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Átomo

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Átomo
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Presentación

Atomo modelo atomico.png

Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia ordinaria que tiene las propiedades de un elemento químico. Cada sólido, líquido, gas y plasma se compone de átomos neutros o ionizados. Los átomos son muy pequeños; los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (diez mil millonésima parte de un metro). No obstante, los átomos no tienen límites bien definidos y hay diferentes formas de definir su tamaño que dan valores diferentes pero cercanos.

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Los átomos son lo suficientemente pequeños para que la física clásica dé resultados notablemente incorrectos. A través del desarrollo de la física, los modelos atómicos han incorporado principios cuánticos para explicar y predecir mejor su comportamiento.

Cada átomo se compone de un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. El núcleo está compuesto de uno o más protones y típicamente un número similar de neutrones (ninguno en el hidrógeno-1). Los protones y los neutrones son llamados nucleones. Más del 99,94 % de la masa del átomo está en el núcleo. Los protones tienen una carga eléctrica positiva, los electrones tienen una carga eléctrica negativa y los neutrones no tienen carga eléctrica. Si el número de protones y electrones son iguales, ese átomo es eléctricamente neutro. Si un átomo tiene más o menos electrones que protones, entonces tiene una carga global negativa o positiva, respectivamente, y se denomina ion.

Los electrones de un átomo son atraídos por los protones en un núcleo atómico por esta fuerza electromagnética. Los protones y los neutrones en el núcleo son atraídos el uno al otro por una fuerza diferente, la fuerza nuclear, que es generalmente más fuerte que la fuerza electromagnética que repele los protones cargados positivamente entre sí. Bajo ciertas circunstancias, la fuerza electromagnética repelente se vuelve más fuerte que la fuerza nuclear y los nucleones pueden ser expulsados del núcleo, dejando tras de sí un elemento diferente: desintegración nuclear que resulta en transmutación nuclear.

El número de protones en el núcleo define a qué elemento químico pertenece el átomo: por ejemplo, todos los átomos de cobre contienen 29 protones. El número de neutrones define el isótopo del elemento.3 El número de electrones influye en las propiedades magnéticas de un átomo. Los átomos pueden unirse a otro u otros átomos por enlaces químicos para formar compuestos químicos tales como moléculas. La capacidad de los átomos de asociarse y disociarse es responsable de la mayor parte de los cambios físicos observados en la naturaleza y es el tema de la disciplina de la química.

No toda la materia del universo está compuesta de átomos. La materia oscura constituye más del universo que la materia y no se compone de átomos, sino de partículas de un tipo actualmente desconocido.

Introducción

El nombre «átomo» proviene del latín atomum, y este del griego ἄτομον 'no cortado, sin porciones, indivisible'; también, se deriva de a- ('no') y tómo- 'trozo cortado, porción, parte'. El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin embargo, no fueron considerados seriamente por los científicos hasta el siglo XIX, cuando fueron introducidos para explicar ciertas leyes químicas. Con el desarrollo de la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas.

Los átomos son objetos muy pequeños con masas igualmente minúsculas: su diámetro y masa son del orden de la billonésima parte de un metro y cuatrillonésima parte de un gramo. Solo pueden ser observados mediante instrumentos especiales tales como un microscopio de efecto túnel. Más de un 99,94 % de la masa del átomo está concentrada en su núcleo, en general repartida de manera aproximadamente equitativa entre protones y neutrones. El núcleo de un átomo puede ser inestable y sufrir una transmutación mediante desintegración radioactiva. Los electrones en la nube del átomo están repartidos en distintos niveles de energía u orbitales, y determinan las propiedades químicas del mismo. Las transiciones entre los distintos niveles dan lugar a la emisión o absorción de radiación electromagnética en forma de fotones, y son la base de la espectroscopia.

