Los atomos y su estructura

La historia de como se descubrieron los átomos, y su relación con el mundo físico es una de las tramas más interesantes de la investigación científica. Está plagada de descubrimientos casuales, gran inventiva e imaginación.

Imagen real tomada con el TEAM (Transmission Electron Aberration-corrected Microscope), donde pueden verse los atomos y las uniones del grafito.

Este articulo toca el tema de los átomos por el modelo más sencillo -no el actualmente aceptado (cuantico)- pero nos será más que suficiente para tratar de entender como funciona la naturaleza a escala microscopica.

El primer indicio de los átomos, proviene aproximadamente del año 400 AC, cuando el griego Demócrito, fundamentó la idea de que las cosas no pueden dividirse infinitamente, hasta un nivel cero. 

No puedo tomar un pedazo de papel, y cortarlo obteniendo pedazos más pequeños infinitamente, porque la idea fundamental es que no puedo hacer "algo" sumando trocitos de "nada". Por eso Demócrito postuló que debería haber unidades básicas de la materia, a los que denominó "indivisibles" o "átomos".

El siguiente paso, que tardo 22 siglos, fue en 1804, cuando el quimico John Dalton enuncio su "Ley de proporciones multiples".

John Dalton

En ella se explicaba como se combinan los atomos. Estos no lo hacen en cualquier proporcion, sino que guardan relacion con sus pesos entre ellos.

No es que se haya pesado en ese momento un atomo, sino que por experimentos se había determinado que, por ejemplo, 2 gramos de hidrógeno se combinaban con 16 gramos de oxígeno, para dar 18 gramos de agua. De estos y centenares de otros experimentos, fue posible obtener una serie de números que estaban asociados a cada átomo, que si bien no era el peso real, si era una relación de pesos. Tambien aqui se ubico al elemento mas simple como el hidrogeno, al ser el mas liviano.

Recién en 1869 empezó a haber un avance mayor en estos temas, fundamentalmente por las investigaciones de Dimitri Mendeleiev. En esa época, lo que diferenciaba a los átomos era su comportamiento químico, es decir, el modo en que se combinaban para dar moléculas.

Primera publicacion de la Tabla de Mendeleiev, publicada en Zeitschrift fϋr Chemie.

Si le asignaban al hidrógeno el número 1, al oxígeno le correspondía el 16, al azufre el 32,1 y al cobre el 63,6. Mendeleiev armó por primera vez la tabla periódica de los elementos que usamos hoy en día (aunque la que él hizo era algo diferente de la actual), basándose en reactividad química de los elementos.

Tabla Periodica gigante montada en una pared en San Petesburgo, Rusia, en 1934.

Así, se dió cuenta que cada 8 lugares de la tabla, los elementos reaccionaban químicamente igual. Por ejemplo, la lista comenzaba con el litio, un metal cuyo óxido se disuelve en agua formando un álcali fuerte. Ocho lugares (en pesos relativos) después el sodio presentaba el mismo comportamiento. Ocho lugares más, el potasio, con la misma reactividad.

De esta manera, Mendeleiev armó la primer tabla periódica. Fue desarrollada de esta manera, y se animó a pronosticar elementos que no se habían descubierto aún, en los casilleros vacíos. Antes de 1890 se habían descubierto los elementos predichos por Mendeleiev. Era una enorme victoria en el avance del conocimiento de los átomos.

Los electrones

Las investigaciones de Thomson en 1897, condujeron al descubrimiento del electrón. Comenzaron con un intento de explicar la discrepancia que existe en el modo en que se desvían los rayos catódicos según que actúen sobre ellos fuerzas magnéticas o fuerzas eléctricas. Las fuerzas magnéticas desvían los rayos del mismo modo que si fuesen ellas partículas cargadas de electricidad negativa que se movieran en la misma dirección que los rayos.

Clasico experimento de Thomson. Se ve el haz de electrones como una linea azul desviada por un campo magnetico.

Adicionalmente, por la forma en que se desviaban los rayos catodicos, se midió que la masa del electrón era al menos 1000 veces menor que la del átomo de hidrógeno, siendo la primera evidencia de partículas menores al átomo.

El nucleo atomico

Al principio se creia que los atomos eran como un budin (modelo sugerido por Thomson), con los electrones negativos y materia positiva (para que el atomo fuera neutro) distribuidos homogeneamente. Aun no estaba definido completamente el Proton.

Modelo atomico de Thomson, con electrones y materia positiva mezclada, formando los atomos.

Para tratar de develar como era el interior del atomo de Thomson, Ernest Rutherford concibió un experimento de dispersión de partículas alfa (núcleos de helio), y como sucede muchas veces en la investigacion cientifica, termino destruyendo el modelo que queria probar.

El experimento

Tenia que bombardear de particulas alfa, chapas ultrafinas de oro. La idea era que la mayoria traspasaria la pelicula, pero algunas serian desviadas, permitiendo conocer como estaban aproximadamente distribuidos los electrones.

Muchas seguian el comportamiento previsto, pero algunas rebotaban hacia el cañon.

Según palabras de Rutherford, era tan increíble como disparar con un cañón de 8 pulgadas contra una hoja de papel, y que rebotara.

