La estructura del átomo

Transcripción

1 SECCIÓN 3.2 La estructura del átomo La teoría atómica propuesta por John Dalton establecía que los átomos eran indivisibles. Hacia fines del siglo xix, se comprobó que esa idea era incorrecta. Se hizo evidente que los átomos en realidad están formados por varios tipos básicos de partículas. El número y la distribución de esas partículas determinan las propiedades del átomo. En la actualidad, el átomo se define como la partícula más pequeña de un elemento que conserva las propiedades químicas de ese elemento. Los átomos están formados por dos regiones. En cada región, hay diferentes tipos de partículas, denominadas partículas subatómicas. átomo Términos clave fuerzas nucleares El núcleo es una región muy pequeña ubicada en el centro del átomo. El núcleo contiene al menos una partícula con carga positiva denominada protón y normalmente una o más partículas neutras denominadas neutrones. Alrededor del núcleo se halla una región mucho más grande que contiene partículas con carga negativa denominadas electrones. 1. Dibuja un modelo que muestre las dos regiones de un átomo en el espacio de abajo. Rotula el núcleo y la región de los electrones. Los átomos contienen partículas positivas y negativas. El electrón fue la primera partícula subatómica que se descubrió. Hacia fines del siglo xix, se hicieron muchos experimentos en los que se hacía pasar corriente eléctrica a través de diversos gases. Los gases que tienen la misma presión que el aire de la superficie de la Tierra son malos conductores de la electricidad. Por esta razón, los científicos se aseguraron de que la presión de los gases de sus experimentos se mantuviera muy baja. Para realizar los experimentos, los científicos construyeron tubos de vidrio denominados tubos de rayos catódicos y los llenaron de gas a baja presión. En cada extremo del tubo se colocaron discos de metal, se dio carga positiva a un disco, el cátodo, y carga negativa al otro disco, el ánodo. 68 CAPÍTULO 3

2 Los rayos catódicos y los electrones Los científicos descubrieron que la superficie de un tubo de rayos catódicos resplandecía cuando se hacía pasar corriente eléctrica a través del tubo. Entonces plantearon la hipótesis de que el resplandor se producía debido a una corriente de partículas, denominada rayo catódico, que se desplazaba desde el cátodo hacia el ánodo. También descubrieron que los rayos catódicos podían desviarse por efecto de un imán o podían alejarse de un objeto con carga negativa. Esto dio origen a la hipótesis de que las partículas de un rayo catódico tienen carga negativa. Gas a baja presión - Cátodo (disco de metal) (a) Fuente de voltaje Rayo catódico + Ánodo (disco de metal) Los experimentos que realizó el físico inglés Joseph John Thomson en 1897 apoyaron esa hipótesis. Thomson logró calcular la razón entre la carga de las partículas y la masa de las partículas de un rayo catódico. Descubrió que esa razón era la misma, independientemente de los metales que se usaran en el cátodo y el ánodo. La razón también seguía siendo la misma si cambiaba el gas del tubo. Cátodo Ánodo Thomson llegó a la conclusión de que todos los rayos catódicos están formados por partículas idénticas con carga negativa denominadas electrones. Los átomos de los experimentos con rayos catódicos que se mencionan en esta página liberaban electrones. Eso demostró que los átomos son divisibles y que los electrones están presentes en diferentes tipos de átomos. (b) (a) Un tubo de rayos catódicos simple. (b) Un imán colocado encima del tubo de rayos catódicos desvía el rayo hacia abajo, lo que demuestra que las partículas del rayo tienen carga negativa. La carga y la masa de un electrón Los experimentos de Thomson también revelaron que el electrón presenta una razón de carga a masa muy alta. En 1909, el físico estadounidense Robert A. Millikan logró medir la carga del electrón. Los científicos usaron esa información para determinar la masa de un electrón. Descubrieron que la masa de un electrón representa aproximadamente dos milésimos de la masa del átomo más pequeño que se conozca. Thomson propuso un modelo de budín de pasas para explicar las propiedades del átomo que se conocían en esa época. Como los átomos son eléctricamente neutros, Thomson propuso la idea de que los electrones estaban equilibrados mediante un budín de carga positiva. Los electrones estaban metidos en ese material de carga positiva. También se creía que la región de carga positiva contenía la mayor parte de la masa del átomo, puesto que el electrón tiene muy poca masa. CONEXIÓN En la actualidad, los experimentos han determinado que el electrón tiene una masa de kg. Esto es 1/1837 de la masa del tipo más pequeño de átomo de hidrógeno. 2. Haz un dibujo del modelo de budín de pasas que propuso Thomson. Rotula los electrones y la región de carga positiva. ÁTOMOS: LOS COMPONENTES BÁSICOS DE LA MATERIA 69

