Átomo - Atom

Átomo
Estado fundamental del átomo de helio
Una ilustración del átomo de helio , que representa el núcleo (rosa) y la distribución de la nube de electrones (negro). El núcleo (arriba a la derecha) del helio-4 es en realidad esféricamente simétrico y se parece mucho a la nube de electrones, aunque este no es siempre el caso de núcleos más complicados. La barra negra es un angstrom (10 -10  m o100  pm ).
Clasificación
La división más pequeña reconocida de un elemento químico.
Propiedades
Rango de masa 1,67 × 10 −27 hasta4,52 × 10 −25  kg
Carga eléctrica carga cero (neutra) o de iones
Gama de diámetros 62 p . M. ( He ) a 520 p. M. ( Cs ) ( página de datos )
Componentes Electrones y un núcleo compacto de protones y neutrones.

Un átomo es la unidad más pequeña de materia ordinaria que forma un elemento químico . Todo sólido , líquido , gas y plasma está compuesto por átomos neutros o ionizados . Los átomos son extremadamente pequeños, por lo general alrededor de 100  picómetros de diámetro. Son tan pequeños que predecir con precisión su comportamiento utilizando la física clásica —como si fueran pelotas de tenis , por ejemplo— no es posible debido a los efectos cuánticos .

Cada átomo está compuesto por un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. El núcleo está formado por uno o más protones y varios neutrones . Solo la variedad más común de hidrógeno no tiene neutrones. Más del 99,94% de la masa de un átomo está en el núcleo. Los protones tienen carga eléctrica positiva , los electrones tienen carga eléctrica negativa y los neutrones no tienen carga eléctrica. Si el número de protones y electrones es igual, entonces el átomo es eléctricamente neutro. Si un átomo tiene más o menos electrones que protones, entonces tiene una carga general negativa o positiva, respectivamente; estos átomos se denominan iones .

Los electrones de un átomo son atraídos por los protones en un núcleo atómico por la fuerza electromagnética . Los protones y neutrones del núcleo son atraídos entre sí por la fuerza nuclear . Esta fuerza suele ser más fuerte que la fuerza electromagnética que repele los protones cargados positivamente entre sí. En determinadas circunstancias, la fuerza electromagnética repelente se vuelve más fuerte que la fuerza nuclear. En este caso, el núcleo se divide y deja diferentes elementos . Ésta es una forma de desintegración nuclear .

El número de protones en el núcleo es el número atómico y define a qué elemento químico pertenece el átomo. Por ejemplo, cualquier átomo que contenga 29 protones es cobre . El número de neutrones define el isótopo del elemento. Los átomos pueden unirse a uno o más átomos mediante enlaces químicos para formar compuestos químicos como moléculas o cristales . La capacidad de los átomos para asociarse y disociarse es responsable de la mayoría de los cambios físicos observados en la naturaleza. La química es la disciplina que estudia estos cambios.

Historia de la teoría atómica

En filosofia

La idea básica de que la materia está formada por diminutas partículas indivisibles es muy antigua y aparece en muchas culturas antiguas como Grecia e India . La palabra átomo se deriva de la antigua palabra griega atomos , que significa "imposible de cortar". Esta antigua idea se basó en el razonamiento filosófico más que en el razonamiento científico, y la teoría atómica moderna no se basa en estos viejos conceptos. Dicho esto, la palabra "átomo" en sí fue utilizada a lo largo de los siglos por pensadores que sospechaban que la materia era, en última instancia, de naturaleza granular.

Ley de Dalton de proporciones múltiples

Átomos y moléculas, tal como se describen en A New System of Chemical Philosophy, de John Dalton , vol. 1 (1808)

A principios del siglo XIX, el químico inglés John Dalton compiló datos experimentales recopilados por él mismo y por otros científicos y descubrió un patrón que ahora se conoce como la " ley de las proporciones múltiples ". Observó que en los compuestos químicos que contienen un elemento químico en particular, el contenido de ese elemento en estos compuestos diferirá en proporciones de números enteros pequeños. Este patrón le sugirió a Dalton que cada elemento químico se combina con otros por alguna unidad de masa básica y consistente.

Por ejemplo, hay dos tipos de óxido de estaño : uno es un polvo negro que contiene 88,1% de estaño y 11,9% de oxígeno, y el otro es un polvo blanco que contiene 78,7% de estaño y 21,3% de oxígeno. Ajustando estas cifras, en el óxido negro hay aproximadamente 13,5 g de oxígeno por cada 100 g de estaño, y en el óxido blanco hay aproximadamente 27 g de oxígeno por cada 100 g de estaño. 13,5 y 27 forman una proporción de 1: 2. En estos óxidos, por cada átomo de estaño hay uno o dos átomos de oxígeno respectivamente ( SnO y SnO 2 ).

Como segundo ejemplo, Dalton consideró dos óxidos de hierro : un polvo negro que tiene un 78,1% de hierro y un 21,9% de oxígeno, y un polvo rojo que tiene un 70,4% de hierro y un 29,6% de oxígeno. Ajustando estas cifras, en el óxido negro hay unos 28 g de oxígeno por cada 100 g de hierro, y en el óxido rojo hay unos 42 g de oxígeno por cada 100 g de hierro. 28 y 42 forman una proporción de 2: 3. En estos respectivos óxidos, por cada dos átomos de hierro, hay dos o tres átomos de oxígeno ( Fe 2 O 2 y Fe 2 O 3 ).

Como ejemplo final: el óxido nitroso es un 63,3% de nitrógeno y un 36,7% de oxígeno, el óxido nítrico es un 44,05% de nitrógeno y un 55,95% de oxígeno, y el dióxido de nitrógeno es un 29,5% de nitrógeno y un 70,5% de oxígeno. Ajustando estas cifras, en el óxido nitroso hay 80 g de oxígeno por cada 140 g de nitrógeno, en el óxido nítrico hay unos 160 g de oxígeno por cada 140 g de nitrógeno y en el dióxido de nitrógeno hay 320 g de oxígeno por cada 140 g. g de nitrógeno. 80, 160 y 320 forman una proporción de 1: 2: 4. Las fórmulas respectivas para estos óxidos son N 2 O , NO y NO 2 .

Teoría cinética de los gases

A finales del siglo XVIII, varios científicos descubrieron que podían explicar mejor el comportamiento de los gases describiéndolos como conjuntos de partículas submicroscópicas y modelando su comportamiento utilizando estadísticas y probabilidad . A diferencia de la teoría atómica de Dalton, la teoría cinética de los gases no describe cómo los gases reaccionan químicamente entre sí para formar compuestos, sino cómo se comportan físicamente: difusión, viscosidad, conductividad, presión, etc.

movimiento browniano

En 1827, el botánico Robert Brown usó un microscopio para observar los granos de polvo que flotaban en el agua y descubrió que se movían de manera errática, un fenómeno que se conoció como " movimiento browniano ". Se pensaba que esto era causado por moléculas de agua que golpeaban los granos. En 1905, Albert Einstein demostró la realidad de estas moléculas y sus movimientos al producir el primer análisis físico estadístico del movimiento browniano . El físico francés Jean Perrin utilizó el trabajo de Einstein para determinar experimentalmente la masa y las dimensiones de las moléculas, proporcionando así evidencia física de la naturaleza de partículas de la materia.

