Estudio del atomo
- 2. -Introducción. -Definición de átomo. -Partes del átomo. -La teoría de Dalton. -Tabla periódica de los elementos. -Radiactividad del átomo. -Visión de un átomo. -Masa atómica. -Liberación de la energía del átomo. -Grandes personajes. -
- 3. “Atomo" es una palabra griega que significa "lo más pequeño de la materia que no se puede dividir"… aunque actualmente sabemos que los mismos átomos se pueden dividir… ¡y hasta desintegrar!, produciendo la Bomba Atómica. Su tamaño: Un milímetro se divide en mil billones de partes y esa es la medida de un átomo. Su peso: La trillonésima parte de un gramo: Un gramo dividido en un billón de billones de partes, eso es un átomo… nadie lo puede ver, sólo sus efectos!. En un milímetro de papel hay mil billones de átomos de Hidrógeno, Oxígeno, Carbono… unidos en moléculas, que son grupos de átomos. Y esos átomos no están quietos formando una masa, sino muy separados unos de otros y moviéndose a velocidad de velocidades como los astros… Cada Atomo tiene dos partes: El núcleo, y los electrones alrededor del núcleo… como el sol y los planetas. El sol tiene 9 planetas alrededor, pues el núcleo de la plata tiene 47, el del plomo 82, el de hidrógeno el que menos, solo uno, y el de uranio tiene 92… Estos electrones están separados del núcleo comparativamente tanto como la tierra está separada del sol… y se mueven a una velocidad aun mas grande que la tierra: El electrón del hidrógeno se mueve a 2.000 kilómetros por segundo girando al núcleo 6 billones de veces por segundo. A la tierra le daría una vuelta entera en 20 segundos, no en 28 días, como tarda la luna… Para los electrones, todo es dar vueltas a las vueltas a velocidades gigantescas… y todo en orden exacto y perfecto en cada momento… El mundo de los átomos es como el de los astros… un universo inacabable, inmenso… ¡qué grande eres, Señor, en los más pequeño!.
- 4. -L a u n idad m ás pequ eñ a posible de u n elem en to qu ím ico. E n la filosofía de la an tigu a Grecia, la palabra “átom o” se em pleaba para referirse a la parte de m ateria m ás pequ eñ o qu e podía con cebirse. E sa “partícu la fu n dam en tal”, por em plear el térm in o m odern o para ese con cepto, se con sideraba in destru ctible. D e h ech o, átom o sign ifica en griego “n o divisible”. E l con ocim ien to del tam añ o y la n atu raleza del átom o avan zó m u y len tam en te a lo largo de los siglos ya qu e la gen te se lim itaba a especu lar sobre él. -Con la llegada de la cien cia experim en tal en los siglos XVI y XVII, los avan ces en la teoría atóm ica se h icieron m ás rápidos. L os qu ím icos se dieron cu en ta m u y pron to de qu e todos los líqu idos, gases y sólidos pu eden descom pon erse en su s con stitu yen tes ú ltim os, o elem en tos. Por ejem plo, se descu brió qu e la sal se com pon ía de dos elem en tos diferen tes, el sodio y el cloro, ligados en u n a u n ión ín tim a con ocida com o com pu esto qu ím ico. E l aire, en cam bio, resu ltó ser u n a mezcla de los gases n itrógen o y oxígen o.
- 6. Electrón: Tipo de partícula elemental que, junto con los protones y los neutrones, forma los átomos y las moléculas. Los electrones intervienen en una gran variedad de fenómenos. El flujo de una corriente eléctrica en un conductor es causado por el movimiento de los electrones libres del conductor. La conducción del calor también se debe fundamentalmente a la actividad electrónica. En los tubos de vacío, un cátodo calentado emite una corriente de electrones que puede emplearse para amplificar o rectificar una corriente eléctrica. Si esa corriente se enfoca para formar un haz bien definido, éste se denomina haz de rayos catódicos. Si se dirigen los rayos catódicos hacia un objetivo adecuado, producen rayos X; si se dirigen hacia la pantalla fluorescente de un tubo de televisión, producen imágenes visibles. Las partículas beta de carga negativa que emiten algunas sustancias radiactivas son electrones. Los electrones tienen una masa en reposo de 9,109 x 10 -31 kg y una carga eléctrica negativa de 1,602 x 10-19 culombios. La carga del electrón es la unidad básica de electricidad. Los electrones se clasifican como fermiones porque tienen espín semientero; el espín es la propiedad cuántica de las partículas subatómicas que indica su momento angular intrínseco. La partícula de antimateria correspondiente al electrón es el positrón.
