Estructura del átomo

      ESTRUCTURA DEL ÁTOMO

       Todos los cuerpos están constituidos por partículas muy pequeñas, llamadas átomos. Por lo tanto, toda substancia de nuestro planeta, viva o inerte, está formada de dichas partículas. El átomo más pequeño es el del elemento hidrógeno, que se puede asimilar a una esfera de radio unos 50 pm (Radio de Bohr, a₀). Los átomos de los demás elementos pueden tener prácticamente radios de unos 100 pm (1 pm = 1x10^-12 m).

Posee un núcleo central (protón) y un electrón en una órbita circular o elíptica.

     El premio Nobel de Física Niels Bohr propuso un modelo de átomo de hidrógeno con un núcleo central, en el que existe una partícula cargada de electricidad llamada protón, y girando en su entorno en una órbita o capa otra partícula cargada, el electrón. Si el núcleo del átomo de H fuese la Tierra, de radio unos 6 400 km, el electrón giraría en una órbita de radio unos 320 millones de km; recuérdese que el Sol se halla a unos 150 millones de km de la Tierra, luego quedaría dentro del átomo.

      El protón tiene carga eléctrica elemental positiva, + 1,67.10^-19 C, masa de 1,673.10^-27 kg (unidad de masa atómica, u, equivalente a una energía de 938,3 MeV según la ecuación de Einstein m·c²; unidad utilizada para el estudio de las partículas del átomo) y radio aproximado de 1.10^-15 m (1 fm o fentómetro). Es, por tanto, unas 50 000 veces más pequeño que el radio del átomo. Su periodo o tiempo de vida media es prácticamente infinito.

      Alejados a gran distancia del núcleo, comparada con las dimensiones del mismo átomo, se hallan los electrones separados del núcleo nada más que por el vacío. La masa del electrón es 9,1.10^-31 kg (cerca de 2 000 veces menor que la del protón, de tal manera que la masa del átomo reside prácticamente en el núcleo y es la suma de la de los protones y los neutrones). Los electrones están atraídos eléctricamente por el núcleo, con igual carga eléctrica y de signo contrario (En un átomo hay tantos electrones como protones, de tal forma que el átomo es una partícula material eléctricamente neutra, si no fuese así, se trataría de un ion). La carga del electrón es  -1,67x10^-19 C, carga eléctrica elemental.

      Como hemos indicado antes, los demás elementos químicos poseen átomos con más de un electrón girando en torno a núcleos con varios protones y con otro tipo de partículas, los neutrones de masa (1,675.10^-27 kg equivalente a 939,6 MeV) ligeramente superior a la de los protones y sin carga eléctrica. Poseen radio igual al del protón: 1 fm. Fuera del núcleo atómico, son inestables, teniendo una vida media de 15 minutos; un neutrón se descompone en un electrón, un antineutrino y un protón.                                                     

     1      1    0    0

   n → p + e + /v

     0    +1   -1    0

Reacción de desintegración de un neutrón libre (1 u de masa y 0 de carga)

en un protón (1 de masa y +1 unidad de carga), un electrón (prácticamente 0

de masa y -1 de carga) y un antineutrino (0 de masa y 0 de carga)

       Los neutrones están sujetos con los protones en el núcleo atraídos por fuerzas nucleares residuales provenientes de los quarks que los integran y que son las verdaderas partículas elementales (realmente son las partículas llamadas gluones las que mantienen unidos a los quarks y son las transmisoras de las fuerzas fuertes que dan estabilidad al núcleo atómico). Los quarks, que forman los neutrones y los protones, pueden ser de dos tipos: up (u) (arriba) y down (d) (abajo).                       

      El modelo de átomo del sistema planetario de órbitas explica muy elementalmente cómo es el átomo. Según el modelo actual de la Mecánica Cuántica, la posición del electrón no se puede determinar con exactitud, pero sí se puede representar la probabilidad de encontrarlo en determinada región alrededor del núcleo (orbital) y entonces se puede simular el átomo mediante una esfera con nube difusa o de puntos indicativos de la máxima probabilidad de presencia del electrón en cierta región alrededor del núcleo central (modelo de la nube electrónica). En el átomo de hidrógeno, el orbital posee una determinada energía (nivel de energía que, por cierto, se corresponde con la órbita de Bohr) y encierra el 99,99% de probabilidad de presencia del electrón (en el átomo de hidrógeno, la probabilidad de encontrar el electrón es máxima en una superficie esférica cuyo radio coincide prácticamente con el  Radio de Bohr, a₀).

                   

-Átomo de hidrógeno. Posee un orbital (de símbolo s) en el que se halla la carga eléctrica de un electrón en la primera capa o nivel de menor energía (estructura 1s¹).

-Átomo de helio. Con dos electrones en el primer orbital (1s²).

-Átomo de litio. Con dos electrones en el orbital atómico s y uno en el segundo nivel (estructura 1s²2s¹⁾

      La estructura o configuración electrónica del átomo de Be, que posee cuatro electrones, es 1s²2s². El de B que posee cinco, es 1s²2s²2p¹. El de C, con seis electrones, tiene la configuración 1s²2s²2p² y así se continúa con los átomos de los elementos siguientes en la tabla periódica hasta completar, caso del Ne, el orbital p de la segunda capa con seis electrones (1s²2s²2p⁶). A partir de ahí se va completando la tercera capa de forma similar, hasta que en la cuarta capa se completa el orbital d, con diez electrones. Una vez en la quinta  y en la sexta capa comienzan a llenarse otro tipo de orbitales f. Así se completa la estructura electrónica siguiendo el orden creciente de energía de los orbitales.

Actualmente se han encontrado imágenes del H

Similares a la del modelo de la nube electrónica.

      El número de protones que tiene el núcleo de un átomo es el llamado número atómico, Z, característico de cada elemento químico (a diferencia del número másico, A, o número de nucleones que posee (p + n) . Es decir, dos elementos se distinguen por su número atómico, por ejemplo, el H tiene de número atómico Z = 1 y el carbono Z = 6, pues éste posee seis protones en su núcleo atómico (y por supuesto seis electrones alrededor).

       A y Z son pues dos números enteros que se sitúan a la izquierda, como superíndice y subíndice respectivamente, del símbolo del elemento para expresar el núcleo de un átomo:

           A

      X

          Z

      Precisamente por el número atómico creciente se clasifican los elementos químicos en la tabla o sistema periódico, desde el elemento más sencillo, el H, hasta  completar los elementos naturales (con el de Z = 92, uranio, U) y continuar con los artificiales (hasta, por ahora, el de Z = 118, ununoctio, de símbolo Uuo).