3 Pantalla que detecta partículas desviadas Lámina de oro delgada (a) Caja de plomo que contiene una fuente radiactiva de partículas que se mueven rápidamente (b) Partículas desviadas por la lámina Los átomos tienen un núcleo pequeño, denso y con carga positiva. El neozelandés Ernest Rutherford y sus colaboradores Hans Geiger y Ernest Marsden descubrieron más detalles sobre la estructura de los átomos. Dispararon un rayo de partículas alfa sobre una lámina de oro. Las partículas alfa eran partículas que se movían a gran velocidad, tenían carga positiva y su masa era cuatro veces mayor que la de un átomo de hidrógeno. Rutherford y sus colaboradores esperaban que el rayo atravesara la lámina con una mínima desviación puesto que la masa y la carga estaban distribuidas equitativamente sobre la lámina de oro. Pero se sorprendieron cuando aproximadamente 1 de cada 8000 partículas se desvió en dirección opuesta, hacia la fuente. La hipótesis que planteó Rutherford fue que la desviación en dirección opuesta se debía a la presencia de pequeños y densos paquetes de materia con carga positiva. Esos paquetes debían de ser pequeños porque muy pocas partículas se desviaban en dirección opuesta. Rutherford usó el término núcleo para describir cada uno de esos paquetes de materia. Rutherford había descubierto que el volumen del núcleo era muy pequeño en comparación con el volumen total de un átomo. Se había descubierto la fuente de la carga positiva de un átomo. Tiempo después, Niels Bohr, un estudiante de Rutherford, descubrió la ubicación de los electrones en un átomo. Rayo de partículas positivas Desviación leve Núcleo Desviación mayor (a) Geiger y Marsden dispararon un rayo de partículas alfa sobre una lámina de oro delgada. (b) Algunas partículas se desviaron en dirección opuesta, hacia su fuente. Electrones que rodean el núcleo 3. Qué es el núcleo de un átomo? La mayoría de las partículas atravesaron la lámina de oro sin dificultades. Una pequeña cantidad se desvió debido al núcleo. 70 CAPÍTULO 3

4 Un núcleo contiene protones y neutrones. Con una excepción, todos los núcleos atómicos están formados por dos tipos de partículas: protones y neutrones. Un protón tiene una carga positiva de una magnitud igual a la de la carga negativa de un electrón. Los átomos son eléctricamente neutros porque contienen el mismo número de protones y de electrones. Un neutrón no tiene carga y, como sucede con el átomo, es eléctricamente neutro. El único núcleo atómico que carece de neutrón es el del átomo de hidrógeno más simple. Su núcleo es un solo protón con un solo electrón que se mueve alrededor. La masa de un protón, kg, es 1836 veces mayor que la masa de un electrón. Por lo tanto, un protón representa casi toda la masa del átomo de hidrógeno más simple. La masa de un neutrón, kg, es levemente mayor que la masa de un protón. DATO Muchas palabras del español y del inglés tienen su origen en el latín. Por ejemplo, la palabra núcleo proviene del latín nucleus, que significa centro y se usa para nombrar el centro de un átomo o de una célula. En inglés se usa el mismo término que en latín: nucleus. Otra palabra proveniente del latín es radio (radius), y en inglés también se usa el mismo término que en latín (radius). ÚTIL CONSEJOS El núcleo de los átomos de distintos elementos tiene diferentes números de protones. Por lo tanto, el número de protones determina la identidad de un átomo. Por cada protón que hay en el núcleo de un átomo, el mismo número de electrones rodea al núcleo. Los físicos han descubierto otras partículas subatómicas, pero esas partículas afectan muy poco a las propiedades químicas de la materia. Las propiedades de los electrones, los protones y los neutrones se resumen en la tabla de abajo. 4. Qué cantidad sirve para determinar la identidad de un átomo? Propiedades de las partículas subatómicas Partícula Símbolos Carga eléctrica relativa Número de masa Masa relativa (u*) Masa real (kg) Electrón e, 0 1 e Protón p +, 1 1 H Neutrón n, 1 0 n *1 u (unidad de masa atómica unificada) = k g ÁTOMOS: LOS COMPONENTES BÁSICOS DE LA MATERIA 71

