ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Estructura atómica

¿Cómo se cree que es el átomo?

Evolución del modelo atómico

Modelo de Dalton (1808)

• Átomo indivisible, sin estructura interna.• Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos.• Los átomos de elementos distintos tienen tamaños y

masas diferentes.

Modelo de Thomson (1897)

• Esfera cargada positivamente.• Electrones, con carga negativa, incrustados en el interior.

Modelo de Rutherford (1911)

• Núcleo muy pequeño y denso con protones (carga positiva) y neutrones (sin carga).

• Electrones (carga negativa) girando alrededor del núcleo.

Las palabras de Rutherford después de realizar el experimento fueron: ”Es lo más increíble que me ha sucedido en mi vida. Casi tan increíble como si al disparar balas contra un papel de seda, algunas se volvieran contra usted”

Para explicar los resultados experimentales, Rutherford introduce el modelo planetario del átomo.

Las dimensiones del núcleo han de ser más pequeñas que el diámetro del átomo en un factor aproximado de 104. Es decir 10-15m.

Si imaginamos un átomo con las dimensiones de un estadio de fútbol, su núcleo sería del tamaño de una bolita colocada en el centro.

Imaginó a los átomos casi vacíos, con la carga positiva concentrada en una zona llamada núcleo donde se encuentra concentrada casi toda la masa del átomo y a los electrones dando vueltas en órbitas circulares en torno a él.

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Modelo de Bohr (1913)

• Órbitas estacionarias con energía constante.• Sólo están permitidos ciertos valores de energía.• Los electrones pueden cambiar de órbita absorbiendo o

emitiendo una cantidad de energía apropiada.

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Modelo Mecano-cuántico (s. XX)

• Orbitales: zonas en torno al núcleo en las que la probabilidad de presencia del electrón es máxima.

• Números cuánticos: etiquetan los orbitales en función de su tamaño, forma y orientación.

• Cada orbital puede ser ocupado por dos electrones como máximo.

W. Heisenberg E. Schrödinger

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¿Cómo están formados los p y n?

(Una mirada al interior de los p y n )

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QUARKS

Nombre

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El núcleo

Algunas propiedades del Núcleo

El núcleo consta de protones y neutrones.

Al número de protones se le conoce como número atómico y se representa por “Z”.

La cantidad de neutrones se conoce como número de neutrones y se representa por “N”.

A los neutrones y protones se les denomina nucleones.

El número total de nucleones recibe el nombre de número de másico y se representa con la letra “A”. A = Z +N

Especificando Z y A se identifica una única especie nuclear o núclido.

Dos núclidos con igual Z pero diferente A se denominan isótopos.

Núcleos estables

No todas las combinaciones de n0 y p+ forman núcleos estables. En general, los núcleos ligeros (A<20) contienen igual número de n0 que de p+, mientras que en los núcleos más pesados la proporción de n0 se va haciendo mayor.

Trabajamos con la GRÁFICA.

¿Por qué los núcleos pesados poseen un mayor número de n0

que de p+?Para núcleos con más de 10p+, la repulsión electrostática es tan grande que para que exista estabilidad se requiere exceso de n0 para aumentar las fuerzas de atracción, aún en núcleos ligeros N puede exceder a Z, pero nunca puede ser menor, por ejemplo 11B es estable pero 11C no.Debido a que la repulsión eléctrica es apreciable en todo el núcleo, existe un límite de la capacidad que tienen los n0 para evitar la desintegración de un núcleo grande. El límite está dado por el 209Bi que es el núclido estable más pesado.Todos los núcleos con Z>83 y A>209 se transforman espontáneamente en otros más ligeros por distintos procesos.

La energía de enlace y la estabilidad

Un átomo estable invariablemente tiene una masa menor que la suma de sus masas constituyentes.

Por ejemplo el núcleo de deuterio 2H tiene una masa de 2.014104uma, mientras que la suma de las masas del p+ y n0 es 2.016575; o sea 0.002388 mayor.

La explicación de este hecho, que muestra que la masa no se conserva al formarse el deuterio, esta relacionada con un teorema demostrado por Einstein en 1905, donde demuestra la equivalencia entre masa y energía.

Según Einstein, un cuerpo de masa m0 en reposo, posee una energía dada por:

200 cmE

Donde c es la velocidad de la luz en el vacío, 3.0x108m/s

A partir de esta equivalencia se deduce que los conocidos principios de conservación de la masa y de la energía no son correctos por separado, sino que constituyen un único principio de conservación de masa y energía.

Esto implica que la diferencia de masas entre el núcleo de deuterio y sus componentes equivale a 2.22MeV de energía.

¿Qué representa entonces la diferencia de masas entre el deuterio y sus componentes por separado?

1uma= 1.66x10-27kg, por lo tanto 0.002388uma=3.96x10-30kgUtilizando la equivalencia entre la masa y la energía tenemos que:

E=m0c2=3.96x10-30(3.0x108)2=3.56x10-

13JComo 1MeV=1.6x10-13J, obtenemos finalmente

E=3.56x10-

13J=2.2MeV

Experimentalmente se comprueba que este valor es también la energía que deberá cederse al núcleo de deuterio para producir su desintegración.

¿Qué significan esos 2.22MeV de energía?

Esto quiere decir que cuando se forma el deuterio, se liberan 2.22MeV de energía!

Esta energía correspondiente a la masa desaparecida en la formación del deuterio, se llama energía de enlace.

Las energía de enlace oscilan entre 2.22MeV y 1640MeV para el 209Bi, el núcleo estable más pesado.La energía de enlace en esencia es la energía necesaria para separar todos los nucleones que forman un núcleo.

Esta energía se transforma en masa que sumada a la masa del núcleo de deuterio da origen a un protón y un neutrón.

Otro parámetro que caracteriza el núcleo es la energía de enlace por nucleón (Eenlace/nº de nucleones), que es la energía necesaria para arrancar un nucleón del núcleo, los núcleos cuyas Eenlace/nº de nucleones sea más grande serán los más estables.

La región de mayor estabilidad corresponde a los números másicos entre 50 y 80. El pico corresponde al núcleo de Helio.

Las energías por nucleón son del orden de los Mev (un millón de veces mayor que la energía de ionización de un átomo)