Átomo Para el personaje de cómics, véase Átomo (cómic). (cómic).
Representación de un átomo dehelio de helio.. Un átomo es la unidad constituyente más pequea de la materia que materia que tiene las propiedades de un elemento qu!mico. qu!mico." #ada sólido, sólido,l!quido, l!quido, $as y $as y plasma se plasma se compone de átomos neutros o ioni%ados. ioni%ados. &os átomos son muy pequeos' los tamaos t!picos son alrededor de " pm (die% mil millonésima parte de un metro). metro). *o o+stante, los átomos no tienen l!mites +ien deinidos y hay dierentes ormas de deinir su tamao que dan valores dierentes pero cercanos. &os átomos son lo suicientemente pequeos para que la !sica clásica dé resultados nota+lemente incorrectos. - través del desarrollo de la !sica, los modelos atómicos han incorporado principios cuánticos para eplicar y predecir mejor su comportamiento. #ada átomo se compone de un n/cleo y n/cleo y uno o más electrones unidos electrones unidos al n/cleo. 0l n/cleo está compuesto de uno o más protones y protones y t!picamente un n/mero similar de neutrones (nin$uno neutrones (nin$uno en el hidró$eno1 "). &os protones y los neutrones son llamados nucleones. nucleones . 2ás del 33,34 5 de la masa del átomo está en el n/cleo. &os protones tienen una car$a eléctrica positiva, eléctrica positiva, los electrones tienen una car$a eléctrica ne$ativa y los neutrones tienen am+as car$as eléctricas, haciéndolos neutros. 6i el n/mero de protones y electrones son i$uales, ese átomo es eléctricamente neutro. 6i un átomo tiene más o menos electrones que protones, entonces tiene una car$a $lo+al ne$ativa o positiva, respectivamente, y se denomina ion. ion.
&os electrones de un átomo son atra!dos por los protones en un n/cleo atómico por esta uer%a electroma$nética. &os protones y los neutrones en el n/cleo son atra!dos el uno al otro por una uer%a dierente, la uer%a nuclear , que es $eneralmente más uerte que la uer%a electroma$nética que repele los protones car$ados positivamente entre s!. 7ajo ciertas circunstancias, la uer%a electroma$nética repelente se vuelve más uerte que la uer%a nuclear y los nucleones pueden ser epulsados del n/cleo, dejando tras de s! un elemento dierente8 desinte$ración nuclear que resulta en transmutación nuclear . 0l n/mero de protones en el n/cleo deine a qué elemento qu!mico pertenece el átomo8 por ejemplo, todos los átomos de co+re contienen 3 protones. 0l n/mero de neutrones deine el isótopo del elemento.9 0l n/mero de electrones inluye en las propiedades ma$néticas de un átomo. &os átomos pueden unirse a otro u otros átomos por enlaces qu!micos para ormar compuestos qu!micos tales como moléculas. &a capacidad de los átomos de asociarse y disociarse es responsa+le de la mayor parte de los cam+ios !sicos o+servados en la naturale%a y es el tema de la disciplina de la qu!mica. *o toda la materia del universo está compuesta de átomos. &a materia oscura constituye más del universo que la materia y no se compone de átomos, sino de part!culas de un tipo actualmente desconocido. :ndice ;ocultar < "=ntroducción 0structura atómica ."Part!culas su+atómicas .0l n/cleo atómico .9*u+e de electrones 9Propiedades atómicas 9."2asa
9.>amao 9.9*iveles de ener$!a 9.4=nteracciones eléctricas entre protones y electrones 4?istoria de la teor!a atómica @0volución del modelo atómico @."2odelo de Aalton @.2odelo de >homson @.92odelo de Rutherord @.42odelo de 7ohr @.@2odelo de 6ommereld @.B2odelo de 6chrCdin$er @.D2odelo de Airac @.E2odelos posteriores BFéase tam+ién D*otas y reerencias D."*otas D.Reerencias E7i+lio$ra!a 30nlaces eternos =ntroducción 0l nom+re GátomoH proviene del lat!n atomum, y este del $rie$o ἄIJKJL Mno cortado, sin porciones, indivisi+leM' tam+ién, se deriva de a1 (MnoM) y tómo1 Mtro%o cortado, porción, parteM. 4 0l concepto de átomo como +loque +ásico e indivisi+le que compone la materia del universo ue postulado por la escuela atomista en la -nti$ua Nrecia. 6in em+ar$o, no ueron considerados seriamente por los cient!icos hasta el si$lo O=O, cuando ueron introducidos para eplicar ciertas leyes qu!micas. #on el desarrollo de la !sica
