El Atomo Y Sus Particulas Subatomicas

1.1 EL ÁTOMO Y SUS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS.

Desde épocas remotas, los humanos se han interesado por la naturaleza de la materia.Las ideas modernas sobre la estructura de la materia se basan en la teoría atómica deDalton, de principios del siglo XIX. En la actualidad se sabe que toda la materia estáformada por átomos, moléculas e iones. La química siempre se relaciona, de una u otraforma, con estas especies.En el siglo v a.c. el filósofo griego Demócrito expresó la idea de que toda la materiaestaba formada por muchas partículas pequeñas e indivisibles que llamó átomos (quesignifica indestructible o indivisible). A pesar de que la idea de Demócrito no fueaceptada por muchos de sus contemporáneos (entre ellos Platón y Aristóteles), ésta semantuvo. Las evidencias experimentales de algunas investigaciones científicasapoyaron el concepto del "atomismo", lo que condujo, de manera gradual, a lasdefiniciones modernas de elementos y compuestos. En 1808, un científico inglés, elprofesor John Dalton, formuló una definición precisa de las unidades indivisibles con lasque está formada la materia y que llamamos átomos.El trabajo de Dalton marcó el principio de la era de la química moderna. Las hipótesissobre la naturaleza de la materia, en las que se basa la teoría atómica de Dalton,pueden resumirse como sigue:

1. Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadasátomos.

2. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos detodos los demás elementos.

3. Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación del número de átomos entre dos de los elementos presentessiempre es un número entero o una fracción sencilla.

4. Una reacción química implica sólo la separación, combinación o reordenamiento delos átomos; nunca supone la creación o destrucción de los mismos.

En la figura 1 se muestra una representación esquemática de las tres últimas hipótesis.

a) De acuerdo con la teoría atómica de Dalton, los átomos del mismoelemento son idénticos, pero los átomos de un elemento son distintos de losátomos de otros. b) Compuesto formado por átomos de los elementos X y YEn este caso, la proporción de los átomos del elemento X con respecto a ladel elemento Y es de 2: 1. Obsérvese que la reacción química produce sóloun reordenamiento de átomos, no su destrucción o creación.El concepto de Dalton sobre un átomo es mucho más detallado y específico que elconcepto de Demócrito. La segunda hipótesis establece que los átomos de un elementoson diferentes de los átomos de todos los demás elementos. Dalton no intentó describir la estructura o composición de los átomos. Tampoco tenía idea de cómo era un átomo,pero se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por elementoscomo el hidrógeno y el oxígeno, sólo se puede explicar a partir de la idea de que losátomos de hidrógeno son diferentes de los átomos de oxígeno.La tercera hipótesis sugiere que para formar determinado compuesto no sólo senecesitan los átomos de los elementos correctos, sino que es indispensable un númeroespecífico de dichos átomos. Esta idea es una extensión de una ley publicada en 1799por el químico francés Joseph Proust.

La estructura del átomo.

Con base en la teoría atómica de Dalton, un átomo se definecomo la unidad básica de un elemento que puede intervenir en una combinaciónquímica. Dalton describió un átomo como una partícula extremadamente pequeña eindivisible. Sin embargo, una serie de investigaciones iniciadas alrededor de 1850, yque continuaron hasta el siglo XX, demostraron claramente que los átomos tienen unaestructura interna, es decir, que están formados por partículas aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas. Estas investigaciones condujeron descubrimientode tres partículas: electrones, protones y neutrones.

El electrón

Los electrones son estables y forman la envoltura del átomo, su masa esprácticamente nula

(9.11 x 10-28g o1/1830 la masa de un átomo de hidrógeno).

El protón

.

Es estable y forma parte del núcleo de todos los átomos; su carga eléctricaes positiva y su masa es de 1.67 x 10 -

24

g.

El Neutrón

.