Descubrimiento del electrón

El experimento de Geiger-Marsden :
Izquierda: Resultados esperados: partículas alfa que atraviesan el modelo de pudín de ciruela del átomo con una desviación insignificante.
Derecha: Resultados observados: una pequeña porción de las partículas fue desviada por la carga positiva concentrada del núcleo.

En 1897, JJ Thomson descubrió que los rayos catódicos no son ondas electromagnéticas, sino que están formados por partículas 1.800 veces más ligeras que el hidrógeno (el átomo más ligero). Thomson concluyó que estas partículas provenían de los átomos dentro del cátodo, eran partículas subatómicas . Llamó a estas nuevas partículas corpúsculos, pero luego se les cambió el nombre de electrones . Thomson también demostró que los electrones eran idénticos a las partículas emitidas por materiales fotoeléctricos y radiactivos. Rápidamente se reconoció que los electrones son las partículas que transportan corrientes eléctricas en cables metálicos. Thomson concluyó que estos electrones surgieron de los mismos átomos del cátodo en sus instrumentos, lo que significaba que los átomos no son indivisibles como sugiere el nombre atomos .

Descubrimiento del núcleo

JJ Thomson pensó que los electrones cargados negativamente se distribuían por todo el átomo en un mar de carga positiva que se distribuía por todo el volumen del átomo. Este modelo a veces se conoce como modelo de pudín de ciruela .

Ernest Rutherford y sus colegas Hans Geiger y Ernest Marsden llegaron a tener dudas sobre el modelo de Thomson después de encontrar dificultades cuando intentaron construir un instrumento para medir la relación carga-masa de partículas alfa (estas son partículas cargadas positivamente emitidas por ciertas sustancias radiactivas como el radio ). Las partículas alfa estaban siendo dispersadas por el aire en la cámara de detección, lo que hacía que las mediciones no fueran confiables. Thomson había encontrado un problema similar en su trabajo sobre rayos catódicos, que resolvió creando un vacío casi perfecto en sus instrumentos. Rutherford no pensó que se encontraría con el mismo problema porque las partículas alfa son mucho más pesadas que los electrones. Según el modelo del átomo de Thomson, la carga positiva en el átomo no está lo suficientemente concentrada para producir un campo eléctrico lo suficientemente fuerte como para desviar una partícula alfa, y los electrones son tan livianos que deberían ser empujados a un lado sin esfuerzo por las partículas alfa mucho más pesadas. Sin embargo, hubo dispersión, por lo que Rutherford y sus colegas decidieron investigar esta dispersión con cuidado.

Entre 1908 y 1913, Rutheford y sus colegas realizaron una serie de experimentos en los que bombardearon láminas delgadas de metal con partículas alfa. Detectaron partículas alfa desviadas por ángulos superiores a 90 °. Para explicar esto, Rutherford propuso que la carga positiva del átomo no se distribuye por todo el volumen del átomo como creía Thomson, sino que se concentra en un núcleo diminuto en el centro. Solo una concentración de carga tan intensa podría producir un campo eléctrico lo suficientemente fuerte como para desviar las partículas alfa como se observa.

Descubrimiento de isótopos

Mientras experimentaba con los productos de la desintegración radiactiva , en 1913 el radioquímico Frederick Soddy descubrió que parecía haber más de un tipo de átomo en cada posición de la tabla periódica . El término isótopo fue acuñado por Margaret Todd como un nombre adecuado para diferentes átomos que pertenecen al mismo elemento. JJ Thomson creó una técnica para la separación de isótopos a través de su trabajo con gases ionizados , que posteriormente condujo al descubrimiento de isótopos estables .

Modelo de Bohr

El modelo de Bohr del átomo, con un electrón que hace "saltos cuánticos" instantáneos de una órbita a otra con ganancia o pérdida de energía. Este modelo de electrones en órbitas está obsoleto.

En 1913, el físico Niels Bohr propuso un modelo en el que se suponía que los electrones de un átomo orbitaban el núcleo, pero solo podían hacerlo en un conjunto finito de órbitas, y podían saltar entre estas órbitas solo en cambios discretos de energía correspondientes a la absorción o radiación de un fotón. Esta cuantificación se utilizó para explicar por qué las órbitas de los electrones son estables (dado que normalmente, las cargas en aceleración, incluido el movimiento circular, pierden energía cinética que se emite como radiación electromagnética, ver radiación de sincrotrón ) y por qué los elementos absorben y emiten radiación electromagnética en forma discreta. espectros.

Más tarde, en el mismo año, Henry Moseley proporcionó evidencia experimental adicional a favor de la teoría de Niels Bohr . Estos resultados refinaron el modelo de Ernest Rutherford y Antonius van den Broek , que propuso que el átomo contiene en su núcleo un número de cargas nucleares positivas que es igual a su número (atómico) en la tabla periódica. Hasta estos experimentos, no se sabía que el número atómico fuera una cantidad física y experimental. Que sea igual a la carga nuclear atómica sigue siendo el modelo atómico aceptado en la actualidad.

Los enlaces químicos entre átomos fueron explicados por Gilbert Newton Lewis en 1916, como las interacciones entre sus electrones constituyentes. Como se sabía que las propiedades químicas de los elementos se repetían en gran medida de acuerdo con la ley periódica , en 1919 el químico estadounidense Irving Langmuir sugirió que esto podría explicarse si los electrones de un átomo estuvieran conectados o agrupados de alguna manera. Se pensaba que los grupos de electrones ocupaban un conjunto de capas de electrones alrededor del núcleo.

El modelo de Bohr del átomo fue el primer modelo físico completo del átomo. Describió la estructura general del átomo, cómo los átomos se unen entre sí y predijo las líneas espectrales del hidrógeno. El modelo de Bohr no era perfecto y pronto fue reemplazado por el modelo más preciso de Schrödinger, pero fue suficiente para evaporar cualquier duda restante de que la materia está compuesta de átomos. Para los químicos, la idea del átomo había sido una herramienta heurística útil, pero los físicos tenían dudas sobre si la materia realmente está formada por átomos, ya que nadie había desarrollado todavía un modelo físico completo del átomo.

El modelo de Schrödinger

El experimento de Stern-Gerlach de 1922 proporcionó más pruebas de la naturaleza cuántica de las propiedades atómicas. Cuando un rayo de átomos de plata pasó a través de un campo magnético de forma especial, el rayo se dividió de una manera correlacionada con la dirección del momento angular de un átomo, o espín . Como esta dirección de giro es inicialmente aleatoria, se esperaría que el rayo se desvíe en una dirección aleatoria. En cambio, el rayo se dividió en dos componentes direccionales, correspondientes a la orientación del espín atómico hacia arriba o hacia abajo con respecto al campo magnético.

En 1925 Werner Heisenberg publicó la primera formulación matemática consistente de la mecánica cuántica ( mecánica matricial ). Un año antes, Louis de Broglie había propuesto la hipótesis de De Broglie : que todas las partículas se comportan como ondas hasta cierto punto, y en 1926 Erwin Schrödinger utilizó esta idea para desarrollar la ecuación de Schrödinger , un modelo matemático del átomo (mecánica ondulatoria) que describía los electrones como formas de onda tridimensionales en lugar de partículas puntuales.