nuclear en elsi$lo OO se compro+ó que el átomo puede su+dividirse en part!culas más pequeas.@ B &os átomos son o+jetos muy pequeos con masas i$ualmente min/sculas8 su diámetro y masa son del orden de la +illonésima parte de un metro y cuatrillonésima parte de un $ramo. 6olo pueden ser o+servados mediante instrumentos especiales tales como un microscopio de eecto t/nel. 2ás de un 33,34 5 de la masa del átomo está concentrada en su n/cleo, en $eneral repartida de manera aproimadamente equitativa entre protones y neutrones. 0l n/cleo de un átomo puede ser inesta+le y surir una transmutaciónmediante desinte$ración radioactiva. &os electrones en la nu+e del átomo están repartidos en distintos niveles de ener$!a u or+itales, y determinan las propiedades qu!micas del mismo. &as transiciones entre los distintos niveles dan lu$ar a la emisión o a+sorción de radiación electroma$nética en orma de otones, y son la +ase de la espectroscopia. 0structura atómica Part!culas su+atómicas Féase tam+ién8 Part!culas su+atómicas - pesar de que átomo si$niica indivisi+leQ, en realidad está ormado por varias part!culas su+atómicas. 0l átomo contiene protones, neutrones y electrones, con la ecepción delhidró$eno1", que no contiene neutrones, y del catión hidró$eno o hidrón, que no contiene electrones. &os protones y neutrones del átomo se denominan nucleones, por ormar parte del n/cleo atómico. 0l electrón es la part!cula más li$era de cuantas componen el átomo, con una masa de 3,"" "S9" T$. >iene una car$a eléctrica ne$ativa, cuya ma$nitud se deine como lacar$a eléctrica elemental, y se i$nora si posee su+estructura, por lo que se lo considera una part!cula elemental. &os protones tienen una masa de ",BD "SD T$, "E9B veces la del electrón, y una car$a positiva opuesta a la de este. &os neutrones tienen una masa de ",B3 "SD T$, "E93 veces la del electrón, y no poseen car$a eléctrica. &as masas de am+os nucleones son li$eramente ineriores dentro del n/cleo, de+ido a la ener$!a
potencial del mismo' y sus tamaos son similares, con un radio del orden de E "S"B m o ,E emtómetros (m).D 0l protón y el neutrón no son part!culas elementales, sino que constituyen un estado li$ado de quarTs u y d, part!culas undamentales reco$idas en el modelo estándar de la !sica de part!culas, con car$as eléctricas i$uales a V9 y S"V9 respectivamente, respecto de la car$a elemental. Un protón contiene dos quarTs u y un quarT d, mientras que el neutrón contiene dos d y un u, en consonancia con la car$a de am+os. &os quarTs se mantienen unidos mediante la uer%a nuclear uerte, mediada por $luones Wdel mismo modo que la uer%a electroma$nética está mediada por otonesW. -demás de estas, eisten otras part!culas su+atómicas en el modelo estándar8 más tipos de quarTs, leptonescar$ados (similares al electrón), etc. 0l n/cleo atómico -rt!culo principal8 */cleo atómico &os protones y neutrones de un átomo se encuentran li$ados en el n/cleo atómico, en la parte central del mismo. 0l volumen del n/cleo es aproimadamente proporcional al n/mero total de nucleones, el n/mero másico -,E lo cual es mucho menor que el tamao del átomo, cuyo radio es del orden de "@ m o " Xn$strCm (Y). &os nucleones se mantienen unidos mediante la uer%a nuclear , que es mucho más intensa que la uer%a electroma$nética a distancias cortas, lo cual permite vencer la repulsión eléctrica entre los protones. 3 &os átomos de un mismo elemento tienen el mismo n/mero de protones, que se denomina n/mero atómico y se representa por Z. &os átomos de un elemento dado pueden tener distinto n/mero de neutrones8 se dice entonces que son isótopos. -m+os n/meros conjuntamente determinan el n/clido. 0l n/cleo atómico puede verse alterado por procesos muy ener$éticos en comparación con las reacciones qu!micas. &os n/cleos inesta+les suren desinte$raciones que pueden cam+iar su n/mero de protones y neutrones emitiendo radiación. Un n/cleo pesado puede isionarse en otros más li$eros en una reacción nuclear o espontáneamente.
