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Historia: modelos atómicos
Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia.
Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito consideró que la materia estaba
constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas. Por
ello, llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a
los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles.
Sin embargo las ideas de Demócrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filósofos de su
época y hubieron de transcurrir cerca de 2200 años para que la idea de los átomos fuera tomada de
nuevo en consideración.
Año
Científico
Modelo atómico
La imagen del átomo expuesta por
Durante el s.XVIII y principios del XIX
Dalton en su teoría atómica, para
algunos científicos habían
explicar estas leyes, es la de minúsculas
investigado distintos aspectos de las
partículas esféricas, indivisibles e
reacciones químicas, obteniendo las
1808
inmutables,
llamadasleyes clásicas de la
iguales entre sí en
Química.
cada elemento
químico.
John Dalton
De este descubrimiento dedujo que el
Demostró que dentro de los átomos
átomo debía de ser una esfera de
hay unas partículas diminutas, con
materia cargada positivamente, en cuyo
carga eléctrica negativa, a las que se
interior estaban incrustados los
llamó electrones.
1897
electrones.
(Modelo atómico de
Thomson.)
Descubrimientos experimentales
J.J. Thomson
1911
Demostró que los átomos no eran
macizos, como se creía, sino que
están vacíos en su mayor parte y en
su centro hay un diminuto núcleo.
Dedujo que el átomo debía estar
formado por una corteza con los
electrones girando alrededor de un
núcleo central cargado positivamente.
(Modelo atómico de
Rutherford.)
Espectros atómicos discontinuos
originados por la radiación emitida
por los átomos excitados de los
elementos en estado gaseoso.
Propuso un nuevo modelo atómico,
según el cual los electrones giran
alrededor del núcleo en unos niveles
bien definidos.
(Modelo atómico
de Bohr.)
E. Rutherford
1913
Niels Bohr
Una partícula subatómica es una partícula más pequeña que el átomo. Puede ser una partícula elemental o
una compuesta, a su vez, por otras partículas subatómicas, como son los quarks, que componen los protones y neutrones.
No obstante, existen otras partículas subatómicas, tanto compuestas como elementales, que no son parte del átomo, como
es el caso de los neutrinos y bosones.
La física de partículas y la física nuclear se ocupan del estudio de estas partículas, sus interacciones y de la materia que las
forma y que no se agrega en los átomos.
La mayoría de las partículas elementales que se han descubierto y estudiado no pueden encontrarse en condiciones
normales en la Tierra, generalmente porque son inestables (se descomponen en partículas ya conocidas), o bien, son
difíciles de producir de todas maneras. Estas partículas, tanto estables como inestables, se producen al azar por la acción
de los rayos cósmicos al chocar con átomos de la atmósfera, y en los procesos que se dan en los aceleradores de
partículas, los cuales imitan un proceso similar al primero, pero en condiciones controladas. De estas maneras, se han
descubierto docenas de partículas subatómicas, y se teorizan cientos de otras más. Ejemplos de partícula teórica es
elgravitón; sin embargo, ésta y muchas otras no han sido observadas en aceleradores de partículas modernos, ni en
condiciones naturales en la atmósfera (por la acción de rayos cósmicos).
Como partículas subatómicas, se clasifican también las partículas virtuales, que son partículas que representan un paso
intermedio en la desintegración de una partícula inestable, y por tanto, duran muy poco tiempo.
Protón
Se encuentra en el núcleo. Su masa es de 1,6×10-27 kg.1 Tiene carga positiva igual en magnitud a la carga del
electrón. El número atómico de un elemento indica el número de protones que tiene en el núcleo. Por ejemplo el
núcleo del átomo de hidrógeno contiene un único protón, por lo que su número atómico (Z) es 1.
Electrón
Se encuentra en la corteza. Su masa aproximadamente es de 9,1×10-31 kg. Tiene carga eléctrica negativa (1.602×10-19 C).2
Neutrón
Se encuentra en el núcleo. Su masa es casi igual que la del protón. No posee carga eléctrica.
El concepto de partícula elemental es hoy algo más oscuro debido a la existencia de cuasipartículas que si
bien no pueden ser detectadas por un detector constituyen estados cuánticos cuya descripción
fenomenológica es muy similar a la de una partícula real.
El estudio de estas partículas subatómicas, de su estructura y de sus interacciones, incluye materias como la mecánica
cuántica y la física de partículas. A veces, debido a que gran parte de las partículas que pueden tratarse como partículas
subatómicas solo existen durante períodos de tiempo muy cortos y en condiciones muy extremas como los rayos
cósmicos o losaceleradores de partículas, suele llamarse a esta disciplina física de altas energías.
Por su parte el tratamiento que la teoría cuántica de campos (TCC) hace de las partículas difiere de la mecánica cuántica en
un punto importante. En TCC las partículas no son entidades básicas, sino que sólo existen campos y posibles estados del
espacio-tiempo (el que sean perceptibles un cierto número de partículas es una propiedad del estado cuántico del espacio
tiempo). Así un campo es tratado como un observable asociado a una región del espacio-tiempo, a su vez, a partir del
observable de campo se puede definir un operador número que se interpreta como el número de partículas observables en
el estado cuántico. Puesto que los autovalores del operador número son números enteros y las magnitudes extensivas son
expresables en términos de este operador, razón por la cual los autovalores de ese operador se pueden interpretar como el
número de partículas.
onfiguración electrónica
Como sabes en la corteza atómica se encuentran los electrones moviéndose alrededor del
núcleo atómico.