Una consecuencia del uso de formas de onda para describir partículas es que es matemáticamente imposible obtener valores precisos tanto para la posición como para el momento de una partícula en un momento dado; esto se conoció como el principio de incertidumbre , formulado por Werner Heisenberg en 1927. En este concepto, para una precisión dada en la medición de una posición, solo se podía obtener un rango de valores probables para la cantidad de movimiento, y viceversa. Este modelo pudo explicar las observaciones del comportamiento atómico que los modelos anteriores no podían, como ciertos patrones estructurales y espectrales de átomos más grandes que el hidrógeno. Por lo tanto, el modelo planetario del átomo se descartó en favor de uno que describía zonas orbitales atómicas alrededor del núcleo donde es más probable que se observe un electrón dado.

Descubrimiento del neutrón

El desarrollo del espectrómetro de masas permitió medir la masa de los átomos con mayor precisión. El dispositivo usa un imán para doblar la trayectoria de un haz de iones, y la cantidad de desviación está determinada por la relación entre la masa de un átomo y su carga. El químico Francis William Aston utilizó este instrumento para mostrar que los isótopos tenían diferentes masas. La masa atómica de estos isótopos variaba en cantidades enteras, lo que se denomina regla de los números enteros . La explicación de estos diferentes isótopos esperaba el descubrimiento del neutrón , una partícula sin carga con una masa similar a la del protón , por el físico James Chadwick en 1932. Los isótopos se explicaron luego como elementos con el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. dentro del núcleo.

Fisión, física de altas energías y materia condensada

En 1938, el químico alemán Otto Hahn , un estudiante de Rutherford, dirigió neutrones hacia átomos de uranio esperando obtener elementos transuránicos . En cambio, sus experimentos químicos mostraron bario como un producto. Un año después, Lise Meitner y su sobrino Otto Frisch verificaron que el resultado de Hahn fue la primera fisión nuclear experimental . En 1944, Hahn recibió el Premio Nobel de Química . A pesar de los esfuerzos de Hahn, las contribuciones de Meitner y Frisch no fueron reconocidas.

En la década de 1950, el desarrollo de aceleradores de partículas y detectores de partículas mejorados permitió a los científicos estudiar los impactos de los átomos que se movían a altas energías. Se descubrió que los neutrones y los protones eran hadrones o compuestos de partículas más pequeñas llamadas quarks . Se desarrolló el modelo estándar de física de partículas que hasta ahora ha explicado con éxito las propiedades del núcleo en términos de estas partículas subatómicas y las fuerzas que gobiernan sus interacciones.

Estructura

Partículas subatómicas

Aunque la palabra átomo denotaba originalmente una partícula que no se puede cortar en partículas más pequeñas, en el uso científico moderno el átomo está compuesto de varias partículas subatómicas . Las partículas constituyentes de un átomo son el electrón , el protón y el neutrón .

El electrón es, con mucho, la menos masiva de estas partículas en 9,11 × 10 −31  kg , con carga eléctrica negativa y un tamaño demasiado pequeño para medirse con las técnicas disponibles. Fue la partícula más ligera con una masa en reposo positiva medida, hasta el descubrimiento de la masa de neutrinos . En condiciones normales, los electrones están unidos al núcleo cargado positivamente por la atracción creada a partir de cargas eléctricas opuestas. Si un átomo tiene más o menos electrones que su número atómico, entonces se carga respectivamente negativa o positivamente como un todo; un átomo cargado se llama ion . Los electrones se conocen desde finales del siglo XIX, principalmente gracias a JJ Thomson ; consulte la historia de la física subatómica para obtener más detalles.

Los protones tienen una carga positiva y una masa 1.836 veces la del electrón, en 1,6726 × 10 −27  kg . La cantidad de protones en un átomo se llama número atómico . Ernest Rutherford (1919) observó que el nitrógeno bajo el bombardeo de partículas alfa expulsa lo que parecen ser núcleos de hidrógeno. En 1920 había aceptado que el núcleo de hidrógeno es una partícula distinta dentro del átomo y lo llamó protón .

Los neutrones no tienen carga eléctrica y tienen una masa libre de 1.839 veces la masa del electrón, o 1,6749 × 10 −27  kg . Los neutrones son las más pesadas de las tres partículas constituyentes, pero su masa puede reducirse mediante la energía de enlace nuclear . Los neutrones y protones (conocidos colectivamente como nucleones ) tienen dimensiones comparables, del orden de2,5 × 10 −15  m, aunque la 'superficie' de estas partículas no está claramente definida. El neutrón fue descubierto en 1932 por el físico inglés James Chadwick .

En el modelo estándar de física, los electrones son partículas verdaderamente elementales sin estructura interna, mientras que los protones y los neutrones son partículas compuestas compuestas por partículas elementales llamadas quarks . Hay dos tipos de quarks en los átomos, cada uno con una carga eléctrica fraccionada. Los protones se componen de dos quarks up (cada uno con carga +2/3) y un quark down (con una carga de -1/3). Los neutrones constan de un quark up y dos quarks down. Esta distinción explica la diferencia de masa y carga entre las dos partículas.

Los quarks se mantienen unidos por la interacción fuerte (o fuerza fuerte), que está mediada por gluones . Los protones y neutrones, a su vez, se mantienen unidos entre sí en el núcleo por la fuerza nuclear , que es un residuo de la fuerza fuerte que tiene propiedades de rango algo diferentes (ver el artículo sobre la fuerza nuclear para más información). El gluón es un miembro de la familia de bosones gauge , que son partículas elementales que median las fuerzas físicas.

Núcleo

La energía de enlace necesaria para que un nucleón escape del núcleo, para varios isótopos.

Todos los protones y neutrones unidos en un átomo forman un núcleo atómico diminuto , y se denominan colectivamente nucleones . El radio de un núcleo es aproximadamente igual a femtómetros , donde es el número total de nucleones. Esto es mucho más pequeño que el radio del átomo, que es del orden de 10 5  fm. Los nucleones están unidos por un potencial atractivo de corto alcance llamado fuerza fuerte residual . A distancias inferiores a 2,5 fm, esta fuerza es mucho más poderosa que la fuerza electrostática que hace que los protones cargados positivamente se repelan entre sí.  

Los átomos del mismo elemento tienen el mismo número de protones, llamado número atómico . Dentro de un solo elemento, el número de neutrones puede variar, lo que determina el isótopo de ese elemento. El número total de protones y neutrones determina el nucleido . El número de neutrones en relación con los protones determina la estabilidad del núcleo, con ciertos isótopos sometidos a desintegración radiactiva .

El protón, el electrón y el neutrón se clasifican como fermiones . Los fermiones obedecen al principio de exclusión de Pauli que prohíbe que fermiones idénticos , como múltiples protones, ocupen el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Por lo tanto, cada protón en el núcleo debe ocupar un estado cuántico diferente de todos los demás protones, y lo mismo se aplica a todos los neutrones del núcleo y a todos los electrones de la nube de electrones.

Un núcleo que tiene un número de protones diferente al de neutrones puede potencialmente caer a un estado de menor energía a través de una desintegración radiactiva que hace que el número de protones y neutrones coincida más estrechamente. Como resultado, los átomos con números iguales de protones y neutrones son más estables contra la desintegración, pero con el aumento del número atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción cada vez mayor de neutrones para mantener la estabilidad del núcleo.

