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Asunto: El maravilloso mundo de

LOS ATOMOS

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Por. LIC. MIGUEL MARTIN(H)

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MATAFUEGOS DRAGO-DSM : “EL MARAVILLOSO MUNDO DE LOS ÁTOMOS”

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Todos los objetos que nos rodean están compuestos por átomos!....tan, pero tan pequeños que no podemos verlos….. incluso el punto final de una frase está compuesto por más de un billón de átomos…. Pero.. ¿qué son los ÁTOMOS?....

En química y física, átomo es la unidad más pequeña de un elementoquímico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

Ahora, lo curioso es que un átomo es sobre todo…. VACIO!.... en el centro hay un núcleo minúsculo y muy denso, en torno del cual gravitan electrones…. Así, un átomo entero mide un poco más de una diezmillonésima de milímetro…. ¿le cuesta imaginarlo?.... pongámoslo en números:

0.0000000001 metros ….

…. por lo tanto es, si lo comparamos con un pelo nuestro…..

…. UN MILLON DE VECES MÁS PEQUEÑO!!!

El núcleo es CIEN MIL VECES MÁS PEQUEÑO QUE EL ATOMO… y los ELECTRONES son tan minúsculos que ni siquiera sabemos sus dimensiones!!!.....

…. Así, entonces, el 99,9999999999999 % del ATOMO esta…… VACIO!....¿no es apasionante saber más de él?... vamos, trabajemos juntos!

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HABLEMOS DE CÓMO ESTA CONSTITUIDO UN ATOMO

El núcleo del átomo se encuentra formado por nucleones, los cuales pueden ser de dos clases:

Protones: Partícula de carga eléctrica positiva igual a una carga elemental, y 1,67262 × 10–27 kg y una masa 1837 veces mayor que la del electrón.

Neutrones: Partículas carentes de carga eléctrica y una masa un poco mayor que la del protón (1,67493 × 10–27 kg).

El núcleo más sencillo es el del hidrógeno, formado únicamente por un protón. El núcleo del siguiente elemento en la tabla periódica, el helio, se encuentra formado por dos protones y dos neutrones.

La cantidad de protones contenidas en el núcleo del átomo se conoce como “número atómico”, el cual se representa por la letra Z y se escribe en la parte inferior izquierda del símbolo químico. Es el que distingue a un elemento químico de otro. Según lo descrito anteriormente, el número atómico del hidrógeno es 1 (1H), y el del helio, 2 (2He).

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REPRESENTACIÓN DE UN ÁTOMO DE HELIO

La cantidad total de nucleones que contiene un átomo se conoce como “número másico”, representado por la letra A y escrito en la parte superior izquierda del símbolo químico. Para los ejemplos dados anteriormente, el número másico del hidrógeno es 1(1H), y el del helio, 4(4He).

Existen también átomos que tienen el mismo número atómico, pero diferente número másico, los cuales se conocen como “isótopos”. Por ejemplo, existen tres isótopos naturales del hidrógeno, el

protio (1H), el deuterio (2H) y el tritio (3H). Todos poseen las mismas propiedades químicas del hidrógeno, y pueden ser diferenciados únicamente por ciertas propiedades físicas.

Otros términos menos utilizados relacionados con la estructura nuclear son los isótonos, que son átomos con el mismo número de neutrones. Los “isóbaros” son átomos que tienen el mismo número másico.

Debido a que los protones tienen cargas positivas se deberían repeler entre sí, sin embargo, el núcleo del átomo mantiene su cohesión debido a la existencia de otra fuerza de mayor magnitud, aunque de menor alcance conocida como la interacción nuclear fuerte.

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ANTES DE SEGUIR AVANZANDO CON LA APASIONANTE TEORÍA DE LOS ÁTOMOS, ADENTREMONOS UN POCO MÁS EN LA COTIDANEIDAD DE NUESTRA VIDA DIARIA Y LOS ÁTOMOS….

La existencia de los átomos permite explicar gran cantidad de fenómenos de nuestro alrededor, como el hecho de que las lamparitas de luz iluminen, de que el pan se tueste en nuestra moderna tostadora o de que el jabón limpie…. Ahora bien, nuestra pregunta, al aprender hasta acá es….