- 7. Proton: Partícula nuclear con carga positiva igual en magnitud a la carga negativa del electrón; junto con el neutrón, está presente en todos los núcleos atómicos. Al protón y al neutrón se les denomina también nucleones. El núcleo del átomo de hidrógeno está formado por un único protón. La masa de un protón es de 1,6726 × 10-27 kg, aproximadamente 1.836 veces la del electrón. Por tanto, la masa de un átomo está concentrada casi exclusivamente en su núcleo. El protón tiene un momento angular intrínseco, o espín, y por tanto un momento magnético. Por otra parte, el protón cumple el principio de exclusión. El número atómico de un elemento indica el número de protones de su núcleo, y determina de qué elemento se trata. En física nuclear, el protón se emplea como proyectil en grandes aceleradores para bombardear núcleos con el fin de producir partículas fundamentales. Como ion del hidrógeno, el protón desempeña un papel importante en la química. El antiprotón, la antipartícula del protón, se conoce también como protón negativo. Se diferencia del protón en que su carga es negativa y en que no forma parte de los núcleos atómicos. El antiprotón es estable en el vacío y no se desintegra espontáneamente. Sin embargo, cuando un antiprotón colisiona con un protón, ambas partículas se transforman en mesones, cuya vida media es extremadamente breve. Si bien la existencia de esta partícula elemental se postuló por primera vez en la década de 1930, el antiprotón no se identificó hasta 1955, en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California. Los protones son parte esencial de la materia ordinaria, y son estables a lo largo de periodos de miles de millones, incluso billones, de años. No obstante, interesa saber si los protones acaban desintegrándose, en una escala temporal de 1033 años o más. Este interés se deriva de los actuales intentos de lograr teorías de unificación que combinen las cuatro interacciones fundamentales de la materia en un único esquema.
- 8. Neutrón: Partícula sin carga que constituye una de las partículas fundamentales que componen la materia. La masa de un neutrón es de 1,675 × 10 -27 kg, aproximadamente un 0,125% mayor que la del protón. La existencia del neutrón fue profetizada en 1920 por el físico británico Ernest Rutherford y por científicos australianos y estadounidenses, pero la verificación experimental de su existencia resultó difícil debido a que la carga eléctrica del neutrón es nula y la mayoría de los detectores de partículas sólo registran las partículas cargadas.
- 9. John Dalton, profesor y químico británico, estaba fascinado por el rompecabezas de los elementos. A principios del siglo XIX estudió la forma en que los diversos elementos se combinan entre sí para formar compuestos químicos. Aunque muchos otros científicos, empezando por los antiguos griegos, habían afirmado ya que las unidades más pequeñas de una sustancia eran los átomos, se considera a Dalton como una de las figuras más significativas de la teoría atómica porque la convirtió en algo cuantitativo. Dalton mostró que los átomos se unían entre sí en proporciones definidas. Las investigaciones demostraron que los átomos suelen formar grupos llamados moléculas. Cada molécula de agua, por ejemplo, está formada por un único átomo de oxígeno (O) y dos átomos de hidrógeno (H) unidos por una fuerza eléctrica denominada enlace químico, por lo que el agua se simboliza como HOH o H2O.
- 10. Todos los átomos de un determinado elemento tienen las mismas propiedades químicas. Por tanto, desde un punto de vista químico, el átomo es la entidad más pequeña que hay que considerar. Las propiedades químicas de los elementos son muy distintas entre sí; sus átomos se combinan de formas muy variadas para formar numerosísimos compuestos químicos diferentes. Algunos elementos, como los gases nobles helio y argón, son inertes; es decir, no reaccionan con otros elementos salvo en condiciones especiales. Al contrario que el oxígeno, cuyas moléculas son diatómicas (formadas por dos átomos), el helio y otros gases inertes son elementos monoatómicos, con un único átomo por molécula.