Estructura atómica

Estructura interna del átomo

Partículas subatómicas

A pesar de que átomo significa ‘indivisible’, en realidad está formado por varias partículas subatómicas. El átomo contiene protones, neutrones y electrones, con la excepción del hidrógeno-1, que no contiene neutrones, y del catión hidrógeno o hidrón, que no contiene electrones. Los protones y neutrones del átomo se denominan nucleones, por formar parte del núcleo atómico.

El electrón es la partícula más ligera de cuantas componen el átomo, con una masa de 9,11 · 10−31 kg. Tiene una carga eléctrica negativa, cuya magnitud se define como la carga eléctrica elemental, y se ignora si posee subestructura, por lo que se lo considera una partícula elemental. Los protones tienen una masa de 1,67 · 10−27 kg, 1836 veces la del electrón, y una carga positiva opuesta a la de este. Los neutrones tienen un masa de 1,69 · 10−27 kg, 1839 veces la del electrón, y no poseen carga eléctrica. Las masas de ambos nucleones son ligeramente inferiores dentro del núcleo, debido a la energía potencial del mismo; y sus tamaños son similares, con un radio del orden de 8 · 10−16 m o 0,8 femtómetros (fm).

El protón y el neutrón no son partículas elementales, sino que constituyen un estado ligado de quarks u y d, partículas fundamentales recogidas en el modelo estándar de la física de partículas, con cargas eléctricas iguales a +2/3 y −1/3 respectivamente, respecto de la carga elemental. Un protón contiene dos quarks u y un quark d, mientras que el neutrón contiene dos d y un u, en consonancia con la carga de ambos. Los quarks se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear fuerte, mediada por gluones —del mismo modo que la fuerza electromagnética está mediada por fotones—. Además de estas, existen otras partículas subatómicas en el modelo estándar: más tipos de quarks, leptones cargados (similares al electrón), etc.

El núcleo atómico

Los protones y neutrones de un átomo se encuentran ligados en el núcleo atómico, la parte central del mismo. El volumen del núcleo es aproximadamente proporcional al número total de nucleones, el número másico A,8 lo cual es mucho menor que el tamaño del átomo, cuyo radio es del orden de 105 fm o 1 ångström (Å). Los nucleones se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear, que es mucho más intensa que la fuerza electromagnética a distancias cortas, lo cual permite vencer la repulsión eléctrica entre los protones.

Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, que se denomina número atómico y se representa por Z. Los átomos de un elemento dado pueden tener distinto número de neutrones: se dice entonces que son isótopos. Ambos números conjuntamente determinan el núclido.

El núcleo atómico puede verse alterado por procesos muy energéticos en comparación con las reacciones químicas. Los núcleos inestables sufren desintegraciones que pueden cambiar su número de protones y neutrones emitiendo radiación. Un núcleo pesado puede fisionarse en otros más ligeros en una reacción nuclear o espontáneamente. Mediante una cantidad suficiente de energía, dos o más núcleos pueden fusionarse en otro más pesado.

En átomos con número atómico bajo, los núcleos con una cantidad distinta de protones y neutrones tienden a desintegrarse en núcleos con proporciones más parejas, más estables. Sin embargo, para valores mayores del número atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción mayor de neutrones para estabilizar el núcleo

Nube de electrones

Los electrones en el átomo son atraídos por los protones a través de la fuerza electromagnética. Esta fuerza los atrapa en un pozo de potencial electrostático alrededor del núcleo, lo que hace necesaria una fuente de energía externa para liberarlos. Cuanto más cerca está un electrón del núcleo, mayor es la fuerza atractiva, y mayor por tanto la energía necesaria para que escape.

Los electrones, como otras partículas, presentan simultáneamente propiedades de partícula puntual y de onda, y tienden a formar un cierto tipo de onda estacionaria alrededor del núcleo, en reposo respecto de este. Cada una de estas ondas está caracterizada por un orbital atómico, una función matemática que describe la probabilidad de encontrar al electrón en cada punto del espacio. El conjunto de estos orbitales es discreto, es decir, puede enumerarse, como es propio en todo sistema cuántico. La nube de electrones es la región ocupada por estas ondas, visualizada como una densidad de carga negativa alrededor del núcleo.