2ediante una cantidad suiciente de ener$!a, dos o más n/cleos pueden usionarse en otro más pesado. 0n átomos con n/mero atómico +ajo, los n/cleos con una cantidad distinta de protones y neutrones tienden a desinte$rarse en n/cleos con proporciones más parejas, más esta+les. 6in em+ar$o, para valores mayores del n/mero atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción mayor de neutrones para esta+ili%ar el n/cleo." *u+e de electrones -rt!culo principal8 *u+e de electrones
&os cinco primeros or+itales atómicos. &os electrones en el átomo son atra!dos por los protones a través de la uer%a electroma$nética. 0sta uer%a los atrapa en un po%o de potencial electrostático alrededor del n/cleo, lo que hace necesaria una uente de ener$!a eterna para li+erarlos. #uanto más cerca está un electrón del n/cleo, mayor es la uer%a atractiva, y mayor por tanto la ener$!a necesaria para que escape. &os electrones, como otras part!culas, presentan simultáneamente propiedades de part!cula puntual y de onda , y tienden a ormar un cierto tipo de onda estacionaria alrededor del n/cleo, en reposo respecto de este. #ada una de estas ondas está caracteri%ada por un or+ital atómico, una unción matemática que descri+e la pro+a+ilidad de encontrar al electrón en cada punto del espacio. 0l conjunto de estos or+itales es discreto, es decir, puede enumerarse, como es propio en todo sistema cuántico. &a nu+e de electrones es la re$ión ocupada por estas ondas, visuali%ada como una densidad de car$a ne$ativa alrededor del n/cleo. #ada or+ital corresponde a un posi+le valor de ener$!a para los electrones, que se reparten entre ellos. 0l principio de eclusión de
Pauli proh!+e que más de dos electrones se encuentren en el mismo or+ital. Pueden ocurrir transiciones entre los distintos niveles de ener$!a8 si un electrón a+sor+e un otón con ener$!a suiciente, puede saltar a un nivel superior' tam+ién desde un nivel más alto puede aca+ar en un nivel inerior, radiando el resto de la ener$!a en un otón. &as ener$!as dadas por las dierencias entre los valores de estos niveles son las que se o+servan en las l!neas espectrales del átomo. Propiedades atómicas 2asa &a mayor parte de la masa del átomo viene de los nucleones, los protones y neutrones del n/cleo. >am+ién contri+uyen en una pequea parte la masa de los electrones, y la ener$!a de li$adura de los nucleones, en virtud de la equivalencia entre masa y ener$!a . &a unidad de masa que se utili%a ha+itualmente para epresarla es la unidad de masa atómica (u). 0sta se deine como la doceava parte de la masa de un átomo neutro de car+ono1" li+re, cuyo n/cleo contiene B protones y B neutrones, y equivale a ",BB "SD T$ aproimadamente. 0n comparación el protón y el neutrón li+res tienen una masa de ",D y ",3 u. &a masa de un átomo es entonces aproimadamente i$ual al n/mero de nucleones en su n/cleo Wel n/mero másicoW multiplicado por la unidad de masa atómica. 0l átomo esta+le más pesado es el plomo1E, con una masa de D,3E u."" 0n qu!mica se utili%a tam+ién el mol como unidad de masa. Un mol de átomos de cualquier elemento equivale siempre al mismo n/mero de estos (B, "9), lo cual implica que un mol de átomos de un elemento con masa atómica de " u pesa aproimadamente " $ramo. 0n $eneral, un mol de átomos de un cierto elemento pesa de orma aproimada tantos $ramos como la masa atómica de dicho elemento. >amao -rt!culo principal8 Radio atómico &os átomos no están delimitados por una rontera clara, por lo que su tamao se equipara con el de su nu+e electrónica. 6in em+ar$o, tampoco puede esta+lecerse una medida de esta, de+ido a las
propiedades ondulatorias de los electrones. 0n la práctica, se deine el radio atómico estimándolo en unción de al$/n enómeno !sico, como la cantidad y densidad de átomos en un volumen dado, o la distancia entre dos n/cleos en una molécula. &os diversos métodos eistentes arrojan valores para el radio atómico de entre ,@ y @ Y. Aentro de la ta+la periódica de los elementos, el tamao de los átomos tiende a disminuir a lo lar$o de un periodo W una ilaW, para aumentar s/+itamente al comien%o de uno nuevo, a medida que los electrones ocupan niveles de ener$!a más altos. " &as dimensiones del átomo son miles de veces más pequeas que la lon$itud de onda de la lu% (41D nm) por lo que estos no pueden ser o+servados utili%ando instrumentos ópticos. 