Desde el principio de los tiempos, los seres humanos han buscado comprender de qué está compuesto el universo y todo lo que contiene. Y mientras que los antiguos magos y filósofos concibieron un mundo compuesto de cuatro o cinco elementos (tierra, aire, agua, fuego (y metal o conciencia)) en la antigüedad clásica, los filósofos comenzaron a teorizar que toda la materia en realidad estaba compuesta de diminutos, átomos invisibles e indivisibles.
Desde entonces, los científicos se han involucrado en un proceso de descubrimiento continuo con el átomo, con la esperanza de descubrir su verdadera naturaleza y composición. En el siglo XX, nuestra comprensión se refinó hasta el punto de que pudimos construir un modelo preciso de la misma. Y en la última década, nuestra comprensión ha avanzado aún más, hasta el punto de que hemos llegado a confirmar la existencia de casi todas sus partes teorizadas.
Hoy en día, la investigación atómica se centra en estudiar la estructura y función de la materia a nivel subatómico. Esto no solo consiste en identificar todas las partículas subatómicas que se cree que componen un átomo, sino en investigar las fuerzas que las gobiernan. Estos incluyen fuerzas nucleares fuertes, fuerzas nucleares débiles, electromagnetismo y gravedad. Aquí hay un desglose de todo lo que hemos aprendido sobre el átomo hasta ahora ...
Estructura del átomo:
Nuestro modelo actual del átomo se puede dividir en tres partes constituyentes: protones, neutrones y electrones. Cada una de estas partes tiene una carga asociada, con protones con carga positiva, electrones con carga negativa y neutrones sin carga neta. De acuerdo con el Modelo estándar de física de partículas , los protones y neutrones forman el núcleo del átomo, mientras que los electrones lo orbitan en una 'nube'.
El modelo de Neils Bohr es un átomo de nitrógeno. Crédito: britannica.com
Los electrones de un átomo son atraídos por los protones del núcleo por la fuerza electromagnética. Los electrones pueden escapar de su órbita, pero solo en respuesta a la aplicación de una fuente externa de energía. Cuanto más cercana sea la órbita del electrón al núcleo, mayor será la fuerza de atracción; por lo tanto, más fuerte es la fuerza externa necesaria para hacer que un electrón escape.
Los electrones orbitan el núcleo en múltiples órbitas, cada una de las cuales corresponde a un nivel de energía particular del electrón. El electrón puede cambiar su estado a un nivel de energía más alto absorbiendo un fotón con suficiente energía para impulsarlo al nuevo estado cuántico. Del mismo modo, un electrón en un estado de mayor energía puede caer a un estado de menor energía mientras irradia el exceso de energía en forma de fotón.
Los átomos son eléctricamente neutros si tienen el mismo número de protones y electrones. Los átomos que tienen un déficit o un exceso de electrones se denominan iones. Los electrones que están más lejos del núcleo pueden transferirse a otros átomos cercanos o compartirse entre átomos. Mediante este mecanismo, los átomos pueden unirse para formar moléculas y otros tipos de compuestos químicos.
Las tres partículas subatómicas son fermiones, una clase de partículas asociadas con la materia que es elemental (electrones) o compuesta (protones y neutrones) en la naturaleza. Esto significa que los electrones no tienen una estructura interna conocida, mientras que los protones y neutrones están formados por otras partículas subatómicas. llamados quarks. Hay dos tipos de quarks en los átomos, que tienen una carga eléctrica fraccionada.
Las partículas elementales del Modelo Estándar. Crédito: PBS NOVA / Fermilab / Particle Data Group
Los protones se componen de dos quarks 'arriba' (cada uno con una carga de +2/3) y un quark 'abajo' (-1/3), mientras que los neutrones constan de un quarks arriba y dos quarks abajo. Esta distinción explica la diferencia de carga entre las dos partículas, que resulta en una carga de +1 y 0 respectivamente, mientras que los electrones tienen una carga de -1.
Otras partículas subatómicas incluyen los leptones, que se combinan con los fermiones para formar los componentes básicos de la materia. Hay seis leptones en el modelo atómico actual: las partículas de electrones, muones y tau, y sus neutrinos asociados. Las diferentes variedades de partículas de Lepton, comúnmente llamadas 'sabores', se diferencian por sus tamaños y cargas, lo que afecta el nivel de sus interacciones electromagnéticas.