…¿cómo es posible que el suelo soporte nuestro peso, teniendo en cuenta que los átomos no están rellenos y pegados entre sí?....

..si el suelo no cede, se debe a que los ATOMOS “aguantan” gracias a básicamente dos efectos:

1.- a la FUERZA ELECTRICA… que atrae los átomos entre sí…2.- las propiedades y el incesante movimiento de los electrones impiden que

los átomos se incrusten unos en otros, como si fueran cuerpos compactos…

…así, cada vez que vos vas al baño casi dormido, cuando recién te despertas, cada vez que das un paso, tantos los átomos del suelo como los de los pies se desplazan y después recuperan su posición normal por el EFECTO COMBINADO de las FUERZAS ELECTRICAS y el MOVIMIENTO DE LOS ELECTRONES…

MOVIMIENTO DE LOS ATOMOS

HABLEMOS AHORA UN POCO DE LA HISTORIA DEL ATOMO…. A TRAVEZ DE SUS DISTINTAS TEORIAS…D

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TEORÍA ATÓMICA

El físico y químico británico John Dalton

(Eaglesfield, Gran Bretaña, 1766-Manchester, 1844) propuso a principios del siglo XIX los fundamentos de la teoría atómica, aportando así las bases para el rápido desarrollo de la química moderna. Desde el siglo V a.C. los filósofos griegos Leucipo de Mileto (o de Elea) y Demócrito de Abdera, manifestaron que la materia no se podía dividir indefinidamente como postulaba Aristóteles, sino que el límite lo determinaban los “átomos”, que en griego significa “indivisible”.

A partir de esa propuesta, Dalton llegó a la conclusión que existían sustancias simples formadas por átomos simples, como el hidrógeno (H) o el oxígeno (O) y sustancias compuestas formadas por átomos compuestos, como la que se origina cuando esos dos elementos se unen parar formar, por ejemplo, una molécula de agua (H2O).

Los siguientes postulados forman parte de la teoría atómico molecular:

1. La materia se compone de partículas pequeñas, definidas e indestructibles llamadas “átomos”, que no se pueden dividir por ningún método físico, ni químico ordinario.

2. Los átomos de un mismo elemento son todos idénticos y poseen las mismas propiedades, mientras que los átomos de elementos diferentes, son diferentes entre sí al igual que sus propiedades.

3. Las moléculas se forman mediante la unión de un número entero de átomos de un mismo elemento simple, o de la unión de diferentes elementos simples.

4. Las moléculas de un elemento o sustancia simple se forman con átomos idénticos del mismo elemento.

5. Cuando un solo átomo constituye la molécula de un elemento o sustancia simple, dicha molécula constituye, a su vez, el átomo de ese propio elemento.

6. Las moléculas de las sustancias compuestas están formadas, al menos, por átomos de dos elementos simples diferentes. La cantidad de átomos de los elementos que componen la molécula de una sustancia compuesta será la misma para el resto de las moléculas de la misma sustancia.

7. La materia ni se crea ni se destruye, sino que se trasforma (Ley de la conservación de la materia) .

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Claro que este primer y fundamental modelo, escondía varios problemas….no explica los rayos catódicos, la radioactividad, ni la presencia de los electrones (e-) o protones (p+)….. es tiempo del modelo de Thomson….

(Cheetham Hill, Reino Unido, 1856-Cambridge, id., 1940)……. Thomson investigó la naturaleza de los rayos catódicos y demostró que los campos eléctricos podían provocar la desviación de éstos y experimentó su desviación, bajo el efecto combinado de campos eléctricos y magnéticos, buscando la relación existente entre la carga y la masa de la partículas, proporcionalidad que se mantenía constante aun cuando se alteraba el material del cátodo….

….En 1897 descubrió una nueva partícula y demostró que ésta era aproximadamente mil veces más ligera que el hidrógeno. Esta partícula fue bautizada por Stoney con el nombre de electrón. Joseph John Thomson fue, por tanto, el primero que identificó partículas subatómicas y dio importantes conclusiones sobre esas partículas cargadas negativamente. Con el aparato que construyó obtuvo la relación entre la carga eléctrica y la masa del electrón.

Todos estos importantísimos trabajos sirvieron a Thomson para establecer un modelo de la estructura del átomo, aunque incorrecto, pues el suponía que las partículas cargadas positivamente se encontraban mezcladas homogéneamente con las negativas….