0n comparación, el $rosor de un ca+ello humano es equivalente a un millón de átomos de car+ono. 6i una man%ana uera del tamao de la >ierra, los átomos en ella ser!an tan $randes como la man%ana ori$inal. "9 *iveles de ener$!a -rt!culos principales8 *ivel de ener$!a y &!nea espectral. Un electrón li$ado en el átomo posee una ener$!a potencial inversamente proporcional a su distancia al n/cleo y de si$no ne$ativo, lo que quiere decir que esta aumenta con la distancia. &a ma$nitud de esta ener$!a es la cantidad necesaria para desli$arlo, y la unidad usada ha+itualmente para epresarla es el electrónvoltio (eF). 0n el modelo mecanocuántico solo hay un conjunto discreto de estados o niveles en los que un electrón li$ado puede encontrarse Wes decir, enumera+lesW, cada uno con un cierto valor de la ener$!a. 0l nivel con el valor más +ajo se denomina el estado undamental, mientras que el resto se denominan estados ecitados. #uando un electrón eect/a una transición entre dos estados distintos, a+sor+e o emite un otón, cuya ener$!a es precisamente la dierencia entre los dos niveles. &a ener$!a de un otón es proporcional a su recuencia, as! que cada transición se corresponde con una +anda estrecha del espectro electroma$nético denominada l!nea espectral.
Un ejemplo de l!neas de a+sorción en un espectro #ada elemento qu!mico posee un espectro de l!neas caracter!stico. 0stas se detectan como l!neas de emisión en la radiación de los átomos del mismo. Por el contrario, si se hace pasar radiación con un espectro de recuencias continuo a través de estos, los otones con la ener$!a adecuada son a+sor+idos. #uando los electrones ecitados decaen más tarde, emiten en direcciones aleatorias, por lo que las recuencias caracter!sticas se o+servan como l!neas de a+sorción oscuras. &as medidas espectroscópicas de la intensidad y anchura de estas l!neas permite determinar la composición de una sustancia. -l$unas l!neas espectrales se presentan muy juntas entre s!, tanto que lle$aron a conundirse con una sola históricamente, hasta que ue descu+ierta su su+estructura o estructura ina. &a causa de este enómeno se encuentra en las diversas correcciones a considerar en la interacción entre los electrones y el n/cleo. >eniendo en cuenta tan solo la uer%a electrostática, ocurre que al$unas de las coni$uraciones electrónicas pueden tener la misma ener$!a aun siendo distintas. 0l resto de pequeos eectos y uer%as en el sistema electrón1n/cleo rompe esta redundancia o de$eneración, dando lu$ar a la estructura inal. 0stos incluyen las correcciones relativistas al movimiento de electrón, la interacción de su momento ma$nético con el campo eléctrico y con el n/cleo, etc."4 -demás, en presencia de un campo eterno los niveles de ener$!a se ven modiicados por la interacción del electrón con este, en $eneral produciendo o aumentando la división entre los niveles de ener$!a. 0ste enómeno se conoce como eecto 6tarT en el caso de un campo eléctrico, y eecto Zeeman en el caso de un campo ma$nético. &as transiciones de un electrón a un nivel superior ocurren en presencia de radiación electroma$nética eterna, que provoca la a+sorción del otón necesario. 6i la recuencia de dicha radiación es
muy alta, el otón es muy ener$ético y el electrón puede li+erarse, en el llamado eecto otoeléctrico. &as transiciones a un nivel inerior pueden ocurrir de manera espontánea, emitiendo la ener$!a mediante un otón saliente' o de manera estimulada, de nuevo en presencia de radiación. 0n este caso, un otón GentranteH apropiado provoca que el electrón decai$a a un nivel con una dierencia de ener$!a i$ual a la del otón entrante. Ae este modo, se emite un otón saliente cuya onda asociada está sincroni%ada con la del primero, y en la misma dirección. 0ste enómeno es la +ase del láser . =nteracciones eléctricas entre protones y electrones -ntes del eperimento de Rutherord la comunidad cient!ica acepta+a el modelo atómico de >homson, situación que varió después de la eperiencia de 0rnest Rutherord. &os modelos posteriores se +asan en una estructura de los átomos con una masa central car$ada positivamente rodeada de una nu+e de car$a ne$ativa. "@ 0ste tipo de estructura del átomo llevó a Rutherord a proponer su modelo en que los electrones se mover!an alrededor del n/cleo en ór+itas. 0ste modelo tiene una diicultad proveniente del hecho de que una part!cula car$ada acelerada, como ser!a necesario para mantenerse en ór+ita, radiar!a radiación electroma$nética, perdiendo ener$!a. &asleyes de *e[ton, junto con las ecuaciones de 2a[ell del electroma$netismo aplicadas al átomo de Rutherord llevan a que en un tiempo del orden de "S" s, toda la ener$!a del átomo se ha+r!a radiado, con la consi$uiente ca!da de los electrones so+re el n/cleo. "B ?istoria de la teor!a atómica -rt!culos principales8 ?istoria de la teor!a atómica y >eor!a atómica.