Luego, están los bosones indicadores, que se conocen como 'portadores de fuerza', ya que median las fuerzas físicas. Por ejemplo, los gluones son responsables de la fuerte fuerza nuclear que mantiene unidos a los quarks, mientras que se cree que los bosones W y Z (aún hipotéticos) son responsables de la fuerza nuclear débil detrás del electromagnetismo. Los fotones son la partícula elemental que forma la luz, mientras que el bosón de Higgs es responsable de dar masa a los bosones W y Z.
Masa atomica:
La mayor parte de la masa de un átomo proviene de los protones y neutrones que forman su núcleo. Los electrones son las menos masivas de las partículas constituyentes de un átomo, con una masa de 9,11 x 10-31kg y un tamaño demasiado pequeño para ser medido con las técnicas actuales. Los protones tienen una masa que es 1836 veces la del electrón, a 1,6726 × 10-27kg, mientras que los neutrones son los más masivos de los tres, a 1,6929 × 10-27kg (1.839 veces la masa del electrón).
Las masas de los 6 sabores de quarks, con un protón y un electrón (punto rojo) que se muestran en la parte inferior izquierda para la escala. Crédito: Wikipedia / Incnis Mrsi
El número total de protones y neutrones en el núcleo de un átomo (llamados 'nucleones') se llama número de masa. Por ejemplo, el elemento Carbono-12 se llama así porque tiene un número de masa de 12, derivado de sus 12 nucleones (seis protones y seis neutrones). Sin embargo, los elementos también se organizan en función de su número atómico, que es el mismo que el número de protones que se encuentran en el núcleo. En este caso, el carbono tiene un número atómico de 6.
La masa real de un átomo en reposo es muy difícil de medir, ya que incluso los átomos más masivos son demasiado ligeros para expresarse en unidades convencionales. Como tal, los científicos a menudo usan la unidad de masa atómica unificada (u), también llamada dalton (Da), que se define como un duodécimo de la masa de un átomo neutro libre de carbono-12, que es aproximadamente 1,66 × 10-27kg.
Los químicos también usan moles, una unidad definida como un mol de cualquier elemento que siempre tenga el mismo número de átomos (aproximadamente 6.022 × 1023). Este número se eligió de modo que si un elemento tiene una masa atómica de 1 u, un mol de átomos de ese elemento tiene una masa cercana a un gramo. Debido a la definición de la unidad de masa atómica unificada, cada átomo de carbono-12 tiene una masa atómica de exactamente 12 u, por lo que un mol de átomos de carbono-12 pesa exactamente 0.012 kg.
Desintegración radioactiva:
Dos átomos cualesquiera que tengan el mismo número de protones pertenecen al mismo elemento químico. Pero los átomos con un número igual de protones pueden tener un número diferente de neutrones, que se definen como isótopos diferentes del mismo elemento. Estos isótopos son a menudo inestables y se sabe que todos aquellos con un número atómico superior a 82 son radiactivos.
Diagrama de desintegración alfa y beta en dos isótopos de uranio. Crédito: energy-without-carbon.org
Cuando un elemento se descompone, su núcleo pierde energía al emitir radiación, que puede consistir en partículas alfa (átomos de helio), partículas beta (positrones), rayos gamma (energía electromagnética de alta frecuencia) y electrones de conversión. La velocidad a la que un elemento inestable se desintegra se conoce como su 'vida media', que es la cantidad de tiempo necesaria para que el elemento caiga a la mitad de su valor inicial.
La estabilidad de un isótopo se ve afectada por la relación entre protones y neutrones. De los 339 tipos diferentes de elementos que ocurren naturalmente en la Tierra, 254 (alrededor del 75%) han sido etiquetados como 'isótopos estables', es decir, no sujetos a descomposición. Otros 34 elementos radiactivos tienen vidas medias superiores a 80 millones de años y también han existido desde los inicios del Sistema Solar (de ahí que se les llame 'elementos primordiales').