¡¿SABÍA QUE…..

…..Thomson recibió el premio Nobel de Física en 1906 por sus estudios acerca del paso de la electricidad a través del interior de los gases…..

Y QUE….

En 1937, su hijo George obtuvo también el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de la difracción de los electrones?!!!

Luego del descubrimiento del electrón en 1897 por Joseph John Thomson, se determinó que la materia se componía de dos partes, una negativa y una positiva. La parte negativa estaba constituida por electrones, los cuales se encontraban según este modelo inmersos en una masa de carga

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positiva a manera de pasas en un pastel (de la analogía del inglés plum-pudding model) o uvas en gelatina.

Posteriormente Jean Perrin (Lille, 1870 -Nueva York, 1942), propuso un modelo modificado a partir del de Thompson donde las "pasas" (electrones) se situaban en la parte exterior del "pastel" (la carga positiva)…… Perrin, físico francés, fue famoso por sus investigaciones sobre el movimiento browniano, que ofrecieron la primera demostración definitiva de la existencia del átomo…el gran Jean Baptiste Perrin recibió el Premio Nobel de Física en 1926 por sus trabajos sobre la estructura discontinua de la materia…..

…..pero no nos desviemos del tema “atomo”……hablemos del detalle del modelo atómico….

Para explicar la formación de iones, positivos y negativos, y la presencia de los electrones dentro de la estructura atómica, Thomson ideó un átomo parecido a un pastel de frutas….. Una nube positiva que contenía las pequeñas partículas negativas (los electrones) suspendidos en ella. El número de cargas negativas era el adecuado para neutralizar la carga positiva. En el caso de que el átomo perdiera un electrón, la estructura quedaría positiva; y si ganaba, la carga final sería negativa. De esta forma, explicaba la formación de iones; pero dejó sin explicación la existencia de las otras radiaciones……

….es hora del modelo de Ernest Rutherford…

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(Nelson, Nueva Zelanda, 1871-Londres, 1937), Este modelo desarrollado por el físico Ernest Rutherford fue a partir de los resultados obtenidos en lo que hoy se conoce como el experimento de Rutherford en 1911. Representa un avance sobre el modelo de Thomson, ya que mantiene que el átomo se compone de una parte positiva y una negativa, sin embargo, a diferencia del anterior, postula que la parte positiva se concentra en un núcleo, el cual también contiene virtualmente toda la masa del átomo, mientras que los electrones se ubican en una corteza orbitando al núcleo en órbitas circulares o elípticas con un espacio vacío entre ellos. A pesar de ser un modelo obsoleto, es la percepción más común del átomo del público no científico.

Rutherford predijo la existencia del neutrón en el año 1920, por esa razón en el modelo anterior (Thomson), no se habla de éste.

Por desgracia, el modelo atómico de Rutherford, si bien representaba un gran avance al modelo anterior, presentaba varias incongruencias:

Contradecía las leyes del electromagnetismo del “enorme”

James Clerk Maxwell, (Edimburgo, 1831-Glenlair, Reino Unido, 1879) las cuales estaban muy comprobadas mediante datos experimentales. Según las leyes de

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Maxwell, una carga eléctrica en movimiento (en este caso el electrón) debería emitir energía constantemente en forma de radiación y llegaría un momento en que el electrón caería sobre el núcleo y la materia se destruiría. Todo ocurriría muy brevemente.

No explicaba los espectros atómicos.

Rutherford recibió el Premio Nobel de Química de 1908 en reconocimiento a sus investigaciones relativas a la desintegración de los elementos.

¡¿SABÍA QUE…..

El gran Rutherford, durante la Primera Guerra Mundial estudió la detección de submarinos mediante ondas sonoras, de modo que fue uno de los precursores del sonar?!!!

… es tiempo del gran físico danes NIELS BOHR….y su modelo atómico…

(Niels Henrick David Bohr; Copenhague, 1885 - 1962)…. Este modelo es estrictamente un modelo del átomo de hidrógeno tomando como punto de partida el modelo de Rutherford, Niels Bohr trata de incorporar los fenómenos de absorción y emisión de los gases, así como la nueva teoría de la cuantización de la energía desarrollada por Max Planck….