Cada orbital corresponde a un posible valor de energía para los electrones, que se reparten entre ellos. El principio de exclusión de Pauli prohíbe que más de dos electrones se encuentren en el mismo orbital. Pueden ocurrir transiciones entre los distintos niveles de energía: si un electrón absorbe un fotón con energía suficiente, puede saltar a un nivel superior; también desde un nivel más alto puede acabar en un nivel inferior, radiando el resto de la energía en un fotón. Las energías dadas por las diferencias entre los valores de estos niveles son las que se observan en las líneas espectrales del átomo.

Propiedades atómicas

Masa

La mayor parte de la masa del átomo viene de los nucleones, los protones y neutrones del núcleo. También contribuyen en una pequeña parte la masa de los electrones, y la energía de ligadura de los nucleones, en virtud de la equivalencia entre masa y energía. La unidad de masa que se utiliza habitualmente para expresarla es la unidad de masa atómica (u). Esta se define como la doceava parte de la masa de un átomo neutro de carbono-12 libre, cuyo núcleo contiene 6 protones y 6 neutrones, y equivale a 1,66 · 10−27 kg aproximadamente. En comparación el protón y el neutrón libres tienen una masa de 1,007 y 1,009 u. La masa de un átomo es entonces aproximadamente igual al número de nucleones en su núcleo —el número másico— multiplicado por la unidad de masa atómica. El átomo estable más pesado es el plomo-208, con una masa de 207,98 u.11

En química se utiliza también el mol como unidad de masa. Un mol de átomos de cualquier elemento equivale siempre al mismo número de estos (6,022 · 1023), lo cual implica que un mol de átomos de un elemento con masa atómica de 1 u pesa aproximadamente 1 gramo. En general, un mol de átomos de un cierto elemento pesa de forma aproximada tantos gramos como la masa atómica de dicho elemento.

Tamaño

Los átomos no están delimitados por una frontera clara, por lo que su tamaño se equipara con el de su nube electrónica. Sin embargo, tampoco puede establecerse una medida de esta, debido a las propiedades ondulatorias de los electrones. En la práctica, se define el radio atómico estimándolo en función de algún fenómeno físico, como la cantidad y densidad de átomos en un volumen dado, o la distancia entre dos núcleos en una molécula.

Los diversos métodos existentes arrojan valores para el radio atómico de entre 0,5 y 5 Å. Dentro de la tabla periódica de los elementos, el tamaño de los átomos tiende a disminuir a lo largo de un periodo —una fila—, para aumentar súbitamente al comienzo de uno nuevo, a medida que los electrones ocupan niveles de energía más altos.12

Las dimensiones del átomo son miles de veces más pequeñas que la longitud de onda de la luz (400-700 nm) por lo que estos no pueden ser observados utilizando instrumentos ópticos. En comparación, el grosor de un cabello humano es equivalente a un millón de átomos de carbono. Si una manzana fuera del tamaño de la Tierra, los átomos en ella serían tan grandes como la manzana original.

Niveles de energía

Un electrón ligado en el átomo posee una energía potencial inversamente proporcional a su distancia al núcleo y de signo negativo, lo que quiere decir que esta aumenta con la distancia. La magnitud de esta energía es la cantidad necesaria para desligarlo, y la unidad usada habitualmente para expresarla es el electrónvoltio (eV). En el modelo mecanocuántico solo hay un conjunto discreto de estados o niveles en los que un electrón ligado puede encontrarse —es decir, enumerables—, cada uno con un cierto valor de la energía. El nivel con el valor más bajo se denomina el estado fundamental, mientras que el resto se denominan estados excitados.

