El Átomo

Átomo

Para el personaje de cómics, véase Átomo (cómic).

Representación de un átomo dehelio.

Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia que tiene las propiedades de un elemento químico.¹ 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).² No obstante, los átomos no tienen límites bien definidos y hay diferentes formas de definir su tamaño que dan valores diferentes pero cercanos. 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 tienen ambas cargas eléctricas, haciéndolos neutros. 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.

1.1 VISIÓN HISTÓRICA

Los filósofos griegos discutieron mucho sobre la naturaleza de la materia y concluyeron que el mundo era más sencillo de lo que parecía. En el siglo V a.C., Leucipo pensaba que sólo había un tipo de materia. Sostenía, además, que si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas, acabaríamos encontrando una porción que no se podría seguir dividiendo. Un discípulo suyo, Demócrito, bautizó a estas partes indivisibles de materia con el nombre de átomos, término que en griego significa “que no se puede dividir”.

Empédocles estableció que la materia estaba formada por 4 elementos: tierra, agua, aire y fuego. Aristóteles negó la existencia de los átomos de Demócrito y reconoció la teoría de los 4 elementos, que, gracias al prestigio que tenía, se mantuvo vigente en el pensamiento de la humanidad durante 2000 años. Hoy sabemos que aquellos 4 elementos iniciales no forman parte de los 106 elementos químicos actuales

Teoría atómica de Dalton

En 1808, Dalton publicó sus ideas sobre el modelo atómico de la materia las cuales han servido de base a la química moderna. Los principios fundamentales de esta teoría son: 1. La materia está formada por minúsculas partículas indivisibles llamadas átomos. 2. Hay distintas clases de átomos que se distinguen por su masa y sus propiedades. Todos los átomos de un elemento poseen las mismas propiedades químicas. Los átomos de elementos distintos tienen propiedades diferentes.

3. Los compuestos se forman al combinarse los átomos de dos o más elementos en proporciones fijas y sencillas. De modo que en un compuesto los de átomos de cada tipo están en una relación de números enteros o fracciones sencillas. 4. En las reacciones químicas, los átomos se intercambian de una a otra sustancia, pero ningún átomo de un elemento desaparece ni se transforma en un átomo de otro elemento.

Modelo atómico de Thomson

Representación esquemática del modelo de Thomson. Esfera completa de carga positiva con electrones incrustados

El modelo atómico de Thomson es una teoría sobre la estructura atómica propuesta en 1904 por Joseph John Thomson, quien descubrió el electrón¹ en 1897, mucho antes del descubrimiento del protón y del neutrón. En dicho modelo, el átomo está compuesto porelectrones de carga negativa en un átomo positivo, incrustados en este al igual que las pasas de un pudin. A partir de esta comparación, fue que el supuesto se denominó «Modelo del pudin de pasas».^2 3 Postulaba que los electrones se distribuían uniformemente en el interior del átomo suspendidos en una nube de carga positiva. El átomo se consideraba como una esfera con carga positiva con electrones repartidos como pequeños gránulos. La herramienta principal con la que contó Thomson para su modelo atómico fue la electricidad.

Modelo atómico de Rutherford

Modelo de un átomo de Rutherford. Propuso un núcleo con protones, y electrones girando alrededor de este.

Animación 3D de un átomo según Ernest Rutherford.

El modelo atómico de Rutherford¹ es un modelo atómico o teoría sobre la estructura interna del átomo propuesto por el químico y físico británico-neozelandés Ernest Rutherford² para explicar los resultados de su "experimento de la lámina de oro", realizado en 1911.

El modelo de Rutherford fue el primer modelo atómico que consideró al átomo formado por dos partes: la "corteza" (luego denominada periferia), constituida por todos sus electrones, girando a gran velocidad alrededor de un "núcleo" muy pequeño; que concentra toda la carga eléctrica positiva y casi toda la masa del átomo.

Rutherford llegó a la conclusión de que la masa del átomo se concentraba en una región pequeña de cargas positivas que impedían el paso de las partículas alfa. Sugirió un nuevo modelo en el cual el átomo poseía un núcleo o centro en el cual se concentra la masa y la carga positiva, y que en la zona extranuclear se encuentran los electrones de carga negativa

Modelo atómico actual

Fué desarrollado durante la decada de 1920, sobre todo por Schrödinger y Heisenberg. Es un modelo de gran complejidad matemática, tanta que usándolo sólo se puede resolver con exactitud el átomo de hidrógeno. Para resolver átomos distintos al de hidrógeno se recurre a métodos aproximados.

De cualquier modo, el modelo atómico mecano-cuántico encaja muy bien con las observaciones experimentales. De este modelo dire que no se habla de órbitas, sino de orbitales. Un orbital es una región del espacio en la que la probabilidad de encontrar al electrón es máxima. Los orbitales atómicos tienen distintas formas geométricas. En la simulación que tienes a la derecha puedes elegir entre distintos tipos de orbitales y observar su forma geométrica.

