Estructura atómica de la materia

Fecha:
LUCERO PABLO –
MARTÍ
SEBASTIÁNPANEBIANCO
BRUNO –
PENDENTI
NICOLÁS
ESTRUCTURA ATOMICA
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Índice
1) Introducción
2) Un poco de historia
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Demócrito y el primer átomo
Modelo atómico Dalton
Modelo atómico Thompson
Becquerel y la accidental radioactividad
Modelo atómico Rutherford
Modelo atómico Bohr
El neutrón de Chadwick
Actual átomo
3) Vistazo adentro del átomo
a) Fuerzas
Bosones
b) Fermiones
Quarks y Leptones
4) Radiación
a) Partículas α
b) Partículas β
c) Rayos γ
5) Tabla periódica de los elementos
a) Historia
b) Explicación
Introducción
Desde tiempos inmemorables el hombre ha querido saber de qué estaba compuesta la materia,
hasta qué punto podría dividirla y que este conocimiento sea develado lo más rápido posible.
Leucipo comenzó con la historia del atoma (a-sin; toma-división), que hoy llamamos átomo, pero no
fue hasta que John Dalton lo usara para explicar comportamientos de los gases que volvió a
tocarse el tema de manera importante. Hasta el día de hoy continúa la incógnita de cuando
llegaremos a esta última partícula, ya que los quarks, la división de la división del átomo,
teóricamente, está compuesto de preones, según algunos científicos e investigadores creen
Un poco de historia
Demócrito y el primer átomo
Alrededor del año 400 a.C. un filósofo griego llamado Demócrito desarrolló la idea partículas
indivisibles. Se preguntó a si mismo hasta cuándo podría dividir la materia, Demócrito pensó que
en algún punto habría algo indivisible, el pedacito de materia más pequeño posible. A esas
partículas básicas de materia Demócrito las llamó "átomos".
Las ideas de Demócrito sobre el átomo eran las siguientes:
- El átomo es demasiado pequeño como para poder verlo.
- El átomo es indivisible como su nombre lo indica.
- El átomo es sólido (no hay espacio vacío dentro de él).
- Los átomos son eternos porque son perfectos.
- Los átomos están rodeados por un espacio vacío (para explicar sus movimientos y cambios de
densidad).
- Los átomos tienen un número infinito de formas (para explicar la diversidad observada en la
naturaleza).
Por más de 2000 años nadie hizo nada para continuar con las exploraciones que los griegos
habían comenzado sobre la naturaleza de la materia. No fue sino hasta los inicios de 1800 que la
gente comenzó de nuevo a cuestionar la estructura de la materia.
Modelo del átomo de Dalton
En la década de 1800 un químico inglés llamado John Dalton realizó experimentos con diversas
sustancias químicas que mostraron que la materia, de hecho, parece estar compuestas por bultos
de partículas elementales (átomos). Dalton fue el responsable del primer modelo de átomo con
base científica.
El modelo atómico de Dalton fue expuesto en un libro llamado "Nuevo sistema de filosofía
química", y decía lo siguiente:
- La materia está formada por partículas pequeñísimas llamadas "átomos".
- Estos átomos no se pueden dividir ni romper, no se crean ni se destruyen en ninguna reacción
química, y nunca cambian.
- Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen la misma masa y dimensiones; por
ejemplo, todos los átomos de hidrógeno son iguales.
- Los átomos de elementos diferentes son diferentes; por ejemplo, los átomos de oxígeno son
diferentes a los átomos de hidrógeno.
- Los átomos pueden combinarse para formar compuestos químicos. Por ejemplo, los átomos de
hidrógeno y oxígeno pueden combinarse para formar moléculas de agua.
- Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.
- Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más
de un compuesto. Por ejemplo, un átomo de carbono con uno de oxígeno forman monóxido de
carbono (CO), mientras que dos átomos de oxígeno con uno de carbono, forman dióxido de
carbono (CO2).
Algunos de estos planeamientos perdieron vigencia con el tiempo. Hoy sabemos que los átomos sí
se pueden dividir y que no todos los átomos de un mismo elemento son iguales, pero es innegable
que estas primeras ideas fueron muy importantes para la ciencia.