Cuando un electrón efectúa una transición entre dos estados distintos, absorbe o emite un fotón, cuya energía es precisamente la diferencia entre los dos niveles. La energía de un fotón es proporcional a su frecuencia, así que cada transición se corresponde con una banda estrecha del espectro electromagnético denominada línea espectral. Un ejemplo de líneas de absorción en un espectro

Cada elemento químico posee un espectro de líneas característico. Estas se detectan como líneas de emisión en la radiación de los átomos del mismo. Por el contrario, si se hace pasar radiación con un espectro de frecuencias continuo a través de estos, los fotones con la energía adecuada son absorbidos. Cuando los electrones excitados decaen más tarde, emiten en direcciones aleatorias, por lo que las frecuencias características se observan como líneas de absorción oscuras. Las medidas espectroscópicas de la intensidad y anchura de estas líneas permite determinar la composición de una sustancia.

Algunas líneas espectrales se presentan muy juntas entre sí, tanto que llegaron a confundirse con una sola históricamente, hasta que fue descubierta su subestructura o estructura fina. La causa de este fenómeno se encuentra en las diversas correcciones a considerar en la interacción entre los electrones y el núcleo. Teniendo en cuenta tan solo la fuerza electrostática, ocurre que algunas de las configuraciones electrónicas pueden tener la misma energía aun siendo distintas. El resto de pequeños efectos y fuerzas en el sistema electrón-núcleo rompe esta redundancia o degeneración, dando lugar a la estructura fina. Estos incluyen las correcciones relativistas al movimiento de electrón, la interacción de su momento magnético con el campo eléctrico y con el núcleo, etc.

Además, en presencia de un campo externo los niveles de energía se ven modificados por la interacción del electrón con este, en general produciendo o aumentando la división entre los niveles de energía. Este fenómeno se conoce como efecto Stark en el caso de un campo eléctrico, y efecto Zeeman en el caso de un campo magnético.

Las transiciones de un electrón a un nivel superior ocurren en presencia de radiación electromagnética externa, que provoca la absorción del fotón necesario. Si la frecuencia de dicha radiación es muy alta, el fotón es muy energético y el electrón puede liberarse, en el llamado efecto fotoeléctrico.

Las transiciones a un nivel inferior pueden ocurrir de manera espontánea, emitiendo la energía mediante un fotón saliente; o de manera estimulada, de nuevo en presencia de radiación. En este caso, un fotón «entrante» apropiado provoca que el electrón decaiga a un nivel con una diferencia de energía igual a la del fotón entrante. De este modo, se emite un fotón saliente cuya onda asociada está sincronizada con la del primero, y en la misma dirección. Este fenómeno es la base del láser.

Interacciones eléctricas entre protones y electrones

Antes del experimento de Rutherford la comunidad científica aceptaba el modelo atómico de Thomson, situación que varió después de la experiencia de Ernest Rutherford. Los modelos posteriores se basan en una estructura de los átomos con una masa central cargada positivamente rodeada de una nube de carga negativa.

Este tipo de estructura del átomo llevó a Rutherford a proponer su modelo en que los electrones se moverían alrededor del núcleo en órbitas. Este modelo tiene una dificultad proveniente del hecho de que una partícula cargada acelerada, como sería necesario para mantenerse en órbita, radiaría radiación electromagnética, perdiendo energía. Las leyes de Newton, junto con las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo aplicadas al átomo de Rutherford llevan a que en un tiempo del orden de 10−10 s, toda la energía del átomo se habría radiado, con la consiguiente caída de los electrones sobre el núcleo.

Descubren una anomalía en el átomo que permitirá nuevos estados de la materia

Los materiales cambian sus propiedades cuando se los somete a altas presiones. Elementos conductores de la electricidad, como el sodio, se convierten en aislantes, mientras que otros como el oxígeno se solidifican y pueden llegar a ser un superconductor. La razón de estos cambios está en el mismo átomo, pero hoy la ciencia ha descubierto un cambio hasta ahora desconocido.