Modelo atómico de Bohr

Diagrama del modelo atómico de Bohr

El modelo atómico de Bohr¹ o de Bohr-Rutherford es un modelo clásico del átomo, pero fue el primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización a partir de ciertos postulados. Dado que la cuantización del momento es introducida en forma ad hoc, el modelo puede considerarse transicional en cuanto a que se ubica entre la mecánica clásica y la cuántica. Fue propuesto en 1913por el físico danés Niels Bohr,² para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford). Además el modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico, explicado por Albert Einstein en 1905.

Modelo atómico de Sommerfeld

El Modelo atómico de Sommerfeld¹ es un modelo atómico hecho por el físico alemán Arnold Sommerfeld² (1868-1951) que básicamente es una generalización relativista delmodelo atómico de Bohr (1913).

El físico alemán Arnold Sommerfeld, crea en 1916, el modelo atómico que lleva su nombre, para dar algunas mejoras al modelo atómico de Bohr, ayudándose de la relatividad de Albert Einstein, teoría que había conocido al entrar como profesor en la Universidad de Munich, cuando aun la teoría de la relatividad no estaba aceptada. Sommerfeld, es más conocido en el mundo científico por su aportación a la ciencia con la constante de la estructura fina en 1919, que es la constante física fundamental en la interacción electromagnética.   

4.1.2. Escuela de Éfeso El punto de partida de Heráclito es la comprobación del incesante devenir de las cosas: el mundo es un flujo perpetuo: "No es posible meterse dos veces en el mismo río ni tocar dos veces una sustancia mortal en el mismo estado; a causa de la velocidad del movimiento todo se dispersa y se recompone de nuevo, todo viene y va". La sustancia que sea principio del mundo (cosmos) debe explicar el incesante devenir de éste con su propia extrema movilidad; Heráclito la identifica con el fuego . Pero puede decirse que en su doctrina el fuego pierde todo carácter corpóreo o físico (es más bien metafísico): es un principio activo, inteligente y creador. "Este mundo, que es el mismo para todos, no ha sido creado por ninguno de los dioses ni de los hombres, sino que fue siempre, es y será fuego eternamente vivo que se enciende según un orden regular y se apaga según un orden regular". Heráclito de Éfeso En su filosofía alcanza por primera vez la investigación filosófica conciencia de su naturaleza y de sus supuestos. Heráclito se detiene con esmero en el examen de las condiciones que hacen posible la filosofía. La primera consiste en que el hombre se observe a sí mismo : "Yo me he investigado a mí mismo". La investigación dirigida al mundo está condicionada por la luz que el hombre pueda lanzar sobre su propio ser. La investigación interior descubre profundidades infinitas: "No encontrarás los confines del alma, su razón es tanto más prfounda cuanto más te adentres en ella". La investigación interior abre al hombre sucesivas zonas de profundidad, que nunca se agotan: la razón, la ley última del yo, aparece continuamente más allá, en una profundidad cada vez más lejana y al mismo tiempo cada vez más íntima. Pero esta razón, que es la ley del alma, es además ley universal. La segunda y fundamental condición de la investigación es la comunicación entre los hombres . Heráclito plantea constantemente al hombre la alternativa de estar despierto o dormir; entre el abrirse, mediante la investigación, a la comunicación interhumana, que le descubre la auténtica realidad del mundo objetivo; y el encerrarse en su propio pensar aislado, en un mundo ficticio. "Aunque esta razón existe siempre, los hombres se tornan incapaces de comprenderla, tanto antes de oírla como una vez que la han oído. En efecto, aun cuando todo sucede según esta razón, parecen inexpertos al experimentar con palabras y acciones tales como las que yo describo, cuando distingo cada una según la naturaleza y muestro cómo es; pero a los demás hombres les pasan inadvertidas cuantas cosas hacen despiertos, del mismo modo que les pasan inadvertidas cuantas hacen mientras duermen." Heráclito de Éfeso Pero Heráclito ha determinado también cuál es esa ley cuyo significado debe aclarar y profundizar la investigación. Este fue el gran descubrimiento de Heráclito ya a juicio de los antiguos (como Filón). La unidad del principio creador no es una unidad idéntica ni excluye la lucha, la discordia, la oposición. Para entender la ley suprema del ser, el logos que lo constituye y gobierna, es preciso unir lo armónico y lo disonante, y darse cuenta de que la unidad surge de todos los opuestos: "La misma cosa son lo vivo y lo muerto, lo despierto y lo dormido, lo joven y lo viejo: ya que cada uno de estos opuestos, al cambiar, es el otro y, a su vez, este otro es, al cambiar, aquél". De la misma manera que en la circunferencia cada punto es a la vez principio y fin, tal y como el mismo camino puede ser recorrido hacia arriba y hacia abajo, así todo contraste supone una unidad que constituye el significado vital y racional del contraste mismo: "Lo que es opuesto une y lo que diverge unifica". "La guerra es la norma del mundo y la guerra es la común progenitora y señora de todas las cosas". La unidad propia del mundo es una tensión de este género: no anula, ni concilia, ni supera el contraste, sino que lo hace ser y lo hace entender como contraste.