Partículas Subatómicas

Dalton estaba sólo parcialmente en lo cierto acerca de las partículas que componen la materia. Toda la materia está compuesta de átomos y los átomos están compuestos de tres partículas subatómicas más pequeñas: Protones, neutrones y electrones. Estas tres partículas explican la masa y la carga de un átomo.

El descubrimiento del electrón

La primera pista sobre la estructura subatómica vino a finales del siglo 19 cuando J.J. Thomson descubrió el electrón usando un tubo de rayos catódicos. Este aparato consistía en un tubo de vidrio sellado, del que se había eliminado casi todo el aire y que contenía dos electrodos metálicos. Cuando se aplicó alta tensión a través de los electrodos, apareció entre ellos un haz visible llamado rayo catódico. Este haz se desvió hacia la carga positiva y se alejó de la carga negativa y se produjo de la misma manera con propiedades idénticas cuando se utilizaron metales diferentes para los electrodos. En experimentos similares, el rayo fue desviado simultáneamente por un campo magnético aplicado. Las mediciones de la extensión de la deflexión y la intensidad del campo magnético permitieron a Thomson calcular la relación carga-masa de las partículas de rayos catódicos. Los resultados de estas mediciones indicaron que estas partículas eran mucho más ligeras que los átomos. Sobre la base de sus observaciones, Thomson propuso lo siguiente:

• Las partículas son atraídas por cargas positivas (+) y repelidas por cargas negativas (−), por lo que deben estar cargadas negativamente (cargas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen);
• Las partículas son menos grandes que los átomos e indistinguibles, independientemente del material de origen, por lo que deben ser componentes subatómicos fundamentales de todos los átomos.

La partícula de rayos catódicos de Thomson es un electrón, una partícula subatómica con carga negativa, con una masa más de 1000× menor que la de un átomo. El término “electrón” fue acuñado en 1891 por el físico irlandés George Stoney, a partir de “ión eléctrico”

En 1909, Robert A. Millikan calculó la carga de un electrón mediante sus experimentos de “gota de aceite” Millikan creó gotas microscópicas de aceite, que podrían cargarse eléctricamente por fricción a medida que se formaban o utilizando rayos X. Estas gotitas cayeron inicialmente debido a la gravedad, pero su progreso hacia abajo podía ser enlentecido o incluso revertido por un campo eléctrico más abajo en el aparato. Mediante el ajuste de la intensidad del campo eléctrico y la realización de mediciones cuidadosas y cálculos apropiados, Millikan pudo determinar que la carga en gotas individuales era de 1.6 times; 10⁻¹⁹ C (coulomb). Millikan concluyó que este valor debe, por lo tanto, ser la carga fundamental de un solo electrón. Dado que la carga de un electrón se conocía ahora debido a la investigación de Millikan — y la relación carga-masa ya se conocía debido a la investigación de Thomson (1.759 × 10¹¹ C/kg) — se determinó que la masa del electrón era de 9.107 × 10⁻³¹ kg.

El modelo nuclear de Rutherford

Los científicos habían establecido ahora que el átomo no era indivisible como Dalton había creído, y debido al trabajo de Thomson, Millikan, y otros, la carga y la masa de las partículas subatómicas negativas — los electrones — eran conocidas. Los científicos sabían que la carga total de un átomo era neutra. Sin embargo, la parte positivamente cargada de un átomo aún no era bien entendida. En 1904, Thomson propuso el modelo de átomos de “pudín de ciruela” que describía una masa cargada positivamente con una cantidad igual de carga negativa en forma de electrones incorporados en ella, ya que todos los átomos son eléctricamente neutros. Un modelo competidor había sido propuesto en 1903 por Hantaro Nagaoka, quien postuló un átomo similar a Saturno, consistente en una esfera cargada positivamente rodeada por un halo de electrones. 

El siguiente gran desarrollo en la comprensión del átomo vino de Ernest Rutherford. Quien realizó una serie de experimentos utilizando un haz de alta velocidad de partículas alfa cargadas positivamente (partículas α) que fueron producidas por la desintegración radiactiva del radio. Apuntó un haz de partículas α a una pieza muy delgada de lámina de oro y examinó la dispersión resultante de las partículas α utilizando una pantalla luminiscente que brillaba brevemente cuando era golpeada por una partícula α. Observó que la mayoría de las partículas pasaban a través de la lámina sin desviarse en absoluto. Sin embargo, algunas fueron desviadas ligeramente y un número muy pequeño fue desviado casi directamente hacia la fuente.