Símbolos utilizados por Dalton para representar los átomos de diferentes elementos.
Modelo del átomo de Thomson
En 1897, el físico inglés Joseph John Thomson descubrió el electrón y propuso un modelo para la
estructura del átomo. Thomson se dio cuenta de que los electrones tenían carga "negativa" y
pensó entonces que el resto de la materia tenía una carga "positiva". Según Thomson, el átomo
consistía en una esfera con carga positiva que se encontraba incrustada por electrones, de carga
negativa. Su modelo lucía como pasas pegadas en la superficie de un trozo de pastel.
El modelo de Thomson se llamó "Pudín de Thomson". El átomo estaba formado por una esfera con
carga positiva mezclada con electrones "como pasas en un pastel".
Thomson decía que la carga de los electrones era suficiente como para neutralizar la carga
positiva de la esfera, por lo que el átomo era eléctricamente neutro. El modelo de Thomson del
átomo fue importante porque permitió relacionar la electricidad con el átomo. Pero, como cualquier
otro modelo científico, tenía que ser perfeccionado para poder explicar nuevos fenómenos que
ocurren en el laboratorio o en la naturaleza.
Becquerel y la accidental radiactividad
Becquerel, durante sus estudios sobre la fluorescencia descubrió que ciertas sales de uranio
emiten radiaciones espontáneamente, al observar que velaban las placas fotográficas envueltas en
papel negro. Hizo ensayos con el mineral en caliente, en frío, pulverizado, disuelto en ácidos y la
intensidad de la misteriosa radiación era siempre la misma. Por tanto, esta nueva propiedad de la
materia, que recibió el nombre de radiactividad, no dependía de la forma física o química en la que
se encontraban los átomos del cuerpo radiactivo, sino que era una propiedad que radicaba en el
interior mismo del átomo. Dedujo que este elemento debía producir algún tipo de radiación la cual
atravesaba el papel hasta alcanzar y afectar a la emulsión fotográfica. Un cuidadoso estudio
emprendido por Becquerel y otros científicos, reveló que cierto número de elementos químicos
pesados parecían ser interiormente inestables y daban a origen a radiaciones penetrantes. Con
ello, esos mismos elementos se transformaban en otros diferentes, siguiendo caminos
complicados, pero bien definidos, en busca de una estabilidad final. Este fenómeno totalmente
distinto de cualquier otro estudiado hasta entonces, recibió el nombre de radiactividad, y el proceso
de transformación fue llamado desintegración radiactiva.
Modelo del átomo de Rutherford
En 1911, un físico de Nueva Zelanda llamado Ernest Rutherford descubrió el núcleo del átomo. Su
nuevo modelo del átomo mostraba que la carga eléctrica positiva y la mayor parte de la masa del
átomo estaban concentradas en un núcleo que era casi un punto. Rutherford pensó que el electrón
se movía alrededor del núcleo atómico como los planetas alrededor del Sol, y que la atracción de
la fuerza eléctrica jugaba el mismo rol que la gravedad juega para los planetas; de aquí es donde
se adoptó el nombre de "modelo atómico planetario".
Rutherford descubrió el núcleo del átomo al lanzar "partículas alfa" sobre una placa metálica.
Varias partículas atravesaban el metal, pero extrañamente algunas rebotaban; lo hacían porque
eran rechazadas por la carga eléctrica de los núcleos atómicos presentes en el metal.
Rutherford propuso un modelo de átomo que parecía un Sistema Solar en miniatura: así como un
planeta era atraído hacia el Sol por la fuerza de la gravedad, el electrón era atraído hacia el núcleo
del átomo por la fuerza de la electricidad.
Pero apareció algo terriblemente mal con el modelo de Rutherford del átomo. Según la teoría del
electromagnetismo de Maxwell, los electrones deberían gradualmente perder energía y precipitarse
en espiral hacia el núcleo atómico, pero sabemos que eso no sucede, de lo contrario no
existiríamos. El modelo atómico planetario parecía condenado a la muerte, pero un brillante joven
de Dinamarca aparecería para salvarlo.