5 Las fuerzas del núcleo Generalmente, las partículas que tienen la misma carga eléctrica se repelen. Por lo tanto, un núcleo que contenga más de un protón debería ser inestable. Sin embargo, existe una fuerza entre dos protones que supera a la fuerza eléctrica que intenta alejarlos. Esa fuerza solo actúa cuando dos protones están muy cerca uno del otro. Una fuerza similar actúa cuando dos neutrones están muy cerca uno del otro, o cuando un neutrón y un protón están muy cerca uno del otro. Juntas, las fuerzas de corto alcance que mantienen unidos a protones y protones, neutrones y neutrones, y protones y neutrones se denominan fuerzas nucleares. Esas fuerzas permiten que los átomos que tienen hasta 83 protones con carga positiva en el mismo núcleo sean estables. CONEXIÓN En física, se conocen cuatro fuerzas fundamentales que describen cómo interactúa la materia. Estas fuerzas son la fuerza electromagnética, la fuerza gravitatoria, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. El radio de los átomos se expresa en picómetros. Como el núcleo es tan pequeño, el tamaño de un átomo se determina por el tamaño de la región en la que se encuentran los electrones. Esa región suele describirse como una nube de electrones, es decir, una nube de carga negativa. El radio de un átomo es la distancia que existe desde el centro del núcleo hasta el límite exterior de la nube de electrones. Como los radios atómicos son tan pequeños, para expresarlos se usa una unidad más adecuada para el tamaño de los átomos, llamada picómetro. Otra unidad, llamada unidad de masa atómica unificada, o u, se usa para expresar la masa de los átomos. 1 pm = m = cm 1 u = kg Para tener una idea de lo pequeña que es la medida de un picómetro, piensa que 1 cm representa la misma parte fraccionaria con respecto a 1000 km (aproximadamente 600 mi) que 100 pm con respecto a 1 cm. Los radios atómicos miden entre 40 pm y 270 pm. Los núcleos atómicos tienen un radio mucho más pequeño, aproximadamente pm. Los núcleos atómicos también son increíblemente densos. Su densidad es aproximadamente g/cm 3. Razonamiento crítico 5. Calcular Verifica el valor de la densidad de un núcleo atómico dado en esta página para un átomo esférico que tiene una masa de 1 u. Recuerda que el volumen de una esfera se obtiene mediante la fórmula V = 3 4 π r CAPÍTULO 3

6 REPASO DE LA SECCIÓN 3.2 VOCABULARIO 1. Escribe la definición de los siguientes términos: a. átomo b. neutrón REPASO 2. Describe una conclusión sacada por cada científico que haya contribuido al desarrollo de la teoría atómica actual. a. Thomson b. Millikan c. Rutherford 3. Compara las tres partículas subatómicas según la ubicación en el átomo, la masa y la carga relativa. 4. Por qué el tubo de rayos catódicos que se muestra en esta sección está conectado a una bomba de vacío? Razonamiento crítico 5. EVALUAR IDEAS Se dice que las fuerzas nucleares mantienen unidos a los protones y a los neutrones. Qué característica de la composición del núcleo hace que sea necesario el concepto de fuerzas nucleares? ÁTOMOS: LOS COMPONENTES BÁSICOS DE LA MATERIA 73