Los electrones se encuentran en la corteza en diferentes capas o niveles. En cada
capa o nivel se puede situar un número máximo de electrones que viene dado por la
expresión: nº electrones = 2·n2, donde n es el número de orden de la capa o nivel.
A su vez, los electrones se encuentran en cada nivel distribuidos en diferentes
subniveles denominados con las letras s, p d, f, etc. El número de electrones que cabe en
cada subnivel es el siguiente:
Subnivel
s
p
d
f
Número de
electrones que
puede haber
como máximo
2
6
10
14
El tipo de subnivel que puede tener un nivel dado depende del número de electrones
máximo del mismo:
1
Número máximo de
electrones que se pueden
poner (2·n2)
2·12 = 2·1 = 2
2
2·22=2·4=8
Nivel (n)
Subniveles que tiene
s
s
p
s
3
2·32=2·9=18
4
2·42=2·16=32
p
d
s
p
d
f
Para tener una idea muy aproximada de la distribución de los electrones en los diferentes
niveles y subniveles se utiliza el diagrama de Möller. Este diagrama indica el orden de
llenado de los subniveles y niveles de energía de un átomo, de arriba hacia abajo, siguiendo
el sentido de las flechas, hasta llegar al número de electrones que tiene dicho átomo.
Ejemplo. Escribe la estructura electrónica (distribución de electrones en la corteza) del
elemento Ho (Z = 67).
El número de protones coincide con el número atómico, es decir tendrá 67 protones.
En el átomo neutro habrá tantos protones como electrones: nº e- = 67. Dibujando el
diagrama de Möller, se van cubriendo los huecos hasta alcanzar el número de 67 electrones.
La configuración electrónica es:
1 s2 2 s2 p6 3 s2 p6 d10 4 s2 p6 d10 5 s2 p6 6 s2 4 f11
El subnivel que se está llenando se debe poner al final, en nuestro ejemplo 4 f11.
En química resulta de importancia los electrones más lejanos al núcleo:
-
Electrones de los subniveles ‘s’ y / o ‘p’ del último subnivel.
-
Electrones de los subniveles ‘d’ o ‘f’ que estén incompletos.
En nuestro ejemplo los electrones que resultan de interés en química serían 6 s2 4 f11 al ser
lo que están más lejos del núcleo, resultando más fácil que intervengan en las reacciones
químicas habituales.
El resto de los electrones se encuentran en niveles / subniveles más unidos al núcleo,
resultando más difícil extraerlos / moverlos a otros nivel en las reacciones químicas
habituales.
Para aclarar más la forma de utilizar el diagrama: acceso a la simulación
Números cuánticos
Como hemos dicho anteriormente, los electrones sólo pueden estar en determinadas órbitas
alrededor del núcleo atómico, el resto de las posiciones está restringido al electrón. Cada
una de dichas restricciones viene dada por un concepto que denominamos número cuántico.
En tercero de la ESO sólo vemos dos restricciones de las cuatro que hay:
-
La distancia al núcleo nos da el nivel de energía en el que se encuentra el electrón (lo
que hemos denominado n), se denomina número cuántico principal.
La forma de la órbita es otro tipo de restricción (lo que hemos denominado subnivel de
energía que viene dado por las letras, s, p, d, f,…), se denomina número cuántico
secundario.
ISOTOPOS Y SUS APLICACIONES
Isótopo | Aplicación |
cobalto-60 | Para el tratamiento del cáncer porque emite una radiación con más energía que la que
emite el radio y es más barato que este. |
arsénico-73 | se usa como trazador para estimar la cantidad de arsénico absorbido por el
organismo y el arsénico-74 en la localización de tumores cerebrales. |
Bromo-82 | Útil para hacer estudios en hidrología, tales como: determinación de caudales de agua,
direcciones de flujo de agua y tiempos de residencia en aguas superficiales y subterráneas;
determinación de la dinámica de lagos y fugas en embalses. |
Oro 198 | De gran aplicación en la industria del petróleo: perforación de pozos para búsqueda de
petróleo, estudios de recuperación secundaria de petróleo, que se adelantan en la determinación
de producción incremental e industria petroquímica en general. |
Fósforo 32 | es un isótopo que emite rayos beta y se usa para diagnosticar y tratar enfermedades
relacionadas con los huesos y con la médula ósea. |
Escandio 46 | aplicable en estudios de sedimentología y análisis de suelos. |
Lantano 140 | usado en el estudio del comportamiento de calderas y hornos utilizados en el sector
industrial. |
Mercurio 147 | de aplicación en celdas electrolíticas. |
nitrógeno-15 | se emplea a menudo en investigación médica y en agricultura. También se emplea
habitualmente en espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR) |
yodo 131 | Es uno de los radionucleidos involucrados en las pruebas nucleares atmosféricas, que
comenzaron en 1945.
Aumenta el riesgo de cáncer y posiblemente otras enfermedades del tiroides y aquellas causadas
por deficiencias hormonales tiroideas.