Modelo del átomo de Bohr
En 1913 el físico danés Niels Bohr propuso una teoría revolucionaria que dice que los electrones
no caen en espiral hacia el núcleo atómico y propuso algunas reglas de lo que sucede. (Esto inició
un nuevo enfoque en la ciencia porque por primera vez las reglas tuvieron que adaptarse a la
observación independientemente de cómo entraban en conflicto con las teorías de la época).
Bohr dijo: "Aquí hay algunas reglas que parecen imposibles, pero que describen la manera en que
funcionan los átomos, así que vamos a fingir que son correctas y a usarlas". Bohr llegó con tres
reglas que estaban de acuerdo con la experimentación:
Regla 1: Los electrones describen órbitas circulares entorno al núcleo del átomo sin perder
energía.
Regla 2: Los electrones pueden orbitar sólo a ciertas distancias permitidas del núcleo.
Regla 3: Los átomos irradian (pierden) energía cuando un electrón salta de una órbita de mayor
energía a una órbita de menor energía. También, un átomo absorbe (gana) energía cuando un
electrón es impulsado de una órbita de baja energía a una órbita de alta energía.
Bohr decía que los electrones no podían encontrarse en cualquier órbita: sólo podían estar en
órbitas cuyo momento angular fuera un múltiplo entero de la constante reducida de Planck.
El neutrón de Chadwick
El modelo de Rutherford de la estructura atómica dejaba un importante problema sin resolver. Se
sabía que el hidrógeno, el átomo más sencillo, contenía solamente un protón, y que el átomo de
helio contenía dos protones. Por tanto, la relación entre la masa de un átomo de helio y un átomo
de hidrógeno debería ser 2:1. (Debido a que los electrones son mucho más ligeros que los
protones, se puede ignorar su contribución a la masa atómica.) Sin embargo, en realidad la
relación es 4:1.
Rutherford y otros investigadores habían propuesto que debería existir otro tipo de partícula
subatómica en el núcleo, hecho que el físico inglés James Chadwick probó en 1932.
Cuando Chadwick bombardeó una delgada lámina de berilio con partículas alfa, el metal emitió una
radiación de muy alta energía, similar a los rayos Gamma.
Experimentos posteriores demostraron que esos rayos realmente constan de un tercer tipo de
partículas subatómicas, que Chadwick llamó neutrones debido a que se demostró que eran
partículas eléctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la masa de los protones. El
misterio de la relación de las masas ahora podía explicarse. En el núcleo de helio existen dos
protones y dos neutrones, mientras que en el núcleo de hidrógeno hay sólo un protón y no hay
neutrones; por tanto, la relación es 4:1.
Actual átomo
En la actualidad se sabe que el átomo está compuesto por un núcleo y una corteza. El núcleo a su
vez está compuesto por:
Protón: es una partícula nuclear con carga positiva
Neutrones: partícula nuclear sin carga
El neutrón y el protón tienen prácticamente la misma masa.
En la corteza se encuentran los electrones. Estos electrones giran en regiones del espacio
llamadas orbitales.
El tamaño del átomo está determinado por el movimiento del electrón en estas regiones. En todos
los átomos el número de protones es igual al número de electrones. Este número está determinado
por número atómico.
A la suma del número de protones y neutrones se le llama número másico.
Un vistazo adentro
del átomo
Fermiones
Los fermiones son partículas (quark y leptones) con spin semi-entero, interactúan entre ellos
mediante bosones.
Quarks: Gell-Mann fue el que "inventó" los quarks porque él fue aún más allá que Mendeleiev, ya
que no sólo ordenó el espectro de los hadrones (hizo la tabla periódica de los elementos) sino que
además introdujo el modelo más exitoso sobre su estructura interna, al postular que estos están
formados por partículas puntuales a las que denominó quarks.
Para explicar el espectro conocido, Gell-Mann propuso que estos quarks debían existir en tres
“sabores “distintos, a los que llamó up, down y strange y que debían poseer carga eléctrica
fraccionaria respecto de la del electrón. El quark up está cargado positivamente con 2/3 la carga
del electrón, mientras que los otros dos poseen una carga de -1/3 en las mismas unidades. Todos
los bariones conocidos pueden entenderse como compuestos por tres de estos quarks, por
ejemplo el protón está formado por dos quarks u y un d (y el neutrón por dos d y un u), mientras
que los mesones se componen de un quark y un anti quark.