Ilustración de un proceso de fusión nuclear que forma un núcleo de deuterio, que consta de un protón y un neutrón, a partir de dos protones. Se emite un positrón (e + ), un electrón de antimateria , junto con un neutrino electrónico .

El número de protones y neutrones en el núcleo atómico puede modificarse, aunque esto puede requerir energías muy altas debido a la fuerza fuerte. La fusión nuclear ocurre cuando múltiples partículas atómicas se unen para formar un núcleo más pesado, como a través de la colisión energética de dos núcleos. Por ejemplo, en el núcleo del Sol, los protones requieren energías de 3 a 10 keV para superar su repulsión mutua (la barrera de culombio) y fusionarse en un solo núcleo. La fisión nuclear es el proceso opuesto, que hace que un núcleo se divida en dos núcleos más pequeños, generalmente a través de la desintegración radiactiva. El núcleo también puede modificarse mediante el bombardeo de partículas subatómicas o fotones de alta energía. Si esto modifica el número de protones en un núcleo, el átomo cambia a un elemento químico diferente.

Si la masa del núcleo después de una reacción de fusión es menor que la suma de las masas de las partículas separadas, entonces la diferencia entre estos dos valores puede emitirse como un tipo de energía utilizable (como un rayo gamma o la energía cinética de una partícula beta ), como se describe por Albert Einstein 's equivalencia masa-energía fórmula, donde es la pérdida de masa y es la velocidad de la luz . Este déficit es parte de la energía de enlace del nuevo núcleo, y es la pérdida no recuperable de energía lo que hace que las partículas fusionadas permanezcan juntas en un estado que requiere que esta energía se separe.

La fusión de dos núcleos que crean núcleos más grandes con números atómicos más bajos que el hierro y el níquel —un número total de nucleones de aproximadamente 60— suele ser un proceso exotérmico que libera más energía de la necesaria para unirlos. Es este proceso de liberación de energía el que hace que la fusión nuclear en las estrellas sea una reacción autosostenida. Para núcleos más pesados, la energía de enlace por nucleón en el núcleo comienza a disminuir. Eso significa que los procesos de fusión que producen núcleos que tienen números atómicos superiores a aproximadamente 26 y masas atómicas superiores a aproximadamente 60, es un proceso endotérmico . Estos núcleos más masivos no pueden sufrir una reacción de fusión que produzca energía y que pueda mantener el equilibrio hidrostático de una estrella.

Nube de electrones

Un pozo de potencial, que muestra, según la mecánica clásica , la energía mínima V ( x ) necesaria para alcanzar cada posición x . Clásicamente, una partícula con energía E está restringida a un rango de posiciones entre x 1 y x 2 .

Los electrones de un átomo son atraídos por los protones del núcleo por la fuerza electromagnética . Esta fuerza une los electrones dentro de un pozo de potencial electrostático que rodea el núcleo más pequeño, lo que significa que se necesita una fuente externa de energía para que el electrón escape. Cuanto más cerca esté un electrón del núcleo, mayor será la fuerza de atracción. Por tanto, los electrones unidos cerca del centro del pozo de potencial requieren más energía para escapar que los que se encuentran en separaciones mayores.

Los electrones, como otras partículas, tienen propiedades tanto de partícula como de onda . La nube de electrones es una región dentro del pozo de potencial donde cada electrón forma un tipo de onda estacionaria tridimensional , una forma de onda que no se mueve en relación con el núcleo. Este comportamiento está definido por un orbital atómico , una función matemática que caracteriza la probabilidad de que un electrón parezca estar en una ubicación particular cuando se mide su posición. Solo existe un conjunto discreto (o cuantificado ) de estos orbitales alrededor del núcleo, ya que otros posibles patrones de ondas decaen rápidamente hacia una forma más estable. Los orbitales pueden tener una o más estructuras de anillos o nodos, y difieren entre sí en tamaño, forma y orientación.

Vistas en 3D de algunos orbitales atómicos similares al hidrógeno que muestran la densidad de probabilidad y la fase (los orbitales g y superiores no se muestran)

Cada orbital atómico corresponde a un nivel de energía particular del electrón. El electrón puede cambiar su estado a un nivel de energía más alto absorbiendo un fotón con suficiente energía para impulsarlo al nuevo estado cuántico. Asimismo, a través de la emisión espontánea , un electrón en un estado de mayor energía puede caer a un estado de menor energía mientras irradia el exceso de energía en forma de fotón. Estos valores de energía característicos, definidos por las diferencias en las energías de los estados cuánticos, son responsables de las líneas espectrales atómicas .

La cantidad de energía necesaria para eliminar o agregar un electrón, la energía de enlace de electrones, es mucho menor que la energía de enlace de los nucleones . Por ejemplo, solo se requieren 13,6 eV para extraer un electrón en estado fundamental de un átomo de hidrógeno, en comparación con los 2,23  millones de eV para dividir un núcleo de deuterio . Los átomos son eléctricamente neutros si tienen el mismo número de protones y electrones. Los átomos que tienen un déficit o un exceso de electrones se denominan iones . Los electrones que están más lejos del núcleo pueden transferirse a otros átomos cercanos o compartirse entre átomos. Mediante este mecanismo, los átomos pueden unirse en moléculas y otros tipos de compuestos químicos como cristales de red iónicos y covalentes .

Propiedades

Propiedades nucleares

Por definición, dos átomos cualesquiera con un número idéntico de protones en sus núcleos pertenecen al mismo elemento químico . Los átomos con igual número de protones pero diferente número de neutrones son isótopos diferentes del mismo elemento. Por ejemplo, todos los átomos de hidrógeno admiten exactamente un protón, pero los isótopos existen sin neutrones ( hidrógeno-1 , con mucho la forma más común, también llamado protio), un neutrón ( deuterio ), dos neutrones ( tritio ) y más de dos neutrones. . Los elementos conocidos forman un conjunto de números atómicos, desde el elemento de un solo protón hidrógeno hasta el elemento de 118 protones oganesson . Todos los isótopos conocidos de elementos con números atómicos superiores a 82 son radiactivos, aunque la radiactividad del elemento 83 ( bismuto ) es tan leve que es prácticamente insignificante.

Aproximadamente 339 nucleidos se encuentran naturalmente en la Tierra , de los cuales no se ha observado que se descompongan 252 (aproximadamente el 74%), y se denominan " isótopos estables ". Solo 90 nucleidos son estables teóricamente , mientras que otros 162 (lo que lleva el total a 252) no se ha observado que se descompongan, aunque en teoría es energéticamente posible. Estos también se clasifican formalmente como "estables". Otros 34 nucleidos radiactivos tienen vidas medias superiores a los 100 millones de años y son lo suficientemente longevos como para haber estado presentes desde el nacimiento del sistema solar . Esta colección de 286 nucleidos se conoce como nucleidos primordiales . Finalmente, se sabe que 53 nucleidos de vida corta adicionales ocurren naturalmente, como productos hijos de la desintegración de nucleidos primordiales (como el radio del uranio ), o como productos de procesos energéticos naturales en la Tierra, como el bombardeo de rayos cósmicos (por ejemplo, el carbono -14).