A partir de esto, Rutherford luego dedujo lo siguiente: Debido a que la mayoría de las partículas α de movimiento rápido pasaron a través de los átomos de oro sin desviarse, deben haber viajado a través de un espacio esencialmente vacío dentro del átomo. Las partículas alfa están cargadas positivamente, por lo que las deflexiones surgieron cuando se encontraron con otra carga positiva (cargas iguales se repelen). Debido a que cargas iguales se repelen una a la otra, las pocas partículas α cargadas positivamente que cambiaron de trayectoria abruptamente se deben haber golpeado o acercado estrechamente a otro cuerpo que también tenía una carga positiva altamente concentrada. Dado que las deflexiones ocurrieron una pequeña fracción del tiempo, esta carga sólo ocupaba una pequeña cantidad del espacio en la lámina de oro.

Analizando una serie de experimentos, Rutherford sacó dos conclusiones importantes:

1. El volumen ocupado por un átomo debe consistir en una gran cantidad de espacio vacío.
2. Un cuerpo pequeño, relativamente pesado, con carga positiva, el núcleo, debe estar en el centro de cada átomo.

Este análisis llevó a Rutherford a proponer un modelo en el cual un átomo consiste en un núcleo muy pequeño, cargado positivamente, en el cual la mayor parte de la masa del átomo está concentrada, rodeado por los electrones cargados negativamente para que el átomo sea eléctricamente neutro. Después de muchos más experimentos, Rutherford también descubrió que los núcleos de otros elementos contienen el núcleo de hidrógeno como un “bloque de construcción” y nombró a esta partícula más fundamental el protón, la partícula subatómica cargada positivamente que se encuentra en el núcleo. 

La estructura de un átomo

Los protones se encuentran en el núcleo de un átomo y tienen una carga positiva. El número de protones es igual al número atómico en la tabla periódica y determina la identidad del elemento. Los neutrones también se encuentran en el núcleo. No tienen carga pero tienen la misma masa que los protones y, por lo tanto, contribuyen a la masa atómica de un átomo. Los electrones orbitan alrededor del núcleo en nubes. Tienen una carga negativa y una masa insignificante, por lo que contribuyen a la carga total de un átomo, pero no a su masa.

Los Neutrones

Se sabía que el núcleo contenía casi toda la masa de un átomo, con el número de protones sólo aportando la mitad, o menos, de esa masa. Se hicieron diferentes propuestas para explicar qué constituía la masa restante, incluyendo la existencia de partículas neutras en el núcleo. No fue hasta 1932 que James Chadwick encontró evidencia de los neutrones, partículas subatómicas sin carga, con una masa aproximadamente igual a la de los protones.

La existencia de los neutrones también explicaba los isótopos: Difieren en masa porque tienen diferentes números de neutrones, pero son químicamente idénticos porque tienen el mismo número de protones.

Unidad de masa atómica (uma) y la unidad fundamental de carga (e)

El núcleo contiene la mayoría de la masa de un átomo porque los protones y los neutrones son mucho más pesados que los electrones, mientras que los electrones ocupan casi todo el volumen de un átomo. El diámetro de un átomo es del orden de 10⁻¹⁰ m, mientras que el diámetro del núcleo es apenas de 10⁻¹⁵ m, aproximadamente 100,000 veces más pequeño. Los átomos —y los protones, neutrones y electrones que los componen— son extremadamente pequeños. Por ejemplo, un átomo de carbono pesa menos de 2 × 10^minus;23 g y un electrón tiene una carga de menos de 2 × 10⁻¹⁹ C. Al describir las propiedades de objetos diminutos tales como los átomos, son utilizadas unidades de medida apropiadamente pequeñas, tales como la unidad de masa atómica (uma) y la unidad fundamental de carga (e). La uma se define con respecto al isótopo más abundante del carbono, cuyos átomos tienen asignadas masas de exactamente de 12 uma. Así, una uma es exactamente 1/12 de la masa de un átomo de carbono-12: 1 uma = 1.6605 × 10⁻²⁴ g. El Dalton (Da) y la unidad de masa atómica unificada (u) son unidades alternativas equivalentes al uma.

La unidad fundamental de carga (también llamada carga elemental) es igual a la magnitud de la carga de un electrón con e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. Un protón tiene una masa de 1.0073 uma y una carga de 1+. Un neutrón es una partícula ligeramente más pesada con una masa de 1.0087 uma y una carga de cero; como su nombre lo indica, es neutral. El electrón tiene una carga de 1− y es una partícula mucho más ligera con una masa de unos 0.00055 uma. Como referencia, tomaría alrededor de 1800 electrones para igualar la masa de un protón. Las propiedades de estas partículas fundamentales se resumen en la siguiente tabla. 

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 2,2: Evolución de la Teoría Atómica y Sección 2.3: Estructura Atómica y Simbolismo.