Leptones: un leptón es un fermión fundamental sin carga hadrónica o de color. Existen seis
leptones y sus correspondientes antipartículas: el electrón, el muon, el tau y tres neutrinos
asociados a cada uno de ellos.
Tabla 1 - Quarks
Nombre
Símbolo
Generación
Sabor
Carga
arriba (up)
u
1
Iz=+½
+⅔
abajo (down)
d
1
Iz=-½
-⅓
extraño (strange)
s
2
S=-1
-⅓
encantado (charm)
c
2
C=1
+⅔
fondo (bottom)
b
3
B'=-1
-⅓
cima (top)
t
3
T=1
+⅔
Tabla 2 - Leptones
Carga del leptón / antipartícula
Nombre
Electrón /Positró
Símbolo
Carga eléctrica (e)
−1 / +1
n
Muon /Antimuón
Neutrino / antineutrino
Nombre
Símbolo
Carga eléctrica (e)
Neutrino electrónico /
0
Electrón antineutrino
−1 / +1
Neutrino muónico /
0
Muon antineutrino
Tau / Antitau
−1 / +1
Tau neutrino / Tau
0
antineutrino
Radiación
La radioactividad fue descubierta accidentalmente por el francés H. Becquerelen 1896; Pero
su nombre se debe a Marie Curie, quien estudio e interpreto el fenómeno.
Consiste en la emisión de radiaciones que poseen ciertos sistemas (como el radio), las cuales
son capaces de atravesar capas metálicas delgadas, así como ionizar los gases y hacerlos
conductores de electricidad.
En 1899 Becquerel comprobó que las citadas radiaciones eran sensibles a la presencia de un
campo magnético lo que dio pie a una famosa experiencia realizada por Rutherford ese mismo
año, que mostró que las emisiones radioactivas se componen de dos tipos de radiación.
Partículas α
La alfa () que al atravesar un campo eléctrico (o magnético) es atraída por el electrodo (o polo)
negativo los rayos alfa son por lo tanto positivos y hoy se sabe que se tratan de núcleos de
Helio.
Partículas β
Los beta (β) de mayor poder de penetración que al atravesar un campo eléctrico (o magnético)
es atraído por el electrodo positivo negativo los rayos beta son por lo tanto negativos y hoy se
sabe que se tratan de núcleos de electrones.
Rayos γ
Los gama (γ) los mas penetrantes de todo, que atraviesa sin desviarse los campos eléctricos o
magnético. Los rayos por lo tanto son eléctricamente neutros y hoy se sabe que se trata de
neutrones. Según su naturaleza los elementos radioactivos (Todos aquellos cuyo peso
atómico es mayor que el bismuto) emite una, dos o tres radiaciones anteriores.
Tabla periódica de
los elementos
La tabla o sistema periódico, es el esquema de todos los elementos químicos dispuestos por
orden de número atómico creciente y en una forma que refleja la estructura de los elementos.
Su base es la "Ley Periódica", la cual establece que las propiedades físicas y químicas de los
elementos tienden a repetirse de forma sistemática conforme aumenta el número atómico.
Todos los elementos de un grupo presentan una gran semejanza y, por lo general, difieren de
los elementos de los demás grupos.
Historia
Tabla periódica de Mendeleiev
La ley química que afirma que las propiedades de todos los elementos son funciones
periódicas de sus masas atómicas fue desarrollada independientemente por dos químicos: por
el ruso Dimitri Mendeleiev y el alemán Julius Lothar Meyer.
En 1869, Mendeleiev se propuso hallar una "ley de la naturaleza", válida para toda
clasificación sistemática de los elementos. Clasificó todos los elementos conocidos en su
época en orden creciente de sus pesos atómicos, estableciendo una relación entre ellos y sus
propiedades químicas.