Para 80 de los elementos químicos, existe al menos un isótopo estable . Como regla general, solo hay un puñado de isótopos estables para cada uno de estos elementos, siendo el promedio de 3,2 isótopos estables por elemento. Veintiséis elementos tienen un solo isótopo estable, mientras que el mayor número de isótopos estables observados para cualquier elemento es diez, para el elemento estaño . Los elementos 43 , 61 y todos los elementos numerados 83 o superior no tienen isótopos estables.

La estabilidad de los isótopos se ve afectada por la proporción de protones a neutrones, y también por la presencia de ciertos "números mágicos" de neutrones o protones que representan capas cuánticas cerradas y llenas. Estas capas cuánticas corresponden a un conjunto de niveles de energía dentro del modelo de capa del núcleo; las cáscaras llenas, como la cáscara llena de 50 protones para el estaño, confieren una estabilidad inusual al núclido. De los 252 nucleidos estables conocidos, solo cuatro tienen un número impar de protones y un número impar de neutrones: hidrógeno-2 ( deuterio ), litio-6 , boro-10 y nitrógeno-14 . Además, solo cuatro nucleidos impares radioactivos de origen natural tienen una vida media de más de mil millones de años: potasio-40 , vanadio-50 , lantano-138 y tantalio-180m . La mayoría de los núcleos impares son muy inestables con respecto a la desintegración beta , porque los productos de la desintegración son pares-pares y, por lo tanto, están más fuertemente unidos debido a los efectos de emparejamiento nuclear .

Masa

La gran mayoría de la masa de un átomo proviene de los protones y neutrones que lo componen. El número total de estas partículas (llamadas "nucleones") en un átomo dado se llama número de masa . Es un número entero positivo y adimensional (en lugar de tener dimensión de masa), porque expresa una cuenta. Un ejemplo de uso de un número de masa es "carbono-12", que tiene 12 nucleones (seis protones y seis neutrones).

La masa real de un átomo en reposo a menudo se expresa en daltons (Da), también llamada unidad de masa atómica unificada (u). Esta unidad se define como un duodécimo de la masa de un átomo neutro libre de carbono-12 , que es aproximadamente1,66 × 10 −27  kg . El hidrógeno-1 (el isótopo más ligero de hidrógeno, que también es el núclido con la masa más baja) tiene un peso atómico de 1,007825 Da. El valor de este número se llama masa atómica . Un átomo dado tiene una masa atómica aproximadamente igual (dentro del 1%) a su número de masa multiplicado por la unidad de masa atómica (por ejemplo, la masa de un nitrógeno-14 es aproximadamente 14 Da), pero este número no será exactamente un número entero excepto ( por definición) en el caso del carbono-12. El átomo estable más pesado es el plomo-208, con una masa de207,976 6521  Da .

Como incluso los átomos más masivos son demasiado livianos para trabajar directamente con ellos, los químicos usan la unidad de moles . Un mol de átomos de cualquier elemento siempre tiene el mismo número de átomos (aproximadamente6,022 x 10 23 ). Este número se eligió de modo que si un elemento tiene una masa atómica de 1 u, un mol de átomos de ese elemento tiene una masa cercana a un gramo. Debido a la definición de la unidad de masa atómica unificada , cada átomo de carbono-12 tiene una masa atómica de exactamente 12 Da, por lo que un mol de átomos de carbono-12 pesa exactamente 0.012 kg.

Forma y tamaño

Los átomos carecen de un límite exterior bien definido, por lo que sus dimensiones generalmente se describen en términos de un radio atómico . Esta es una medida de la distancia a la que se extiende la nube de electrones desde el núcleo. Esto supone que el átomo exhibe una forma esférica, que solo se obedece para los átomos en el vacío o en el espacio libre. Los radios atómicos se pueden derivar de las distancias entre dos núcleos cuando los dos átomos se unen en un enlace químico . El radio varía con la ubicación de un átomo en la tabla atómica, el tipo de enlace químico, el número de átomos vecinos ( número de coordinación ) y una propiedad de la mecánica cuántica conocida como espín . En la tabla periódica de los elementos, el tamaño del átomo tiende a aumentar cuando se mueve hacia abajo de las columnas, pero disminuye cuando se mueve a través de las filas (de izquierda a derecha). En consecuencia, el átomo más pequeño es el helio con un radio de 32  pm , mientras que uno de los más grandes es el cesio a 225 pm.

Cuando se somete a fuerzas externas, como campos eléctricos , la forma de un átomo puede desviarse de la simetría esférica . La deformación depende de la magnitud del campo y del tipo orbital de los electrones de la capa exterior, como lo muestran las consideraciones teóricas de grupo . Las desviaciones asféricas pueden producirse, por ejemplo, en los cristales , donde pueden producirse grandes campos cristalinos-eléctricos en sitios de celosía de baja simetría . Se ha demostrado que se producen deformaciones elipsoidales significativas para los iones de azufre y los iones de calcógeno en compuestos de tipo pirita .

Las dimensiones atómicas son miles de veces más pequeñas que las longitudes de onda de la luz (400 a 700  nm ), por lo que no se pueden ver con un microscopio óptico , aunque los átomos individuales se pueden observar con un microscopio de efecto túnel . Para visualizar la minuciosidad del átomo, considere que un cabello humano típico tiene aproximadamente 1 millón de átomos de carbono de ancho. Una sola gota de agua contiene aproximadamente 2  sextillones (2 × 10 21 ) átomos de oxígeno y el doble de átomos de hidrógeno. Un diamante de un quilate con una masa de2 × 10 −4  kg contienen aproximadamente 10 sextillones (10 22 ) átomos de carbono . Si una manzana se magnificara al tamaño de la Tierra, entonces los átomos de la manzana serían aproximadamente del tamaño de la manzana original.

Desintegración radioactiva

Este diagrama muestra la vida media (T ½ ) de varios isótopos con protones Z y neutrones N.

Cada elemento tiene uno o más isótopos que tienen núcleos inestables que están sujetos a desintegración radiactiva, lo que hace que el núcleo emita partículas o radiación electromagnética. La radiactividad puede ocurrir cuando el radio de un núcleo es grande en comparación con el radio de la fuerza fuerte, que solo actúa sobre distancias del orden de 1 fm.

Las formas más comunes de desintegración radiactiva son:

  • Decaimiento alfa : este proceso se produce cuando el núcleo emite una partícula alfa, que es un núcleo de helio formado por dos protones y dos neutrones. El resultado de la emisión es un nuevo elemento con un número atómico menor .
  • Desintegración beta (y captura de electrones ): estos procesos están regulados por la fuerza débil y son el resultado de la transformación de un neutrón en un protón o de un protón en un neutrón. La transición de neutrón a protón va acompañada de la emisión de un electrón y un antineutrino , mientras que la transición de protón a neutrón (excepto en la captura de electrones) provoca la emisión de un positrón y un neutrino . Las emisiones de electrones o positrones se denominan partículas beta. La desintegración beta aumenta o disminuye el número atómico del núcleo en uno. La captura de electrones es más común que la emisión de positrones porque requiere menos energía. En este tipo de desintegración, el núcleo absorbe un electrón, en lugar de un positrón emitido por el núcleo. En este proceso todavía se emite un neutrino y un protón se transforma en un neutrón.
  • Desintegración gamma : este proceso resulta de un cambio en el nivel de energía del núcleo a un estado más bajo, lo que resulta en la emisión de radiación electromagnética. El estado excitado de un núcleo que da lugar a la emisión de rayos gamma suele ocurrir después de la emisión de una partícula alfa o beta. Por lo tanto, la desintegración gamma generalmente sigue a la desintegración alfa o beta.

