelo atómico de Dalton fue inconsistente, debido a que no explicaba la presencia de las partículas subatómicas, ya que se desconocía la presencia del electrón y el protón. Tampoco pudo explicar los fenómenos de radioactividad ni la corriente de electrones (rayos catódicos); además, no toma en cuenta los isótopos (átomos del mismo elemento con distinta masa).

Modelo atómico de Rutherford

Planteado por el físico y químico Ernest Rutherford (1871-1937), este modelo es una analogía al sistema solar. El modelo atómico de Rutherford establece que el mayor porcentaje de la masa del átomo y su parte positiva, se encuentran en su núcleo (centro); y la parte negativa o electrones, giran alrededor del mismo en órbitas elípticas o circulares, existiendo vacío entre éstos. Así, se convirtió en el primer modelo en separar el átomo en núcleo y corteza.

El físico realizó experimentos, en los que calculó el ángulo de dispersión de las partículas al chocarlos contra una lámina de oro, y notó que algunas rebotaban en ángulos incongruentes, con lo que concluyó que su núcleo debía ser pequeño pero de gran densidad. Gracias a Rutherford, quien fue estudiante de J.J. Thomson, se tuvo además la primera noción sobre la presencia de neutrones. Otro logro fue el planteamiento de interrogantes sobre cómo las cargas positivas en el núcleo podían permanecer juntas en un volumen tan pequeño, lo cual más tarde llevó al descubrimiento de un de las interacciones fundamentales: la fuerza nuclear fuerte.

El modelo atómico de Rutherford presentó incoherencias, ya que contradecía las leyes de Maxwell sobre electromagnetismo; y tampoco explicaba los fenómenos de radiación de energía en la transición de un electrón de un estado de alta a baja energía.

Modelo atómico de Thomson

Fue expuesto por el científico y ganador del Premio Nobel de Física en 1906, Joseph John Thomson (1856-1940). El modelo atómico de Thomson describe al átomo como una masa esférica de carga positiva con electrones insertados en ella, como un budín de pasas. La cantidad de electrones en este modelo eran los suficientes para neutralizar la carga positiva, y la distribución de la masa positiva y electrones era aleatoria.

Experimentó con rayos catódicos: en un tubo de vacío pasó rayos de corriente con dos placas, produciendo un campo eléctrico que los desviaba. Así determinó que la electricidad estaba compuesta de otra partícula; descubriendo la existencia de los electrones.

Sin embargo, el modelo atómico de Thomson fue breve, pues nunca tuvo aceptación académica. Su descripción sobre la estructura interna del átomo era incorrecta, así como la distribución de las cargas, no tomaba en cuenta la existencia de neutrones y no se conocía sobre los protones. Tampoco explica la regularidad de la Tabla Periódica de los Elementos.

Pese a ello, sus estudios sirvieron de base para descubrimientos posteriores, ya que a partir de este modelo, se conoció sobre la existencia de partículas subatómicas.

Masa atómica

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Representada con la letra A, se le denomina masa atómica a la masa total de los protones y neutrones contenidos en un átomo, sin tomar en cuenta los electrones, pues su masa es tan pequeña que puede ser descartable.

Los isótopos, son variaciones de átomos de un mismo elemento con la misma cantidad de protones, pero distinto número de neutrones, por lo que su masa atómica será diferente aun cuando sean muy similares.

Número atómico

Se representa con la letra Z, y se refiere a la cantidad de protones contenidos en un átomo, que es el mismo número de electrones en el mismo. La Tabla Periódica de los Elementos de Mendeléiev de 1869, se encuentra ordenada de menor a mayor de acuerdo al número atómico.


Bibliografía

Martínez, Aurora. ( Última edición:15 de julio del 2020). Definición de Átomo. Recuperado de: //conceptodefinicion.de/atomo/. Consultado el 30 de noviembre del 2020