La Concepción del Átomo: Un Viaje a Través de la Historia

Teoría de los Cuatro Elementos

El universo estaba formado por cuatro elementos fundamentales: agua, aire, fuego y tierra. En el siglo IV a.C., Aristóteles adoptó esta teoría, argumentando que cada elemento era el resultado de la combinación de dos propiedades: calor, sequedad, frío y humedad. Posteriormente, añadió un quinto elemento, el éter, que constituía los cielos.

Teoría del Atomismo

Leucipo de Mileto y su discípulo Demócrito creían que al dividir sucesivamente cada uno de los cuatro elementos, se obtendrían partículas indivisibles, a las que llamaron átomos.

Teoría Atómica de Dalton

En el siglo XIX, el químico inglés John Dalton, retomando las ideas de Leucipo y Demócrito, enunció la teoría atómica:

• Los elementos químicos están formados por partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos.
• Los átomos del mismo elemento son iguales en masa y en el resto de sus propiedades.
• Los átomos de elementos diferentes son diferentes en masa y en el resto de sus propiedades.
• Los átomos de elementos diferentes se unen entre sí para formar compuestos.

Primera Aproximación a la Estructura del Átomo

• El átomo es divisible y está formado por partículas más pequeñas con carga eléctrica.
• Los electrones son partículas subatómicas con carga negativa y una masa muy pequeña comparada con la del átomo.
• La mayor parte de la masa del átomo posee carga positiva y está constituida por los protones.
• Si el átomo es inicialmente neutro, el número de cargas positivas y negativas debe ser el mismo.

Modelo Atómico de Thomson

J.J. Thomson fue el primero en proponer que el átomo tenía una estructura interna, en 1904.

Imaginó el átomo como una pequeña esfera uniforme de materia cargada positivamente, en la que estaban incrustados los electrones en un número tal que el conjunto era eléctricamente neutro: el modelo del «pudín de pasas».

Aunque este modelo pueda parecer anticuado, fue válido durante varios años y explicaba algunos hechos experimentales.

Hechos Experimentales Explicados por el Modelo Atómico de Thomson

• Las experiencias observadas en los tubos de descarga de gases.
• Los fenómenos de electrización: los cuerpos se electrizan cuando ganan o pierden electrones.
• La formación de iones.

Concepto de Ion

Un átomo es neutro cuando tiene la misma carga positiva que negativa. Si pierde algún electrón, se produce un exceso de carga positiva, y si lo gana, la carga final es negativa. En ambos casos se produce un ion.

Un ion es un átomo o grupo de átomos cargados eléctricamente.

• Catión: Es un ion de carga positiva que se forma cuando un átomo pierde algún electrón.
• Anión: Es un ion de carga negativa que se forma cuando un átomo gana algún electrón.

Radioactividad

A finales del siglo XIX, el físico francés A.H. Becquerel hizo, por casualidad, un nuevo descubrimiento: la radioactividad.

Marie Curie observó que la radiación era emitida por el elemento uranio, y no por todo el compuesto del que el uranio formaba parte. A este fenómeno le dio el nombre de radioactividad.

El estudio de la radiación emitida por el uranio resultó bastante complejo. Cuando la radiación emitida por un material radiactivo se hacía pasar entre los polos de un imán, una parte se desviaba ligeramente hacia un lado, otra parte se desviaba fuertemente hacia el otro lado y una tercera parte no se desviaba. El físico y químico Ernest Rutherford llamó a estas radiaciones alfa (α), beta (β) y gamma (γ), respectivamente.

• Radiación α: Son partículas con carga positiva y gran masa, constan de dos neutrones y dos protones.
• Radiación β: Son partículas con carga negativa, casi sin masa.
• Radiación γ: Se trata de una radiación similar a la de la luz, pero con mucha energía y un alto poder de penetración. Se necesitaría un bloque de hormigón de 1 m de grosor para detenerla.

Modelo Atómico de Rutherford

El físico y químico Ernest Rutherford, en 1911, ideó un modelo atómico basado en el experimento que se realizó en el laboratorio que dirigía.

• Una pequeña zona interior, con mucha masa y carga positiva, a la que llamó núcleo, y en la que se encontrarían los protones.
• Una corteza exterior, que se encontraría a gran distancia del núcleo, de modo que el átomo estaría prácticamente hueco. En esta corteza se situarían los electrones, que girarían a gran velocidad alrededor del núcleo.

El modelo atómico de Rutherford resultaba análogo a un sistema planetario y se le llamó modelo nuclear.

Descubrimiento del Neutrón

A Rutherford no le salían las cuentas: la masa de los átomos era prácticamente el doble que la que se obtenía al sumar la masa de los protones y los electrones.

Rutherford supuso entonces que en el núcleo debían existir otras partículas de masa similar a la de los protones, pero neutras, a las que llamó neutrones.

En 1932, el físico inglés James Chadwick logró identificar el neutrón, partícula sin carga eléctrica y de masa similar a la del protón.

Caracterización de los Átomos

El número atómico (Z) es el número de protones de un átomo y es característico de cada elemento.

El número másico (A) es la suma del número de protones (Z) y de neutrones (N) que tiene un átomo: A = Z + N

A, el número másico, se representa como superíndice en la parte izquierda del símbolo del elemento: ^AX

Z, el número atómico, se representa como subíndice en la parte izquierda del símbolo del elemento: _ZX

Residuos Radiactivos

Los residuos radiactivos se caracterizan por su peligrosidad (cantidades muy pequeñas de residuos originan dosis de radiación muy peligrosas para la salud) y su larga duración (algunos mantienen la reactividad miles de años).

• Residuos de alta actividad: Emiten altas dosis de radiación y están constituidos básicamente por el combustible gastado en los reactores nucleares. Estos residuos se funden con una matriz vítrea.
• Residuos de media o baja actividad: Emiten cantidades pequeñas de radiación y suelen generarse en hospitales. Se introducen en contenedores especiales y se llevan a vertederos de seguridad.

Masa Atómica

La masa de un átomo es la suma de las masas de todas las partículas que lo forman: protones, neutrones y electrones.

Para medir la masa de un átomo se utiliza la masa de otro átomo, que se toma como referencia y, por comparación con ella, se mide la del resto de los átomos.

La unidad de masa atómica (u) es la doceava parte de la masa del átomo de carbono-12: 1 u = 1/12 masa del ¹²C.

Características del Átomo de Bohr

• El electrón gira en órbitas circulares: El electrón gira en unas órbitas circulares, denominadas órbitas permitidas o estacionarias, en las que no emite energía. Todas las demás órbitas son prohibidas, por lo que el electrón no puede situarse entre dos órbitas permitidas.
• El electrón tiene energía: El electrón tiene una energía determinada en cada una de las órbitas. Esta energía es mayor cuanto más alejada está la órbita del núcleo. Por esta razón, Bohr llamó a cada órbita nivel de energía.
• El electrón salta de una órbita a otra: Cuando el electrón adquiere la energía suficiente, salta a una órbita superior. Cuando deja de recibir esa energía, regresa a su órbita primitiva y emite la energía que le sobra en forma de luz, visible o no.