Cuando un elemento químico o un compuesto se somete a altas presiones, tienen lugar dos cambios. El primero es que la distancia entre átomos se hace más corta. Si la presión es suficiente, también cambia el comportamiento de los electrones de valencia. Los electrones de valencia son los que conforman el exterior del átomo, y son importantes porque son los que interactúan con los electrones de otros átomos y forman enlaces para dar lugar a diferentes compuestos.

En todo ese baile de electrones a alta presión, había un elemento que siempre permanecía invariable: los electrones internos que rodean el núcleo del átomo. Un equipo internacional de científicos dirigidos por la Universidad de Linköping, en Suecia, acaba de descubrir que los electrones internos del átomo también cambian si la presión es suficiente.

Lo que han hecho concretamente ha sido someter una pequeña cantidad de osmio (uno de los metales más densos que se conocen) a una presión de 7,7 millones de atmósferas, casi el doble de la presión existente en el núcleo de la Tierra. Para ello han utilizado un dispositivo llamado celda de yunque de diamante. Este instrumental científico permite precisamente aplicar altísimas presiones sobre cantidades de material de apenas unos milímetros.

Los cálculos de la densidad del osmio han permitido descubrir que los electrones internos también reaccionan a esa presión y comienzan a interactuar. Es la primera vez que se constata ese comportamiento. Dado que las interacciones entre electrones definen la propia composición química, esta anomalía es el punto de partida para el estudio de nuevos estados de la materia. El profesor A.I. Abrikosov, uno de los coautores del estudio explica:

"La interacción entre electrones internos nunca había sido observada. El fenómeno significa que podemos empezar a buscar estados de la materia completamente inéditos. Estamos encantados de haber abierto toda una nueva caja de preguntas para futuras investigaciones."[1]

Capturan por primera vez el sonido de un átomo

Investigadores de Chalmers University of Technology, en Suecia, y Columbia University, en EE.UU. han logrado averiguarlo y captar por primera vez el sonido de un átomo. "Hemos detectado el sonido más débil que es posible captar", dice Martin Gustafsson, co-autor del estudio.[2] ¿Cómo suena un átomo y cómo han capturado ese sonido?

"La amplitud del sonido, o fuerza, es muy débil. Básicamente, cuando manipulas un átomo, este crea un sonido, un fonón cada vez", explica Göran Johansson en el informe publicado. El sonido es tan débil que los investigadores no pudieron siquiera oírlo, sólo captar sus ondas con circuitos similares a los utilizados hoy en día en ordenadores cuánticos.[3]

Para el experimento, crearon un átomo artificial y lo manipularon para intentar captar las ondas que generaba. Lo hicieron con un diminuto circuito con amplificadores de microondas a baja temperatura, tecnología similar a la utilizada para leer qbits en supercomputación. El objetivo de todo esto era analizar las particularidades cuánticas del sonido y las propiedades de los fonones frente a los fotones.

Dado que el sonido se mueve mucho más lento que la luz (fotones), la acústica a nivel cuántico abre nuevas posibilidades de investigación. Es ahí donde reside la importancia de este experimento. De probarse de forma sucesiva, las comunicaciones cuánticas podrían basarse en un futuro en la propagación y manipulación del sonido de las partículas y no solo en la propagación de luz a nivel cuántico, mucho más difícil de manipular por su alta velocidad.

¿Siguiente paso? Los investigadores intentarán ahora grabar el sonido en próximos experimentos, en lugar de solo captar las ondas que producen los átomos. Tal vez dentro de poco lo podremos escuchar.[4]

Primera fotografía de la sombra de un átomo

Fotografia sombra de un atomo.jpg

Publicado en Nature Communications , “Absorción de imágenes de un solo átomo ” es el resultado del trabajo de los últimos 5 año del equipo de investigación Kielpinski / Streed.

En el centro de este logro está el microscopio de alta resolución de la Universidad de Griffith, que hace que la sombra sea lo bastante oscura para ser vista. Ninguna institución en el mundo tiene la capacidad tal extrema de imagen óptica.