Otros tipos más raros de desintegración radiactiva incluyen la expulsión de neutrones o protones o grupos de nucleones de un núcleo, o más de una partícula beta . Un análogo de la emisión gamma que permite que los núcleos excitados pierdan energía de una manera diferente es la conversión interna, un proceso que produce electrones de alta velocidad que no son rayos beta, seguido de la producción de fotones de alta energía que no son rayos gamma. Unos pocos núcleos grandes explotan en dos o más fragmentos cargados de masas variables más varios neutrones, en una desintegración llamada fisión nuclear espontánea .

Cada isótopo radiactivo tiene un período de tiempo de desintegración característico, la vida media, que se determina por la cantidad de tiempo que se necesita para que la mitad de una muestra se desintegra. Este es un proceso de desintegración exponencial que disminuye constantemente la proporción del isótopo restante en un 50% cada semivida. Por lo tanto, después de que han pasado dos vidas medias, solo está presente el 25% del isótopo, y así sucesivamente.

Momento magnético

Las partículas elementales poseen una propiedad mecánica cuántica intrínseca conocida como espín . Esto es análogo al momento angular de un objeto que gira alrededor de su centro de masa , aunque estrictamente hablando, se cree que estas partículas tienen forma de puntos y no se puede decir que estén girando. El espín se mide en unidades de la constante de Planck reducida (ħ), con electrones, protones y neutrones que tienen todos un espín ½ ħ, o "espín ½". En un átomo, los electrones en movimiento alrededor del núcleo poseen un momento angular orbital además de su espín, mientras que el núcleo mismo posee un momento angular debido a su espín nuclear.

El campo magnético producido por un átomo —su momento magnético— está determinado por estas diversas formas de momento angular, al igual que un objeto cargado en rotación produce clásicamente un campo magnético, pero la contribución más dominante proviene del espín del electrón. Debido a la naturaleza de los electrones para obedecer el principio de exclusión de Pauli , en el que no se pueden encontrar dos electrones en el mismo estado cuántico , los electrones ligados se emparejan entre sí, con un miembro de cada par en un estado de giro y el otro en al contrario, estado de giro hacia abajo. Por lo tanto, estos espines se cancelan entre sí, reduciendo el momento dipolar magnético total a cero en algunos átomos con un número par de electrones.

En elementos ferromagnéticos como el hierro, el cobalto y el níquel, un número impar de electrones conduce a un electrón desapareado y a un momento magnético total neto. Los orbitales de los átomos vecinos se superponen y se logra un estado de menor energía cuando los espines de los electrones no apareados se alinean entre sí, un proceso espontáneo conocido como interacción de intercambio . Cuando los momentos magnéticos de los átomos ferromagnéticos están alineados, el material puede producir un campo macroscópico medible. Los materiales paramagnéticos tienen átomos con momentos magnéticos que se alinean en direcciones aleatorias cuando no hay campo magnético presente, pero los momentos magnéticos de los átomos individuales se alinean en presencia de un campo.

El núcleo de un átomo no tendrá espín cuando tenga números pares tanto de neutrones como de protones, pero para otros casos de números impares, el núcleo puede tener un espín. Normalmente, los núcleos con espín se alinean en direcciones aleatorias debido al equilibrio térmico , pero para ciertos elementos (como el xenón-129 ) es posible polarizar una proporción significativa de los estados de espín nuclear para que estén alineados en la misma dirección, una condición llamado hiperpolarización . Esto tiene importantes aplicaciones en la formación de imágenes por resonancia magnética .

Niveles de energía

Los niveles de energía de estos electrones (no a escala) son suficientes para los estados fundamentales de los átomos hasta el cadmio (5s 2 4d 10 ) inclusive. No olvide que incluso la parte superior del diagrama es más baja que un estado de electrones no ligados.

La energía potencial de un electrón en un átomo es negativa en relación con cuando la distancia desde el núcleo llega al infinito ; su dependencia de la posición del electrón alcanza el mínimo dentro del núcleo, aproximadamente en proporción inversa a la distancia. En el modelo de la mecánica cuántica, un electrón ligado puede ocupar sólo un conjunto de estados centrados en el núcleo, y cada estado corresponde a un nivel de energía específico ; consulte la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo para una explicación teórica. Un nivel de energía se puede medir por la cantidad de energía necesaria para desvincular el electrón del átomo, y generalmente se expresa en unidades de electronvoltios (eV). El estado de energía más baja de un electrón ligado se llama estado fundamental, es decir , estado estacionario , mientras que una transición de un electrón a un nivel más alto da como resultado un estado excitado. La energía del electrón aumenta junto con n porque la distancia (promedio) al núcleo aumenta. La dependencia de la energía en ℓ no se debe al potencial electrostático del núcleo, sino a la interacción entre electrones.

Para que un electrón haga la transición entre dos estados diferentes , por ejemplo, el estado fundamental al primer estado excitado , debe absorber o emitir un fotón a una energía que coincida con la diferencia en la energía potencial de esos niveles, según el modelo de Niels Bohr , lo que puede ser exactamente calculado por la ecuación de Schrödinger . Los electrones saltan entre orbitales en forma de partículas. Por ejemplo, si un solo fotón golpea los electrones, solo un solo electrón cambia de estado en respuesta al fotón; consulte Propiedades de los electrones .

La energía de un fotón emitido es proporcional a su frecuencia , por lo que estos niveles de energía específicos aparecen como bandas distintas en el espectro electromagnético . Cada elemento tiene un espectro característico que puede depender de la carga nuclear, las subcapas llenas de electrones, las interacciones electromagnéticas entre los electrones y otros factores.

Un ejemplo de líneas de absorción en un espectro.

Cuando un espectro continuo de energía pasa a través de un gas o plasma, algunos de los fotones son absorbidos por los átomos, lo que hace que los electrones cambien su nivel de energía. Los electrones excitados que permanecen unidos a su átomo emiten espontáneamente esta energía en forma de fotón, viajando en una dirección aleatoria y, por lo tanto, vuelven a caer a niveles de energía más bajos. Así, los átomos se comportan como un filtro que forma una serie de bandas de absorción oscuras en la salida de energía. (Un observador que ve los átomos desde una vista que no incluye el espectro continuo en el fondo, en cambio ve una serie de líneas de emisión de los fotones emitidos por los átomos). Las mediciones espectroscópicas de la fuerza y ​​el ancho de las líneas espectrales atómicas permiten la composición y propiedades físicas de una sustancia por determinar.

Un examen detenido de las líneas espectrales revela que algunas muestran una estructura fina que se divide. Esto ocurre debido al acoplamiento espín-órbita , que es una interacción entre el espín y el movimiento del electrón más externo. Cuando un átomo está en un campo magnético externo, las líneas espectrales se dividen en tres o más componentes; un fenómeno llamado efecto Zeeman . Esto es causado por la interacción del campo magnético con el momento magnético del átomo y sus electrones. Algunos átomos pueden tener múltiples configuraciones de electrones con el mismo nivel de energía, que por lo tanto aparecen como una sola línea espectral. La interacción del campo magnético con el átomo desplaza estas configuraciones electrónicas a niveles de energía ligeramente diferentes, lo que da como resultado múltiples líneas espectrales. La presencia de un campo eléctrico externo puede causar una división y desplazamiento comparable de las líneas espectrales al modificar los niveles de energía de los electrones, un fenómeno llamado efecto Stark .

