Estructura atómica

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Tema 1 - 1/13
1. CO
A
RIIA
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TE
AT
MA
AM
LA
EL
DE
ND
ÓN
CIIÓ
UC
TU
TIIT
ST
NS
ON
Podemos encontrar una misma sustancia bajo formas diferentes que
enmascaren su naturaleza común, y además existe la posibilidad de
que una sustancia pueda transformarse en otras sustancias distintas.
Estados de agregación de la materia
• Sólido
• Líquido
• Gaseoso
• Plasma
Átomo: unidad básica de constitución de la materia (intuidos en el
siglo V a.C. por los filósofos griegos).
Molécula: el menor constituyente de una sustancia que conserva
todavía las propiedades químicas de la misma.
Las moléculas se mantienen unidas mediante las fuerzas
intermoleculares, de naturaleza electromagnética.
Las leyes que regulan las reacciones entre átomos y moléculas fueron
enunciadas en el siglo XIX (Lavoisier, Dalton,...)
1. Toda la materia está constituida por átomos
2. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, y los de
elementos distintos difieren al menos en su peso.
3. Las sustancias compuestas se forman de la combinación de los
átomos de sus constituyentes según proporciones sencillas y
definidas.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
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2. MAASSAA YY TTAAM
S
OS
MO
OM
TO
ÁT
SÁ
OS
LO
EL
DE
OD
ÑO
AÑ
MA
Escala relativa de masas atómicas, que toma como referencia al
átomo de hidrógeno (el más ligero).
En la actualidad se toma el elemento más abundante que es el isótopo
de carbono-12, que se le asigna la masa de 12 u.
La masa de los átomos se determina por métodos indirectos.
Átomo-gramo: masa atómica expresada en gramos.
Un átomo-gramo de un elemento tiene siempre el mismo número de
átomos (número de Avogadro = 6.022 × 1023 átomos/átomo-gramo)
1 u = 1.66 × 10 –24 g = 1.66 × 10-27 kg
La masa de una molécula es la suma de las masas de los átomos que
la componen.
Las dimensiones de los átomos son muy pequeñas, su diámetro varía
entre 0.8 Å - 4 Å.
Las masas se encuentran en una proporción 250/1.
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ELLEECCTTRRO
PR
RO
OTTO
ON
ON
NE
NE
ES
ES
SY
S, P
YN
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UTTR
RO
ON
NE
ES
S
electrón:
• descubierto por Thomson al estudiar la desviación de los rayos
catódicos.
• son los portadores de la más pequeña cantidad de carga eléctrica
que se encuentra libre en la naturaleza
1.7588 × 10-11 C/kg
• e/me =
• e
=
( - ) 1.6022 × 10-19 C
9.109 × 10-31 kg = 5.486 × 10-4 u
• me =
protón:
• posee carga eléctrica positiva, igual en valor absoluto a la del
electrón.
• está en el núcleo atómico.
• e
=
(+) 1.6022 × 10-19 C
9.109 ×10-31 kg = 5.486 × 10-4 u
• me =
neutrón:
• descubierto por Chadwick
• eléctricamente neutro
• forma parte del núcleo.
1.6749 × 10-27 kg = 1.00867 u
• mn =
Los protones y neutrones reciben el nombre genérico de nucleones.
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3. ESSTTRRUUCCTTUURRAA DDEELL ÁÁTTO
O
MO
OM
•
modelo de Thomson: esfera de densidad uniforme, de diámetro
del orden de 10-10 m y con la carga eléctrica positiva
uniformemente repartida. Los electrones están distribuidos de
modo parecido a las semillas en una sandía.
•
modelo de Rutherford: la carga positiva y la masa están
concentradas en el núcleo (de diámetro del orden de 10-15 m) y
los electrones se encuentran alrededor a distancias relativamente
grandes.
Los electrones de la corteza atómica determinan completamente las
propiedades químicas de los elementos.
Número Atómico (Z): número de protones.
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4. ENNEERRG
N
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DE
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EN
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DE
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GÍÍA
E
O
MO
OM
TO
ÁT
LÁ
EL
Imaginando al electrón girando alrededor del átomo en órbitas
circulares alrededor del núcleo, tendrá energía cinética y potencial.
Ek = 12 mv 2
1 Ze 2
Ep = −
4πε 0 r
1 Ze 2
E = Ek + Ep = −
8πε 0 r
Energía de enlace. Energía que hay que suministrar al átomo
para arrancarle un electrón
1 Ze 2
w=−E =
8πε 0 r
Cuando el átomo pierde un electrón, se convierte en un ión
positivo. El átomo queda ionizado.
La energía que debemos aportar al átomo para arrancarle un
electrón se llama energía de ionización.
