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La composición del átomo

El átomo no es realemnte la partícula constituyente última de la materia, sino que está a su vez formado por otras partículas denominadas subatómicas.
Representación artística y genérica de un átomo con el núcleo y rodeado de sus electrones.

Desde la teoría atómica de Dalton y durante los siguientes 100 años no se hizo ningún descubrimiento adicional sobre la naturaleza del átomo. Los químicos se habían centrado mayoritariamente en las aplicaciones técnicas y comerciales de la química; en consecuencia los descubrimientos sobre la composición del átomo vinieron del trabajo de físicos, empezando por J.J. Thompson en 1897.

El electrón

 Previamente se debe saber que toda la materia posee carga eléctrica, la cual puede ser de signo positivo o negativo. Partículas con carga de igual signo se repelen y con signo contrario se atraen. Sin embargo, este fenómeno aparentemente no se percibe a la vista en la naturaleza, esto es porque la carga neta en la materia es nula, es decir, todas las sustancias mantienen el mismo número de cargas positivas y negativas.

El tubo de rayos catódicos o CRT.

Es un instrumento inventado y desarrollado en el siglo XIX para estudiar el comportamiento de la electricidad en el vacío. Consistía en un tubo de vidrio sellado al que se la ha hecho el vacío previamente, en uno de sus extremos se colocaban un par de electrodos, primero iba el que servía de cátodo y a continuación el que hace de ánodo. El cátodo es el electrodo que está cargado negativamente y del que parten partículas con carga negativa; y el ánodo es el electrodo que está cargado positivamente y al que van las partículas negativas. Pues siguiendo con la descripción, el ánodo tiene perforado en el centro un pequeño orificio y en el otro extremo del tubo se encuentra un lámina metálica impregnada con material fosforescente.

Cuando se conectaban a una fuente de alto voltaje los electrodos; un pequeño haz de rayos catódicos paralelo al eje del tubo salía del ánodo a través del orificio y chocaba con la placa metálica del otro extremo indicando la fosforescencia el punto de impacto.

El descubrimiento del electrón

El haz de rayos catódicos si se somete a campos eléctricos o magnéticos ve alterada su trayectoria; tal y como se esperaría de una partícula cargada negativamente.  En 1897 Joseph John Thomson, realizando experimentos con el CRT, hizo el descubrimiento de una partícula que forma parte del átomo; lo que confirma la hipótesis lanzada en 1874 por George Stoney sobre una partícula con carga negativa responsable de la electricidad y su flujo. Tras los experimentos Thomson concluyó que los rayos catódicos debían:

1º Estar formados por partículas de carga negativa, a las que denominó electrones; porque se dirigen en dirección al polo positivo, y ya se sabe que partículas de carga opuesta se atraen.

Tener masa porque al añadir una hélice al equipo experimental el haz sufría desviaciones en su trayectoria al chocar ella y además la movía.

Ser parte del átomo porque las propiedades de los rayos catódicos eran las mismas independientemente del material del cátodo y del gas presente en el tubo (Aunque el interior del tubo se encuentra al vacío, siempre se inyecta una pequeña cantidad de gas; entorno a una millonésima de atmósfera).   

La hipótesis de Dalton sobre el átomo como partícula fundamental e indivisible de la materia quedó finalmente refutada, se ha demostrado que aun existen partículas más pequeñas que el propio átomo y que son parte de él.

La composición del átomo y distribución de sus partículas constituyentes según el modelo J.J. Thomson
Modelo atómico de Thomson. Imagen de Vanessa SG en Pixabay

Para Thomson el átomo consistía en una partícula cargada positivamente que tenía incrustados electrones en número suficiente para asegurar la neutralidad de carga.

No se quedó ahí y fue a probar si su hipótesis era cierta; ajustó los campos eléctrico y magnético para que las fuerzas resultantes se contrarrestarán entre sí y el haz no se desviara de su trayectoria con el objetivo de hallar la relación entre la carga y la masa del electrón; que finalmente resultó ser de q/m = 1,76 x 108 C/g. Entonces si se hallaba uno de los componentes de la relación q/m se podría determinar automáticamente el otro.