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(Ernst Karl Ludwig Planck; Kiel, actual Alemania, 1858-Gotinga, Alemania, 1947, y el fenómeno del efecto fotoeléctrico observado por Albert Einstein

(ULM-14 de Mayo de 1879 – Princeton- 18 de Abril de 1955).

“El átomo es un pequeño sistema solar con un núcleo en el centro y electrones moviéndose alrededor del núcleo en órbitas bien definidas.”

Las órbitas están cuantizadas (los e- pueden estar solo en ciertas órbitas)

Cada órbita tiene una energía asociada. La más externa es la de mayor energía.

Los electrones no radian energía (luz) mientras permanezcan en órbitas estables.

Los electrones pueden saltar de una a otra órbita. Si lo hace desde una

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de menor energía a una de mayor energía absorbe un cuanto de energía (una cantidad) igual a la diferencia de energía asociada a cada órbita. Si pasa de una de mayor a una de menor, pierde energía en forma de radiación (luz).

El mayor éxito de Bohr fue dar la explicación al espectro de emisión del hidrógeno. Pero solo la luz de este elemento. Proporciona una base para el carácter cuántico de la luz, el fotón es emitido cuando un electrón cae de una órbita a otra, siendo un pulso de energía radiada. Bohr no puede explicar la existencia de órbitas estables y para la condición de cuantización. Bohr encontró que el momento angular del electrón es h/2π por un método que no puede justificar.

¡¿SABÍA QUE….

….. si hablamos de gran físico Max Planck, podemos afirmar que su vida privada estuvo presidida por la desgracia: contrajo nupcias en dos ocasiones, sus cuatro hijos murieron en circunstancias trágicas y su casa quedó arrasada en 1944 durante un bombardeo; recogido por las tropas estadounidenses, fue trasladado a Gotinga, donde residió hasta su muerte?!…

…recibió el Premio Nobel de Física en 1918 por la formulación de la hipótesis de los cuantos y de la ley de la radiación, y que a partir de los descubrimientos de Planck, fueron el germen del nacimiento de un campo totalmente nuevo para la física…la mecánica cuántica, y que proporcionaron los cimientos de la incipiente, hasta ese momento, energía atómica?!.....

… en su honor se bautizó el “cráter PLANCK” en la Luna?!...

….si hablamos de Albert Einstein, en 1905, siendo un joven físico desconocido de apenas 25 años y trabajando para la Oficina de Patentes en Berna, Suiza, publica la conocida “teoría de la relatividad especial”?!....

…su madre le enseño a tocar el violín, instrumento que tocaba con gran maestría y que lo siguió haciendo el resto de su vida?...

…durante su paso por el Bachillerato, la rigidez hacia difícil su vida, para un joven Albert… y que un profesor llegó a afirmar a viva voz que “nunca llegaría a nada”?!....

…cuando se graduó en 1900 de profesor de matemática y de física, no pudo encontrar trabajo en la Universidad, donde termina ejerciendo como tutor en Winterthur?!!....

….si hablamos de Niels Bohr, recibió el Premio Nobel de Física en 1922, por sus trabajos sobre la estructura atómica y la radiación?!...

….Bohr, además concibió el principio de la complementariedad según el cual, los fenómenos pueden analizarse de forma separada cuando presentan propiedades contradictorias. Así por ejemplo, los físicos, basándose en este principio, concluyeron que la luz

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presentaba una dualidad onda-partícula mostrando propiedades mutuamente excluyentes según el caso. Para este principio, Bohr encontró además aplicaciones filosóficas que le sirvieron de justificación. No obstante, la física de Bohr y Max Planck era denostada por Albert Einstein que prefería la claridad de la de formulación clásica?!....

…..durante el desarrollo de un debate donde participan Bohr y Einstein es donde se esgrimió la frase tan célebre por parte de Einstein: "Dios no juega a los dados". De dicha frase hay registros confiables, lo cual no ocurre con un supuesto contrargumento por parte de Bohr hacia Einstein en el mismo debate, donde dice: "¡Einstein, deja de decirle a Dios como hacer las cosas!”?!....