- 13. Una serie de descubrimientos importantes realizados hacia finales del siglo XIX dejó claro que el átomo no era una partícula sólida de materia que no pudiera ser dividida en partes más pequeñas. En 1895, el científico alemán Wilhelm Conrad Roentgen anunció el descubrimiento de los rayos X, que pueden atravesar láminas finas de plomo. En 1897, el físico inglés J. J. Thomson descubrió el electrón, una partícula con una masa muy inferior al de cualquier átomo. Y, en 1896, el físico francés Antoine Henri Becquerel comprobó que determinadas sustancias, como las sales de uranio, generaban rayos penetrantes de origen misterioso. El matrimonio de científicos franceses formado por Marie y Pierre Curie aportó una contribución adicional a la comprensión de esas sustancias “radiactivas”...
- 14. … Como resultado de las investigaciones del físico británico Ernest Rutherford y sus coetáneos, se demostró que el uranio y algunos otros elementos pesados, como el torio o el radio, emiten tres clases diferentes de radiación, inicialmente denominadas rayos alfa (α), beta (β) y gamma (γ). Las dos primeras, que según se averiguó están formadas por partículas eléctricamente cargadas, se denominan actualmente partículas alfa y beta. Posteriormente se comprobó que las partículas alfa son núcleos de helio (ver más abajo) y las partículas beta son electrones. Estaba claro que el átomo se componía de partes más pequeñas. Los rayos gamma fueron finalmente identificados como ondas electromagnéticas, similares a los rayos X pero con menor longitud de onda
- 17. EL ATOMO DE BHOR. La materia está formada por moléculas, y estas a su vez, por átomos. El átomo es, por tanto, la parte más pequeña de la materia. Pero, ¿ de qué está constituido el átomo ?. El modelo de Bhor nos da la siguiente explicación El átomo está formado por núcleo y corteza. En el núcleo se encuentran aglutinados protones y neutrones, en número diferente según el elemento de que se trate. Por ejemplo, el hidrógeno tiene un solo protón. En cambio el sodio tiene once protones y doce neutrones. La corteza está formada por capas, en las cuales giran los electrones en órbitas circulares alrededor del núcleo. En cada capa hay uno o varios electrones. El número total de electrones de la corteza es igual al número de protones del núcleo, de tal manera que la carga eléctrica total de un átomo es nula. Número de cargas negativa "electrones" = número de cargas positivas "protones" Cuando un electrón salta de una capa a otra inferior, desprende energía radiante. Para que un electrón salte de una capa a otra superior, es preciso comunicarle energía exterior
- 18. •Se aproxima bastante a la tabla antigua basada en el oxígeno natural. De la ley de Avogadro se desprende que las masas de un volumen patrón de diferentes gases (es decir, sus densidades) son proporcionales a la masa de cada molécula individual de gas. Si se toma el carbono como patrón y se le asigna al átomo de carbono un valor de 12,0000 unidades de masa atómica (u), resulta que el hidrógeno tiene una masa atómica de 1,0079 u, el helio de 4,0026, el flúor de 18,9984 y el sodio de 22,9898. En ocasiones se habla de “peso atómico” aunque lo correcto es “masa atómica”. La masa es una propiedad del cuerpo, mientras que el peso es la fuerza ejercida sobre el cuerpo a causa de la gravedad. •La observación de que muchas masas atómicas se aproximan a números enteros llevó al químico británico William Prout a sugerir, en 1816, que todos los elementos podrían estar compuestos por átomos de hidrógeno. No obstante, medidas posteriores de las masas atómicas demostraron que el cloro, por ejemplo, tiene una masa atómica de 35,453 (si se asigna al carbono el valor 12). El descubrimiento de estas masas atómicas fraccionarias pareció invalidar la hipótesis de Prout hasta un siglo después, cuando se descubrió que generalmente los átomos de un elemento dado no tienen todos la misma masa. Los átomos de un mismo elemento con diferente masa se conocen como isótopos...