La carga y masa del electrón

El científico Robert A. Millikan y su ayudante Harvey Fletcher determinaron que la carga de un electrón era de 1,6022 x 10-19 C y en consecuencia su masa es m = 9,1 x 10-28 g = 9,1 x 10-31 kg. 

El experimento que diseñaron consistía en rociar con gotitas de aceite el espacio vacío entre dos placas metálicas; a su vez un haz de rayos catódicos paralelo a las placas cargaba negativamente a estas gotitas; mientras se aplica un campo eléctrico entre las dos placas, cuya magnitud y sentido contrarreste la gravedad y mantenga a las gotitas suspendidas y en equilibrio. El valor de este campo eléctrico junto con otros datos sirvió para determinar la carga del electrón y su masa.

El átomo nuclear

La radiactividad

En 1896 Henri Becquerel descubre que ciertos minerales emiten radiación espontáneamente, a este fenómeno lo llamó radiactividad. Más tarde el científico Ernest Rutherford, estudiando la radiactividad de estos minerales, descubrió dos tipos de radiación; la radiación alfa α cuyas partículas equivalen a dos cargas positivas e idénticas al ion de helio He2+, y la radiación beta β cuya carga es negativa y es idéntica a la de los rayos catódicos.

Ya en 1900, Paul Villard descubre un tercer tipo de radiación radiactiva de alta energía, que al contrario que la  alfa y beta, ésta no se altera ante un campo eléctrico o magnético, y a la cuál llamo radiación gamma γ.

Según avanzaba la investigación en el nuevo campo de la radiactividad, Marie y Pierre Curie; y Rutherford y Frederick Soddy, trabajando cada equipo por separado y sin tener ningún conocimiento del trabajo del equipo rival descubrieron que los elementos radiactivos iban modificando sus propiedades debido a cambios en la composición del átomo.

Estos cambios implicaban que un elemento se transformaba en otro a consecuencia de la desintegración radiactiva, a este proceso lo llamaron transmutación. Por ejemplo, Marie y Pierre Curie descubrieron los elementos radio y polonio a partir de la desintegración del uranio que contiene la pechblenda, que es un mineral muy radiactivo.

Como consecuencia de la radiactividad se refuta otro postulado de la teoría atómica de Dalton; los átomos pueden crearse y destruirse, y durante el proceso parte de la materia se pierde en forma de energía.

El modelo de átomo nuclear.

En 1910 E. Rutherford, esperando poder confirmar la teoría atómica de Thomson, bombardea con radiación alfa una lámina de oro extremadamente delgada del orden de unos micrómetros de espesor. Cree que si la teoría de Thomson es correcta, la mayoría de las partículas alfa atravesarían la lámina sin alterar su trayectoria y solo unas pocas se desviarían algo por influencia de los electrones.

Sin embargo al ejecutar el experimento, no solo sucede lo esperado sino que también encuentra que hay partículas alfa que se dispersan con grandes ángulos o rebotan en dirección opuesta o incluso retornan en línea recta hacía la fuente de la radiación; tras estos resultados tan alejados de su hipótesis inicial, modificó y amplió el modelo atómico que se tenía hasta entonces. Ahora la teoría de la estructura atómica se basa en el modelo de átomo nuclear de Rutherford:

1º Casi todo el átomo es espacio vacío.

2º La carga positiva se encuentra concentrada en una diminuta región centrada en el interior llamada núcleo, cuyo radio es unas 10.000 veces menor al del átomo.

3º Fuera del núcleo se encuentran los electrones, en número suficiente para asegurar la neutralidad del átomo.

4º El valor de la carga positiva es única y diferente para el átomo de cada elemento, y es aproximadamente la mitad del peso atómico.

Los electrones orbitan alrededor del núcleo como si se tratara de un sistema solar en miniatura.

El modelo atómico de Rutherford, electrones orbitando alrededor del núcleo de carga positiva
El modelo atómico de Rutherford, electrones orbitando alrededor del núcleo.

En 1919 el propio Rutherford fue quien descubrió la existencia de las partículas subatómicas de igual carga que un electrón pero de signo contrario y alojadas en el núcleo, a las que llamó protones. Y finalmente en 1932 el científico James Chadwick descubrió la existencia del otro tipo de partículas subátomicas que forman parte del núcleo y que carecen de carga, las llamó neutrones.

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