Junto con los protones, los neutrones constituyen el núcleo de los átomos,debido a esto a ambas partículas se les llama nucleones. Los neutrones no tienen cargaeléctrica y su masa es ligeramente mayor a la del protón (1.675 x 10

-24

g).Todos los átomos se pueden identificar por el número de protones y neutrones quecontienen.El

número atómico

(Z) es el número de protones en el núcleo del átomo de unelemento. En un átomo neutro el número de protones es igual al número de electrones,

Partícula

Localización

Carga

eléctrica

Símbolo

Electrón Envoltura Negativa e-Protón Núcleo Positiva

P+

Neutrón Núcleo Neutra n°

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de manera que el número atómico también indica el número de electrones presentes enun átomo. La identidad química de un átomo queda determinada por su númeroatómico. Por ejemplo, el número atómico del flúor es 9. Esto significa que cada átomode flúor tiene 9 protones y 9 electrones. O bien, visto de otra forma, cada átomo en eluniverso que contenga 9 protones se llamará de manera correcta "flúor".El

número de masa

(A) es el número total de neutrones y protones presentes en elnúcleo de un átomo de un elemento. Con excepción de la forma más común delhidrógeno, que tiene un protón y no tiene neutrones, todos los núcleos atómicoscontienen tanto protones como neutrones. En general, el número de masa está dadopor número de masa = número de protones + número de neutrones= número atómico + número de neutronesEl número de neutrones en un átomo es igual a la diferencia entre el número de masa yel número atómico (A - Z). Por ejemplo, el número de masa del flúor es 19 y su númeroatómico es 9. Así, el número de neutrones en un átomo de flúor es 19 - 9 = 10. Observeque el número atómico, el número de neutrones y el número de masa deben ser enteros positivos.No todos los átomos de un elemento determinado tienen la misma masa. La mayoría delos elementos tiene dos o más isótopos, átomos que tienen el mismo número atómicopero diferente número de masa. Por ejemplo, existen tres isótopos de hidrógeno. Unode ellos, que se conoce como hidrógeno, tiene un protón y no tiene neutrones. Elisótopo llamado deuterio contiene un protón y un neutrón, y el tritio tiene un protón ydos neutrones. La forma aceptada para denotar el número atómico y el número demasa de un elemento (X) es como sigue:

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1.1.1 RAYOS CATÓDICOS Y RAYOS ANÓDICOS.

En la década de 1890, muchos científicos estaban interesados en el estudio de laradiación, la emisión y transmisión de la energía a través del espacio en forma deondas. La información obtenida por estas investigaciones contribuyó al conocimiento dela estructura atómica.Para investigar este fenómeno se utilizó un tubo de rayos catódicos, precursor de lostubos utilizados en los televisores. Consta de un tubo de vidrio del cual se ha evacuadocasi todo el aire. Si se colocan dos placas metálicas y se conectan a una fuente de altovoltaje, la placa con carga negativa, llamada cátodo, emite un rayo invisible. Este rayocatódico se dirige hacia la placa con carga positiva, llamada ánodo, que pasa por unaperforación y continúa su trayectoria hasta el otro extremo del tubo. Cuando dicho rayoalcanza la superficie, recubierta de una manera especial, produce una fuertefluorescencia o luz brillante.

Figura 2

: Tubo de rayos catódicos con un campo eléctrico perpendicular a la direcciónde los rayos catódicos y un campo magnético externo. Los símbolos N y Sdenotan los polos norte y sur del imán. Los rayos catódicos golpearán elextremo del tubo en el punto A en presencia de un campo magnético, en elpunto C en presencia de un campo eléctrico y en el punto B cuando no existancampos externos presentes o cuando los efectos del campo eléctrico y delcampo magnético se cancelen mutuamente.En algunos experimentos se colocaron, por fuera del tubo de rayos catódicos, dosplacas cargadas eléctricamente y un electroimán. Cuando se conecta el campo

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magnético y el campo eléctrico permanece desconectado, los rayos catódicos alcanzanel punto A del tubo. Cuando está conectado solamente el campo eléctrico, los rayosllegan al punto C. Cuando tanto el campo magnético como el eléctrico estándesconectados, o bien cuando ambos están conectados pero se balancean de formaque se cancelan mutuamente, los rayos alcanzan el punto B. De acuerdo con la teoríaelectromagnética, un cuerpo cargado, en movimiento, se comporta como un imán ypuede interactuar con los campos magnéticos y eléctricos que atraviesa. Debido a quelos rayos catódicos son atraídos por la placa con carga positiva y repelidos por la placacon carga negativa, deben consistir en partículas con carga negativa. Actualmente,estas partículas con carga negativa se conocen como electrones. En la figura 3 semuestra el efecto de un imán sobre los rayos catódicos.

Figura 3

: Rayo catódico producido en un tubo de descarga. El rayo en sí mismo esinvisible, pero la fluorescencia de un recubrimiento de su fluoruro de zinc enel cristal provoca su apariencia verdosa. b) El rayo catódico se inclina haciaabajo cuando se le acerca

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