La realización de un átomo el tiempo suficiente para poder tomar su fotografía, mientras ya es notable en sí misma, aunque no es nueva tecnología; el átomo está aislado dentro de una cámara y se mantiene en espacio libre por fuerzas eléctricas.

El Profesor Kielpinski y sus colegas atraparon iones atómicos individuales del elemento iterbio y los expusieron a una frecuencia específica de luz. Bajo esta luz la sombra del átomo fue enviada a un detector, y una cámara digital fue capaz de capturar la imagen.

“Mediante el uso del microscopio de ultra alta resolución, hemos sido capaces de concentrar la imagen en un área más pequeña de lo que se ha logrado antes, creando una imagen más oscura, que es más fácil de ver”, dijo el profesor Kielpinski.

La precisión de este proceso es casi inimaginable.

Si cambiamos la frecuencia de la luz que brilla en el átomo sólo una parte, la imagen ya no puede ser vista”, dijo el profesor Kielpinski.

El miembro del equipo de investigación, el Doctor Erik Streed, dijo que las implicaciones de estos hallazgos son de largo alcance.

Estos experimentos ayudan a confirmar nuestro entendimiento de física atómica y pueden ser útiles en computación cuántica“, dijo el Dr. Streed.

“Debido a que somos capaces de predecir el grado de oscuridad de un solo átomo , así como la cantidad de luz que debe absorber en la formación de una sombra, podemos medir si el microscopio es capaz de lograr el contraste máximo permitido por la física.”

Esto es importante si quieres mirar muestras biológicas muy pequeñas y frágiles, como las hebras de ADN, donde la exposición a la luz ultravioleta excesiva o a rayos X puedan dañar el material.” “Ahora se puede predecir la cantidad de luz necesaria para observar los procesos dentro de las células, en óptimas condiciones, sin traspasar su umbral de destrucción".

Y eso puede ayudar a los biólogos a hacer las cosas de una manera diferente.

“Al final, un poco de luz podría ser suficiente para hacer el trabajo.”[5]

Fuentes y Enlaces de Interés

  1. Nature/The most incompressible metal osmium at static pressures above 750 gigapascals
  2. The sound of an atom has been captured/12sept 2014
  3. Science/Propagating phonons coupled to an artificial atom. Martin V. Gustafsson1,2,*, Thomas Aref1, Anton Frisk Kockum1, Maria K. Ekström1, Göran Johansson1, Per Delsing1,*
  4. Publicado Revista Science
  5. phys.org/ First photo of shadow of single atom July 3, 2012
  • Sokolovsky, Silvia (2002). «El Átomo»..
  • Bransden, B.H.; Joachain, J.C. (1983). Physics of atoms and molecules (en inglés). Longman Group Limited. ISBN 0-582-44401-2.
  • Cottingham, W.N.; Greenwood, D.A. (2004). An introduction to nuclear physics (en inglés). Cambridge University Press. ISBN 0-521-65149-2.
  • Demtröder, Wolfgang (2006). Atoms, molecules and photons (en inglés). Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-20631-6.
  • Kramer, Kenneth (1988). Introductory nuclear physics (en inglés). ISBN 047180553X.
  • «Los ladrillos del Universo: los bloques constituyentes de la materia». Archivado desde el original el 8 de febrero de 2009. Material divulgativo del CERN.
  • Ghosh, D. C.; Biswas, R. (2002). «Theoretical calculation of Absolute Radii of Atoms and Ions. Part 1. The Atomic Radii». Int. J. Mol. Sci. 3: 87–113. doi:10.3390/i3020087.
  • Antonio Rañada(1990), Dinámica Clásica. Madrid, Alianza Editorial, S. A. 84-206-8133-4
  • B.H. Bransden and C.J. Joachain (1992), Physics of Atomos and Molecules. Harlow-Essex-England, Longman Group Limited. 0-582-44401-2
  • Fonón
  • Electrón
  • Protón
  • Electrón, protón y neutrón ¿se pueden comprimir?
  • Teoria del caos
  • Estado de agregación de la materia

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