La única manera de explicar este fenómeno era que el átomo contenía un núcleo extremadamente pequeño -y duro-, con respecto al tamaño del átomo. Dedujo que era pequeño porque la mayoria de las particulas alfa lo atravesaban como si fuera transparente, pero algunos -muy pocos- rebotaban. Ademas, como las partículas alfa son de carga positiva, el núcleo que las desviaba también debía ser de carga positiva.

En amarillo estan los atomos de oro El punto negro en el centro de cada atomo es el nucleo. Desde la izquierda la pelicula es bombardeada por particulas alfa (nucleos de helio) de carga positiva. Esta marcado un caso "A" que la particula rebota. La unica explicacion para este fenomeno era que los atomos tienen un nucleo, no como el modelo de Thomson.

Rutherford interpreto que este nucleo (ya que se encontraba en el atomo mas elemental: el hidrogeno) era la particula mas elemental positiva. (ahora se lo denomina proton).

Isotopos y neutrones

Existe lo que denominan isótopos, átomos de igual reactividad química que los átomos "normales", pero de peso diferente. Este peso diferente fue explicado (entre otras experiencias más sofisticadas) por la presencia de una partícula que contribuía con masa al átomo, pero no en carga. Chadwick detectó a los neutrones en 1932.

Es difícil definir quién o a partir de cuándo el neutrón pasó a ser considerado como la segunda partícula elemental constituyente del núcleo tal como ahora se concibe. El primer modelo del núcleo con base en neutrones y protones fue propuesto por Heisenberg en 1932.

Modelo mejorado del atomo. En el nucleo los protones y neutrones, y en orbitas al su alrededor los electrones. Este modelo es de un atomo de helio.

En este modelo simple los protones y neutrones estaban ligados por el intercambio de electrones, pues todavía se seguía con la idea de que había electrones en el núcleo.

Si la fuerza responsable de la interacción entre neutrón y protón surgía de este intercambio, una consecuencia lógica del modelo de Heisenberg sería una diferencia en la interacción neutrón-protón con el sistema protón-protón en que no habría electrones que intercambiar.

En 1936, las medidas de dispersión protón-protón hechas por Merle Antony Tuve, N. Heisenberg y L. R. Hafstad demostraron que estas interacciones son tan fuertes como aquellas para el sistema neutrón-protón.

Ese mismo año, Gregory Breit y E. Feenberg, así como, independientemente, Benedict Cassen y Edward Uhler Condon, propusieron un modelo de fuerzas nucleares en el que neutrones y protones interaccionaban indistintamente entre sí. En estas ideas quedaba ya implícita la condición del neutrón como partícula elemental en el mismo nivel del protón.

El propio Chadwick, al recibir el Premio Nobel en diciembre de 1935, ya habló del neutrón como constituyente elemental del núcleo aunque sin dar una idea clara de la naturaleza de su interacción con el protón.

EL ATOMO COMPLETO


Entonces el átomo está formado por Protones (positivos) y Neutrones (neutros) en su núcleo. Rodeando a distintas distancias se encuentran los electrones (negativos), en orbitales. Estos se dividen en capas y subcapas, girando alrededor del núcleo.

Otro atomo de helio, pero mostrando las distintas capas donde los electrones pueden moverse.

La cantidad de protones es igual a la cantidad de electrones, para que el átomo sea neutro. En la tabla periódica de los elementos, se conoce como número atómico. La cantidad de neutrones es variable. Inclusive átomos iguales pueden tener distintas cantidades de neutrones. A estos se los llama isótopos.

Por ejemplo, el elemento más simple, el hidrógeno, esta formado por un protón y un electrón. Si el núcleo tiene además del protón un neutrón, es un isótopo que se llama Deuterio. Dos átomo de hidrógeno se unen a uno de oxigeno para hacer agua. Dos átomos de Deuterio se unen a uno de oxigeno para formar agua pesada. Si el átomo de hidrógeno tiene dos neutrones, se llama tritio, su segundo isótopo.

Los electrones tienen capacidad de absorber energía, saltando hacia afuera a capas más alejadas. En este caso se dice que el átomo está excitado. Si la energía entregada al o los electrones es demasiado elevada, el electrón salta tan afuera que se escapa del mismo, quedando en este caso tanto el núcleo como los electrones cargados.

Este nuevo estado de la materia se llama plasma, como la materia en el interior de las estrellas.

El plasma puede obtenerse al altas temperaturas como en una estrella, o  con un gas a baja densidad con una descarga electrica.

De todas maneras, como siempre la naturaleza tiende a la menor energía posible, el electrón finalmente o se vuelve a unir a un núcleo, o si solo está excitado, vuelve al nivel fundamental, de mínima energía. Este fenómeno se denomina recombinación.

¿Que tamaño tienen los átomos? Son extremadamente pequeños, como podes verlo aqui.

Esto es suficiente como para tener una idea de como son los atomos, pero recorda que el modelo moderno implica a la fisica cuantica, zonas de probabilidad, etc, ademas de que existen los Quarks, particulas mas elementales aun, que forman a los protones y neutrones, como otras docenas de particulas como los piones, muones, etc.