Si un electrón ligado está en un estado excitado, un fotón que interactúa con la energía adecuada puede provocar la emisión estimulada de un fotón con un nivel de energía equivalente. Para que esto ocurra, el electrón debe caer a un estado de menor energía que tenga una diferencia de energía que coincida con la energía del fotón que interactúa. El fotón emitido y el fotón que interactúa luego se mueven en paralelo y con fases coincidentes. Es decir, los patrones de onda de los dos fotones están sincronizados. Esta propiedad física se utiliza para fabricar láseres , que pueden emitir un haz coherente de energía luminosa en una banda de frecuencia estrecha.

Comportamiento de valencia y vinculación

La valencia es el poder de combinación de un elemento. Está determinada por la cantidad de enlaces que puede formar con otros átomos o grupos. La capa de electrones más externa de un átomo en su estado no combinado se conoce como capa de valencia , y los electrones en esa capa se denominan electrones de valencia . El número de electrones de valencia determina el comportamiento de enlace con otros átomos. Los átomos tienden a reaccionar químicamente entre sí de una manera que llena (o vacía) sus capas de valencia externas. Por ejemplo, una transferencia de un solo electrón entre átomos es una aproximación útil para los enlaces que se forman entre átomos con un electrón más que una capa llena, y otros que tienen un electrón menos de una capa completa, como ocurre en el compuesto. cloruro de sodio y otras sales iónicas químicas. Muchos elementos muestran múltiples valencias o tendencias a compartir diferentes números de electrones en diferentes compuestos. Por lo tanto, el enlace químico entre estos elementos toma muchas formas de intercambio de electrones que son más que simples transferencias de electrones. Los ejemplos incluyen el elemento carbono y los compuestos orgánicos .

Los elementos químicos a menudo se muestran en una tabla periódica que se presenta para mostrar propiedades químicas recurrentes, y los elementos con el mismo número de electrones de valencia forman un grupo que se alinea en la misma columna de la tabla. (Las filas horizontales corresponden al llenado de una capa cuántica de electrones.) Los elementos en el extremo derecho de la tabla tienen su capa exterior completamente llena de electrones, lo que da como resultado elementos químicamente inertes conocidos como gases nobles .

Estados

Gráfico que ilustra la formación de un condensado de Bose-Einstein

Las cantidades de átomos se encuentran en diferentes estados de la materia que dependen de las condiciones físicas, como la temperatura y la presión . Al variar las condiciones, los materiales pueden hacer la transición entre sólidos , líquidos , gases y plasmas . Dentro de un estado, un material también puede existir en diferentes alótropos . Un ejemplo de esto es el carbono sólido, que puede existir como grafito o diamante . También existen alótropos gaseosos, como el dioxígeno y el ozono .

A temperaturas cercanas al cero absoluto , los átomos pueden formar un condensado de Bose-Einstein , en cuyo punto los efectos de la mecánica cuántica, que normalmente solo se observan a escala atómica, se hacen evidentes a escala macroscópica. Esta colección de átomos superenfriados se comporta entonces como un único superátomo , lo que puede permitir comprobaciones fundamentales del comportamiento de la mecánica cuántica.

Identificación

Imagen de microscopio de túnel de barrido que muestra los átomos individuales que componen esta superficie de oro ( 100 ). Los átomos de la superficie se desvían de la estructura cristalina a granel y se disponen en columnas de varios átomos de ancho con hoyos entre ellos (ver reconstrucción de la superficie ).

Si bien los átomos son demasiado pequeños para ser vistos, dispositivos como el microscopio de túnel de barrido (STM) permiten su visualización en las superficies de los sólidos. El microscopio utiliza el fenómeno de túnel cuántico , que permite que las partículas atraviesen una barrera que sería insuperable en la perspectiva clásica. Los electrones hacen un túnel a través del vacío entre dos electrodos polarizados , proporcionando una corriente de túnel que depende exponencialmente de su separación. Un electrodo es una punta afilada que idealmente termina con un solo átomo. En cada punto del escaneo de la superficie, la altura de la punta se ajusta para mantener la corriente de túnel en un valor establecido. Cuánto se mueve la punta hacia y desde la superficie se interpreta como el perfil de altura. Para un sesgo bajo, el microscopio toma imágenes de los orbitales de electrones promediados a través de niveles de energía muy compactos: la densidad local de los estados electrónicos cerca del nivel de Fermi . Debido a las distancias involucradas, ambos electrodos deben ser extremadamente estables; solo entonces se pueden observar periodicidades que corresponden a átomos individuales. El método por sí solo no es químicamente específico y no puede identificar las especies atómicas presentes en la superficie.

Los átomos se pueden identificar fácilmente por su masa. Si un átomo se ioniza eliminando uno de sus electrones, su trayectoria cuando pasa a través de un campo magnético se doblará. El radio por el cual el campo magnético gira la trayectoria de un ion en movimiento está determinado por la masa del átomo. El espectrómetro de masas utiliza este principio para medir la relación masa-carga de los iones. Si una muestra contiene múltiples isótopos, el espectrómetro de masas puede determinar la proporción de cada isótopo en la muestra midiendo la intensidad de los diferentes haces de iones. Las técnicas para vaporizar átomos incluyen espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente y espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente , las cuales utilizan un plasma para vaporizar muestras para su análisis.

El tomógrafo de sonda atómica tiene una resolución subnanométrica en 3-D y puede identificar químicamente átomos individuales utilizando espectrometría de masas de tiempo de vuelo.

Las técnicas de emisión de electrones, como la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) y la espectroscopia electrónica Auger (AES), que miden las energías de enlace de los electrones centrales , se utilizan para identificar las especies atómicas presentes en una muestra de forma no destructiva. Con un enfoque adecuado, ambos se pueden hacer específicos del área. Otro método de este tipo es la espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS), que mide la pérdida de energía de un haz de electrones dentro de un microscopio electrónico de transmisión cuando interactúa con una parte de una muestra.

Los espectros de estados excitados se pueden utilizar para analizar la composición atómica de estrellas distantes . Las longitudes de onda de luz específicas contenidas en la luz observada de las estrellas pueden separarse y relacionarse con las transiciones cuantificadas en los átomos de gas libre. Estos colores se pueden reproducir utilizando una lámpara de descarga de gas que contenga el mismo elemento. El helio se descubrió de esta manera en el espectro del Sol 23 años antes de que se encontrara en la Tierra.

Origen y estado actual

La materia bariónica forma aproximadamente el 4% de la densidad de energía total del Universo observable , con una densidad promedio de aproximadamente 0,25 partículas / m 3 (principalmente protones y electrones). Dentro de una galaxia como la Vía Láctea , las partículas tienen una concentración mucho más alta, con una densidad de materia en el medio interestelar (ISM) que varía de 10 5 a 10 9 átomos / m 3 . Se cree que el Sol está dentro de la Burbuja Local , por lo que la densidad en la vecindad solar es de solo 10 3 átomos / m 3 . Las estrellas se forman a partir de densas nubes en el ISM, y los procesos evolutivos de las estrellas dan como resultado un enriquecimiento constante del ISM con elementos más masivos que el hidrógeno y el helio.