En su clasificación, Mendeleiev no consideró el hidrogeno porque sus propiedades no
coincidían con las de otros elementos. Tampoco figuran en ella los gases nobles, porque no
habían sido descubiertos aun. La ley periódica de Mendeleiev puede ser enunciada del
siguiente modo:
"Las propiedades químicas y la mayoría de las propiedades físicas de los elementos
son función periódica de sus pesos atómicos".
Independientemente, en 1870, el alemán Lothar Meyer propuso una clasificación de los
elementos relacionando los pesos atómicos con las propiedades físicas, tales como el punto
de fusión, de ebullición, etc.
La clave del éxito de los esfuerzos de Mendeléiev y Meyer fue comprender que los intentos
anteriores habían fallado porque todavía quedaba un cierto número de elementos por
descubrir, y había que dejar los huecos para esos elementos en la tabla. Por ejemplo, aunque
no existía ningún elemento conocido hasta entonces con una masa atómica entre la del calcio
y la del titanio, Mendeléiev le dejó un sitio vacante en su sistema periódico. Este lugar fue
asignado más tarde al elemento escandio, descubierto en 1879, que tiene unas propiedades
que justifican su posición en esa secuencia. El descubrimiento del escandio sólo fue parte de
una serie de verificaciones de las predicciones basadas en la ley periódica, y la validación del
sistema periódico aceleró el desarrollo de la química inorgánica.
El sistema periódico ha experimentado dos avances principales desde su formulación original
por parte de Mendeléiev y Meyer. La primera revisión extendió el sistema para incluir toda una
nueva familia de elementos cuya existencia era completamente insospechada en el siglo XIX.
Este grupo comprendía los tres primeros elementos de los gases nobles o inertes, argón, helio
y neón, descubiertos en la atmósfera entre 1894 y 1898 por el físico británico John William
Strutt y el químico británico William Ramsay. El segundo avance fue la interpretación de la
causa de la periodicidad de los elementos en términos de la teoría de Bohr (1913) sobre la
estructura electrónica del átomo.
La guerra de los nombres
La elección de nombres para los elementos ha tenido orígenes variopintos y no ha estado
exenta de polémica. El latín y el griego fue origen de muchos de ellos. Así, el hidrógeno
proviene de hidro y genes que significa "generador de agua", y el flúor de fluere que significa
fluir.
La mitología, la geografía y los nombres propios, principalmente, también han servido para
este fin. Algunos ejemplos son el vanadio, de la diosa escandinava Vanadis; el polonio, de
Polonia, país de origen de Marie Curie, su descubridora; y el nobelio, en honor a Alfred Nobel.
Durante la Guerra Fría tuvo lugar una fuerte controversia entre laboratorios de EE.UU. y de la
URSS por denominar a los nuevos elementos en donde estaba en juego el prestigio de sus
respectivos laboratorios y científicos. Esta situación se complicó con la aparición en escena,
en 1981, de los alemanes del Laboratorio de Damrmstadt, que anunciaron el descubrimiento
de seis nuevos elementos, del 102 al 107.
A pesar de que la discusión se recrudecía, la polémica fue concluida por la IUPAC, con la
denominación de los elementos 104 a 109. Repartieron el nombre entre científicos y
laboratorios de todo el mundo: el 105, dubnio en honor al laboratorio ruso Dubna; el bohrio,
107, al Premio Nobel danés Bohr; y el meitnerio, 109, a la física austriaca Meitner.
Aunque la IUPAC decidió en 1994 una norma que impide utilizar el nombre de personas vivas
para un nuevo elemento, los equipos de los laboratorios americanos, que habían realizado el
descubrimiento y confirmación del 106, consiguieron retrasar su aplicación para poner a este
elemento seaborgio, en honor de Seaborg, premio Nobel americano muerto recientemente.
A partir del 110, la situación es más simple, clara y concisa. El nombre se forma a partir de su
número atómico y simplemente se reemplaza cada dígito por la expresión de la siguiente tabla
y se termina con el sufijo “ium”; 0 nil, 1 un, 2 bi, 3 tri, 4 quad, 5 pent, 6 hex, 7 sept, 8 oct, 9
enn.