…es hora de volver al ATOMO!.....y el modelo actual del ATOMO….. el modelo de ERWIN SCHRÖDINGER…

(Erdberg, 12 de Agosto de 1887 – Viena, 4 de Enero de 1961), Después de que Louis-Victor de Broglie propuso la naturaleza ondulatoria de la materia en 1924, la cual fue generalizada por Erwin Schrondinger, en 1926, se actualizó nuevamente el modelo del átomo.

En el modelo de Schrödinger se abandona la concepción de los electrones como esferas diminutas con carga que giran en torno al núcleo, que es una extrapolación de la experiencia a nivel macroscópico hacia las diminutas dimensiones del átomo.

En vez de esto, Schrödinger describe a los electrones por medio de una función de onda, el cuadrado de la cual representa la probabilidad de presencia en una región delimitada del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce como orbital.

¿SABÍA QUE…. …. Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger recibe el Premio Nobel de Física en 1933 por las famosas

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“ecuaciones de Schrödinger”?!....

…. En 1944 publica en inglés (What is life?) ¿Qué es la vida?...resultado de varias conferencias dadas por Erwin…esta obra ha tenido una gran influencia sobre el desarrollo posterior de la Biología…aportó básicamente dos ideas:

1. Primero, que la vida no es ajena ni se opone a las leyes de la termodinámica, sino que los sistemas biológicos conservan o amplían su complejidad exportando la entropía que producen sus procesos.

2. Segundo, que la química de la herencia biológica, en un momento en que no estaba clara su dependencia de ácidos nucleicos o proteínas, debe basarse en un “cristal aperiódico”, contrastando la periodicidad exigida a un cristal, con la necesidad de una secuencia informativa. Según las memorias de James Watson, DNA, The Secret of Life, el libro de Schrödinger de 1944, What's Life? le inspiró a investigar los genes, lo que le llevó al descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN?...

LA MINÚSCULA PEQUEÑEZ DEL ÁTOMO

El átomo es tan pequeño que la mínima cantidad apreciable de cualquier átomo o molécula tiene que ser una magnitud enorme. Esto es lo que expresa el número de Avogadro. El número de Avogadro es mucho mayor de lo imaginable: 602.350.000000.000000.000000 : seiscientos dos mil trecientos cincuenta

trillones ...y permite al mismo tiempo dar una mínima intuición de la pequeñez de un átomo o de una molécula y de la extraordinaria cantidad de moléculas de cualquier sustancia que existen en una mínima cantidad de ella. Por ejemplo:

Si imaginas una bombilla normal absolutamente vacía y, si a través de un pequeñísimo agujero comenzases a meter moléculas de aire en su interior a razón de un millón de moléculas por segundo, tardarías 200 millones de años en conseguir en el interior de la bombilla una presión igual a la presión atmosférica.

Si vertieses el agua de un vaso de 150 cm3 en el mar Mediterráneo e imaginases que este agua se repartiese de forma uniforme por todos los mares del planeta, cuando un australiano cogiese un vaso de agua de mar en una de sus playas, encontraría en ese vaso mil moléculas de las que tú echaste al Mediterráneo.

Las cataratas del Niágara vierten unos 6500 m3 de agua por segundo, pero, en una gota de agua, hay más moléculas de agua que gotas de agua caen por estas cataratas en 400 años.

Si todo el planeta Tierra se dividiese en esferitas de 15 centímetros de diámetro obtendríamos el número de Avogadro en bolitas: 602.350.000000.000000.000000 bolitas!.

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PRIMER IMAGEN DETALLADA DE UN ÁTOMO

Han comentado la primera foto detallada de un átomo, pero para que resulte más fácil entender, les transcribo lo que escribieron allí:

La imagen de arriba, publicada en First Detailed Photos of Atomsy tomada por investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Kharkov , en Ucrania, muestra la nube de electrones que forma parte de un átomo de carbono.

Es la primera vez que se ha conseguido ver directamente la estructura de un átomo con semejante detalle. Y, por suerte, lo observado coincide con los dibujos de como se vienen representando los átomos desde principios de los años 80.

En ellas un átomo, más que un punto, es una nube de electrones, de carga negativa, en órbita con el núcleo, de carga positiva y compuesta por protones y neutrones.

Lo investigadores del Instituto de Kharkov, “han sido los primeros en conseguir una imagen real de los átomos de un único átomo, haciendo visibles la predicciones de la mecánica cuántica.”

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