Hasta el 95% de la materia bariónica de la Vía Láctea se concentra dentro de las estrellas, donde las condiciones son desfavorables para la materia atómica. La masa bariónica total es aproximadamente el 10% de la masa de la galaxia; el resto de la masa es una materia oscura desconocida . La alta temperatura dentro de las estrellas hace que la mayoría de los "átomos" estén completamente ionizados, es decir, separa todos los electrones de los núcleos. En los remanentes estelares —con excepción de sus capas superficiales— una inmensa presión hace que las capas de electrones sean imposibles.

Formación

Tabla periódica que muestra el origen de cada elemento. Los elementos desde el carbono hasta el azufre pueden formarse en estrellas pequeñas mediante el proceso alfa . Los elementos más allá del hierro se forman en estrellas grandes con captura lenta de neutrones ( proceso s ). Los elementos más pesados ​​que el hierro pueden formarse en fusiones de estrellas de neutrones o supernovas después del proceso r .

Se cree que los electrones existen en el Universo desde las primeras etapas del Big Bang . Los núcleos atómicos se forman en reacciones de nucleosíntesis . En unos tres minutos, la nucleosíntesis del Big Bang produjo la mayor parte del helio , litio y deuterio del Universo, y quizás algo del berilio y el boro .

La ubicuidad y estabilidad de los átomos se basa en su energía de enlace , lo que significa que un átomo tiene una energía más baja que un sistema libre de núcleo y electrones. Donde la temperatura es mucho más alta que el potencial de ionización , la materia existe en forma de plasma, un gas de iones cargados positivamente (posiblemente, núcleos desnudos) y electrones. Cuando la temperatura cae por debajo del potencial de ionización, los átomos se vuelven estadísticamente favorables. Los átomos (con electrones unidos) llegaron a dominar las partículas cargadas 380.000 años después del Big Bang, una época llamada recombinación , cuando el Universo en expansión se enfrió lo suficiente como para permitir que los electrones se adhieran a los núcleos.

Desde el Big Bang, que no produjo carbono o elementos más pesados , los núcleos atómicos se han combinado en estrellas a través del proceso de fusión nuclear para producir más del elemento helio y (a través del proceso triple alfa ) la secuencia de elementos desde el carbono hasta hierro ; ver nucleosíntesis estelar para más detalles.

Isótopos como el litio-6, así como algo de berilio y boro se generan en el espacio a través de la espalación de rayos cósmicos . Esto ocurre cuando un protón de alta energía golpea un núcleo atómico, provocando la expulsión de una gran cantidad de nucleones.

Los elementos más pesados ​​que el hierro se produjeron en supernovas y estrellas de neutrones en colisión a través del proceso r , y en estrellas AGB a través del proceso s , los cuales implican la captura de neutrones por núcleos atómicos. Elementos como el plomo se formaron en gran parte a través de la desintegración radiactiva de elementos más pesados.

tierra

La mayoría de los átomos que componen la Tierra y sus habitantes estaban presentes en su forma actual en la nebulosa que colapsó de una nube molecular para formar el Sistema Solar . El resto es el resultado de la desintegración radiactiva, y su proporción relativa se puede utilizar para determinar la edad de la Tierra a través de la datación radiométrica . La mayor parte del helio en la corteza terrestre (aproximadamente el 99% del helio de los pozos de gas, como lo demuestra su menor abundancia de helio-3 ) es producto de la desintegración alfa .

Hay algunas trazas de átomos en la Tierra que no estaban presentes al principio (es decir, no son "primordiales"), ni son el resultado de la desintegración radiactiva. El carbono 14 es generado continuamente por los rayos cósmicos en la atmósfera. Algunos átomos de la Tierra se han generado artificialmente, ya sea deliberadamente o como subproductos de reactores nucleares o explosiones. De los elementos transuránicos, los que tienen un número atómico superior a 92, solo el plutonio y el neptunio se encuentran de forma natural en la Tierra. Los elementos transuránicos tienen vidas radiactivas más cortas que la edad actual de la Tierra y, por lo tanto, cantidades identificables de estos elementos se han desintegrado desde hace mucho tiempo, con la excepción de los rastros de plutonio-244 posiblemente depositados por el polvo cósmico. Los depósitos naturales de plutonio y neptunio se producen por captura de neutrones en el mineral de uranio.

La Tierra contiene aproximadamente 1,33 × 10 50 átomos. Aunque existen pequeñas cantidades de átomos independientes de gases nobles , como el argón , el neón y el helio , el 99% de la atmósfera está unida en forma de moléculas, incluidos el dióxido de carbono y el oxígeno y el nitrógeno diatómicos . En la superficie de la Tierra, una abrumadora mayoría de átomos se combinan para formar varios compuestos, incluidos agua , sal , silicatos y óxidos . Los átomos también pueden combinarse para crear materiales que no constan de moléculas discretas, incluidos cristales y metales líquidos o sólidos . Esta materia atómica forma arreglos en red que carecen del tipo particular de orden interrumpido a pequeña escala asociado con la materia molecular.

Formas raras y teóricas

Elementos superpesados

Se sabe que todos los nucleidos con números atómicos superiores a 82 ( plomo ) son radiactivos. Ningún nucleido con un número atómico superior a 92 ( uranio ) existe en la Tierra como nucleido primordial , y los elementos más pesados ​​generalmente tienen vidas medias más cortas. Sin embargo, podría existir una " isla de estabilidad " que abarque isótopos de vida relativamente larga de elementos superpesados ​​con números atómicos de 110 a 114 . Las predicciones de la vida media del nucleido más estable de la isla varían desde unos pocos minutos hasta millones de años. En cualquier caso, los elementos superpesados ​​(con Z  > 104) no existirían debido al aumento de la repulsión de Coulomb (que da como resultado una fisión espontánea con vidas medias cada vez más cortas) en ausencia de efectos estabilizadores.

Materia exótica

Cada partícula de materia tiene una partícula de antimateria correspondiente con la carga eléctrica opuesta. Por tanto, el positrón es un antielectrón cargado positivamente y el antiprotón es un equivalente cargado negativamente de un protón . Cuando una materia y la correspondiente partícula de antimateria se encuentran, se aniquilan entre sí. Debido a esto, junto con un desequilibrio entre el número de partículas de materia y antimateria, estas últimas son raras en el universo. Las primeras causas de este desequilibrio aún no se comprenden completamente, aunque las teorías de la bariogénesis pueden ofrecer una explicación. Como resultado, no se han descubierto átomos de antimateria en la naturaleza. En 1996, en el laboratorio del CERN en Ginebra se sintetizó la contraparte de antimateria del átomo de hidrógeno ( antihidrógeno ) .

Se han creado otros átomos exóticos reemplazando uno de los protones, neutrones o electrones por otras partículas que tienen la misma carga. Por ejemplo, un electrón puede ser reemplazado por un muón más masivo , formando un átomo muónico . Estos tipos de átomos se pueden utilizar para probar predicciones fundamentales de la física.

Ver también

Notas

Referencias

Bibliografía

Otras lecturas

enlaces externos