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5. MO
R
HR
OH
BO
EB
DE
OD
CO
MIIC
ÓM
TÓ
AT
OA
LO
EL
DE
OD
Se basa en los siguientes postulados:
•
El electrón solo puede moverse en órbitas estacionarias (en
las que no irradia energía)
•
La energía de los electrones atómicos está cuantizada (cada
uno de estos valores recibe el nombre de niveles de energía).
K
En = − 2
n
n es el número cuántico principal
Estado fundamental: el único electrón del átomo está en el nivel
energético más bajo.
Energía de excitación: energía emitida espontáneamente al pasar el
electrón a un nivel energético más bajo.
1 eV = 1.602 × 10-19 C × 1 V = 1.602 × 10-19 J
1 keV = 103 eV
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1MeV = 106 eV
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1 GeV = 109 eV
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• Un nivel energético solo puede estar ocupado por 2n2 electrones:
• Los distintos valores energéticos que corresponden a los valores
de n = 1, 2, 3, 4,... Se designan con las letras K, L, M, N,...
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6. LAA RRAADDIIAACCIIÓ
L
EL
YE
AY
CA
TIIC
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GN
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MA
OM
RO
TR
CT
EC
LE
EL
NE
ÓN
F
N
ÓN
TÓ
OT
FO
• Propagación de la energía a través del espacio sin la necesidad
de un medio material.
• Doble oscilación de un campo eléctrico (E) y un campo
magnético (H) (de Broglie).
• Caracterizadas por su frecuencia (ν) y su longitud de onda (λ).
λ
= cν
• Amplia gama de frecuencias - longitudes de ondas.
• Se clasifican de acuerdo con su principal fuente de producción.
• Los límites de separación no están bien definidos y existen
solapamientos entre cada zona y las zonas contiguas.
• La energía que transporta el fotón es
E = hν =
hc
λ
h = 6.626 × 10-34 J.s = 4.136 × 10-15 eV.s
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7. ELL EEFFEECCTTO
O
CO
RIIC
TR
CT
ÉC
LÉ
EL
OE
TO
OT
FO
OF
•
La superficie de un metal emite electrones si sobre ella incide
una luz de frecuencia suficientemente elevada.
•
Constituye el fundamento de las células fotoeléctricas.
Electrones libres: se mueven más o menos libremente en la
superficie del metal.
1 2
mv = hν − W
2
Si es hν < W el electrón no será arrancado del metal
Si es hν > W el electrón puede ser arrancado del metal
W es la energía necesaria para que un electrón escape del metal.
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8. ESSPPEECCTTRRO
S
OS
CO
MIIC
ÓM
TÓ
AT
SA
OS
Mecanismos fundamentales para excitar a un átomo
•
Colisión con otro átomo o partícula. (producido generalmente
por descargas eléctricas)
•
Absorción de un fotón por el átomo de energía hν, exactamente
la que necesita para que el electrón salte a un nivel energético
más elevado.
Espectro de emisión: formado por las frecuencias o longitudes de
onda características que corresponden a las distintas posibilidades de
transiciones radiativas entre los niveles energéticos.
• Los espectros atómicos de emisión poseen una estructura
discreta y son característicos de cada especie atómica.
 1 1 
hν = Ei − Ef = K  2 − 2 
 nf ni 
Espectro óptico: las frecuencias corresponden a la zona del espectro
visible.
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9. RAAYYO
S
OS
CO
TIIC
ST
RÍÍS
ER
TE
CT
SX C
AC
OS
RA
AR
CA
• Rayos X característicos:
radiación electromagnética
emitida por los átomos en la
región de 100 eV < E < 250 keV.
• Espectro discreto característico de
cada especie atómica.
• Para que se produzcan estas
transiciones es necesario que
exista una vacante en una capa
interna del átomo.
RAADDIIAACCIIÓ
ÓN
ND
DE
E FFR
RE
EN
NA
AD
DO
O
• También se le llama bremsstrahlung.
• Radiación emitida por una partícula cargada que experimenta un
cambio de velocidad.
• Es muy importante en electrones muy energéticos, y constituye
el fundamento de la obtención de rayos-X en medicina.
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10. PRRO
X
SX
OS
YO
AY
RA
ER
DE
ND
ÓN
CIIÓ
CC
UC
DU
OD
● Los rayos X se obtienen en los “tubos de rayos X”.
● Los electrones energéticos
colisionan con los átomos del
material del ánodo (casi siempre
de tungsteno), se frenan
(bremsstrahlung) y arrancan
electrones de las capas profundas
de éste, que al desexcitarse
producen la emisión de rayos X
característicos.
● Superposición de un espectro
discreto (rayos-X característicos)
y de un espectro contínuo
(bremsstrahlung).
● La intensidad de los rayos X
emitidos depende del número
de electrones emitidos por el
ánodo, y su energía de la
energía cinética de los mismos.
•
•
rayos X duros: gran energía y poder de penetración.
rayos X blandos: menor energía y poder de penetración.
● Al interaccionar los rayos X con la materia producen la ionización
de los átomos constituyentes de la misma.
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