- 19. ...En el caso del cloro, existen dos isótopos en la naturaleza. Los átomos de uno de ellos (cloro 35) tienen una masa atómica cercana a 35, mientras que los del otro (cloro 37) tienen una masa atómica próxima a 37. Los experimentos demuestran que el cloro es una mezcla de tres partes de cloro 35 por cada parte de cloro 37. Esta proporción explica la masa atómica observada en el cloro. •Durante la primera mitad del siglo XX era corriente utilizar el oxígeno natural como patrón para expresar las masas atómicas, asignándole una masa atómica entera de 16. A principios de la década de 1960, las asociaciones internacionales de química y física acordaron un nuevo patrón y asignaron una masa atómica exactamente igual a 12 a un isótopo de carbono abundante, el carbono 12
- 20. En 1905, Albert Einstein desarrolló la ecuación que relaciona la masa y la energía, E = mc2, como parte de su teoría de la relatividad especial. Dicha ecuación afirma que una masa determinada (m) está asociada con una cantidad de energía ( E) igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz ( c). Una cantidad muy pequeña de masa equivale a una cantidad enorme de energía. Como más del 99% de la masa del átomo reside en su núcleo, cualquier liberación de grandes cantidades de energía atómica debe provenir del núcleo. -Hay dos procesos nucleares que tienen gran importancia práctica porque proporcionan cantidades enormes de energía: la fisión nuclear -la escisión de un núcleo pesado en núcleos más ligeros- y la fusión termonuclear -la unión de dos núcleos ligeros (a temperaturas extremadamente altas) para formar un núcleo más pesado. El físico estadounidense de origen italiano Enrico Fermi logró realizar la fisión en 1934, pero la reacción no se reconoció como tal hasta 1939, cuando los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann anunciaron que habían fisionado núcleos de uranio bombardeándolos con neutrones. Esta reacción libera a su vez neutrones, con lo que puede causar una reacción en cadena con otros núcleos. En la explosión de una bomba atómica se produce una reacción en cadena incontrolada. Las reacciones controladas, por otra parte, pueden utilizarse para producir calor y generar así energía eléctrica, como ocurre en los reactores nucleares. -La fusión termonuclear se produce en las estrellas, entre ellas el Sol, y constituye su fuente de calor y luz. La fusión incontrolada se da en la explosión de una bomba de hidrógeno. En la actualidad, se está intentando desarrollar un sistema de fusión controlada.
- 21. Cada átomo contiene una energía enorme capaz de producir la Bomba Atómica. Esta energía está gobernada por la fórmula de Einstein, e=mc2, donde "e" es energia, "m" es la masa, multiplicada por el cuadrado de "c", que es la velocidad de la luz de 300.000 kilómetros por segundo, señalando una energía inmensa para una masa tan pequeña como un átomo. En la figura, el átomo de Oxígeno tiene el núcleo, el sol, con 8 protones (positivos) y 8 neutrones (neutros), para aglutinar los protones… y 8 electrones, los planetas, con carga negativa. Sin embargo, la mayoría de los átomos tienen más neutrones que protones en el núcleo. Los Electrones, que en sus vertiginosos movimientos, son capaces de producir electricidad, calor y luz, que son formas de energía atómica. Pero la energía gigante del átomo reside en el núcleo, produciendo la "energía atómica nuclear". Radioactividad, es otra forma de energía nuclear, muy usada en medicina: Consiste en que algunos átomos son "inestables", y pierden constantemente partículas alfa, beta y gamma (rayos X). Así el Radio, Uranio y Torio. El "Uranio", por ejemplo, tiene 92 protones, pero en siglos los va perdiendo en forma de radiaciones, hasta terminar haciéndose "Plomo", con 82 protones estables, sin irradiaciones. En 1945, cuando se lanzó la primera Bomba Atómica en el Alamo Gordo, al Dr. Oppenheimer y al general Farwell se les vio orando con los brazos en cruz… porque según Oppenheimer existía "la posibilidad de que la reacción en cadena se propagase a todo el globo, convirtiendo la tierra en una bola de fuego, y hasta de propagarse en cadena a otros planetas y estrellas"… pero todo quedó reducido a lo que esperaban, la explosión a solo unos kilómetros a la redonda…