Farios átomos y moléculas como se muestra en - *e[ 6ystem o #hemical Philosophy de \ohn Aalton ("EE). 0l concepto de átomo eiste desde la anti$ua Nrecia propuesto por los ilósoos $rie$os Aemócrito, &eucipo y 0picuro, sin em+ar$o, no se $eneró el concepto por medio de la eperimentación sino como una necesidad ilosóica que eplicara la realidad, ya que, como propon!an estos pensadores, la materia no pod!a dividirse indeinidamente, por lo que de+!a eistir una unidad o +loque indivisi+le e indestructi+le que al com+inarse de dierentes ormas creara todos los cuerpos macroscópicos que nos rodean."D 0l si$uiente avance si$niicativo no se reali%ó hasta que en "DD9 el qu!mico rancés -ntoine1&aurent de &avoisier postuló su enunciado8 G&a materia no se crea ni se destruye, simplemente se transormaH. &a ley de conservación de la masa o ley de conservación de la materia' demostrado más tarde por los eperimentos del qu!mico in$lés \ohn Aalton quien en "E4, lue$o de medir la masa de los reactivos y productos de una reacción, y concluyó que las sustancias están compuestas de átomos eséricos idénticos para cada elemento, pero dierentes de un elemento a otro."E &ue$o en "E"", el !sico italiano -medeo -vo$adro, postuló que a una temperatura, presión y volumen dados, un $as contiene siempre el mismo n/mero de part!culas, sean átomos o moléculas, independientemente de la naturale%a del $as, haciendo al mismo tiempo la hipótesis de que los $ases son moléculas poliatómicas con lo que se comen%ó a distin$uir entre átomos y moléculas. "3 0l qu!mico ruso Am!tri =vánovich 2endeléyev creó en "EB3 una clasiicación de los elementos qu!micos en orden creciente de su masa
atómica, remarcando que eist!a una periodicidad en las propiedades qu!micas. 0ste tra+ajo ue el precursor de la ta+la periódica de los elementos como la conocemos actualmente. &a visión moderna de su estructura interna tuvo que esperar hasta el eperimento de Rutherord en "3"". 0ste eperimento llevó al modelo atómico de Rutherord que no pod!a eplicar adecuadamente la esta+ilidad de los átomos ni los espectros atómicos, por lo que *iels 7ohr ormuló su modelo atómico de 7ohr en términos heur!sticos, que da+a cuenta de esos hechos sin eplicarlos convenientemente. Posteriores descu+rimientos cient!icos, como la teor!a cuántica, y avances tecnoló$icos, como el microscopio electrónico, han permitido conocer con mayor detalle las propiedades !sicas y qu!micas de los átomos." 0volución del modelo atómico
&os elementos +ásicos de la materia son tres.
#uadro $eneral de las part!culas, quarTs y leptones.
>amao relativo de las dierentes part!culas atómicas. &a concepción del átomo que se ha tenido a lo lar$o de la historia ha variado de acuerdo a los descu+rimientos reali%ados en el campo de la !sica y la qu!mica. - continuación se hará una eposición de los modelos atómicos propuestos por los cient!icos de dierentes épocas. -l$unos de ellos son completamente o+soletos para eplicar los enómenos o+servados actualmente, pero se incluyen a manera de resea histórica.