- 22. LA RADIACIÓN NATURAL (Con información del Consejo de Seguridad Nuclear) Las principales fuentes de emisión de radiación son las pruebas y las centrales nucleares, y en menor medida, las pruebas médicas. Sin embargo, éstas no son las únicas fuentes de emisión de radiaciones que podemos encontrarnos, también existe la llamada RADIACIÓN NATURAL. Gran cantidad de elementos de la naturaleza y de productos que utilizamos cotidianamente emiten radiactividad. La dosis media por año que una persona recibe en España por estos rayos es de 0,45 mSv., pudiendo llegar a 1 mSv. en ciertas zonas. La zona occidental de la Península está más expuesta, al igual que al radón; la parte de Galicia en especial Alrededor de 30.000 átomos emisores de rayos alfa, beta y algunos gamma se desintegran cada hora en nuestros pulmones, procedentes del aire que respiramos. Por su parte, somos atravesados por más de 200 millones de rayos gamma a la hora procedentes del suelo y de los edificios.
- 24. LEUCIPO Leucipo (c. 450-370 a.C.), filósofo griego, que quizá naciese en Abdera. Casi nada se conoce de su vida y ninguno de sus escritos ha perdurado. Sin embargo, es reconocido como creador de la teoría atómica de la materia, más tarde desarrollada por su principal discípulo, el filósofo griego Demócrito. Según esta teoría, toda materia está formada por partículas idénticas e indivisibles llamadas átomos.
- 25. DEMOCRITO Demócrito (c. 460 a.C.-370 a.C.), filósofo griego que desarrolló la teoría atómica del universo, concebida por su mentor, el filósofo Leucipo. Demócrito nació en Abdera, Tracia. Escribió numerosas obras, pero sólo perduran escasos fragmentos. Según la teoría atómica de la materia de Demócrito, todas las cosas están compuestas de partículas diminutas, invisibles e indestructibles de materia pura (en griego atoma, 'indivisible'), que se mueven por la eternidad en un infinito espacio vacío (en griego kenon, 'el vacío'). Aunque los átomos estén hechos de la misma materia, difieren en forma, medida, peso, secuencia y posición. Las diferencias cualitativas en lo que los sentidos perciben y el origen, el deterioro y la desaparición de las cosas son el resultado no de las características inherentes a los átomos, sino de las disposiciones cuantitativas de los mismos. Demócrito consideraba la creación de mundos como la consecuencia natural del incesante movimiento giratorio de los átomos en el espacio. Los átomos chocan y giran, formando grandes agregaciones de materia. Demócrito escribió también sobre ética, proponiendo la felicidad, o 'alegría', como el mayor bien —una condición que se logra a través de la moderación, la tranquilidad y la liberación de los miedos. En la historia Demócrito era conocido como el Filósofo Alegre, en contraste al más sombrío y pesimista Heráclito. Su teoría atómica anticipó los modernos principios de la conservación de la energía y la irreductibilidad de la materia
- 26. Dalton, John (1766-1844), químico y físico británico, que desarrolló la teoría atómica en la que se basa la ciencia física moderna. Nació el 6 de septiembre de 1766, en Eaglesfield, Cumberland (hoy Cumbria). Fue educado en una escuela cuáquera de su ciudad natal, en donde comenzó a enseñar a la edad de 12 años. El interés de Dalton por la meteorología le llevó a estudiar un gran número de fenómenos así como los instrumentos necesarios para medirlos. Fue el primero en probar la teoría de que la lluvia se produce por una disminución de la temperatura, y no por un cambio de presión atmosférica. Su contribución más importante a la ciencia fue su teoría de que la materia está compuesta por átomos de diferentes masas que se combinan en proporciones sencillas para formar compuestos. Esta teoría, que Dalton formuló por primera vez en 1803, es la piedra angular de la ciencia física moderna