Finalmente, se sabe que otros 51 elementos de corta vida ocurren naturalmente, como 'elementos hijos' (es decir, subproductos nucleares) de la desintegración de otros elementos (como el radio del uranio). Además, los elementos radiactivos de vida corta pueden ser el resultado de procesos energéticos naturales en la Tierra, como el bombardeo de rayos cósmicos (por ejemplo, carbono-14, que se produce en nuestra atmósfera).
Historia de estudio:
Los primeros ejemplos conocidos de teoría atómica provienen de la antigua Grecia y la India, donde filósofos como Demócrito postulaban que toda la materia estaba compuesta por unidades diminutas, indivisibles e indestructibles. El término 'átomo' fue acuñado en la antigua Grecia y dio origen a la escuela de pensamiento conocida como 'atomismo'. Sin embargo, esta teoría era más un concepto filosófico que científico.
Varios átomos y moléculas como se describe en Un nuevo sistema de filosofía química de John Dalton (1808). Crédito: dominio público
No fue hasta el siglo XIX que la teoría de los átomos se articuló como un asunto científico, con los primeros experimentos basados en evidencia que se llevaron a cabo. Por ejemplo, a principios del siglo XIX, el científico inglés John Dalton usó el concepto de átomo para explicar por qué los elementos químicos reaccionaban de ciertas formas observables y predecibles.
Dalton comenzó con la pregunta de por qué los elementos reaccionaban en proporciones de números enteros pequeños y concluyó que estas reacciones se producían en múltiplos enteros de unidades discretas, en otras palabras, átomos. A través de una serie de experimentos con gases, Dalton desarrolló lo que se conoce como Teoría atómica de Dalton , que sigue siendo una de las piedras angulares de la física y la química modernas.
La teoría se reduce a cinco premisas: los elementos, en su estado más puro, consisten en partículas llamadas átomos; los átomos de un elemento específico son todos iguales, hasta el último átomo; los átomos de diferentes elementos pueden diferenciarse por sus pesos atómicos; los átomos de los elementos se unen para formar compuestos químicos; los átomos no pueden crearse ni destruirse en una reacción química, solo cambia la agrupación.
A finales del siglo XIX, los científicos empezaron a teorizar que el átomo estaba formado por más de una unidad fundamental. Sin embargo, la mayoría de los científicos se aventuraron a pensar que esta unidad tendría el tamaño del átomo más pequeño conocido: el hidrógeno. Y luego, en 1897, a través de una serie de experimentos con rayos catódicos, el físico J.J. Thompson anunció que había descubierto una unidad que era 1000 veces más pequeña y 1800 veces más ligera que un átomo de hidrógeno.
El modelo Plum Pudding del átomo propuesto por John Dalton. Crédito: britannica.com
Sus experimentos también demostraron que eran idénticas a las partículas desprendidas por el efecto fotoeléctrico y por los materiales radiactivos. Experimentos posteriores revelaron que esta partícula transportaba corriente eléctrica a través de cables metálicos y cargas eléctricas negativas dentro de los átomos. De ahí por qué la partícula, que originalmente se llamó 'corpúsculo', se cambió más tarde a 'electrón', después de la partícula que George Johnstone Stoney predijo en 1874.
Sin embargo, Thomson también postuló que los electrones se distribuían por todo el átomo, que era un mar uniforme de carga positiva. Esto se conoció como el 'modelo de pudín de ciruela', que más tarde se demostraría que era incorrecto. Esto tuvo lugar en 1909, cuando los físicos Hans Gieger y Ernest Marsden (bajo la dirección de Ernest Rutherfod) llevaron a cabo su experimento utilizando láminas de metal y partículas alfa.
De acuerdo con el modelo atómico de Dalton, creían que las partículas alfa pasarían directamente a través de la lámina con poca desviación. Sin embargo, muchas de las partículas se desviaron en ángulos superiores a 90 °. Para explicar esto, Rutherford propuso que la carga positiva del átomo se concentra en un núcleo diminuto en el centro.
En 1913, el físico Niels Bohr propuso un modelo en el que los electrones orbitaban el núcleo, pero solo podían hacerlo en un conjunto finito de órbitas. También propuso que los electrones podrían saltar entre órbitas, pero solo en cambios discretos de energía correspondientes a la absorción o radiación de un fotón. Esto no solo refinó el modelo propuesto por Rutherford, sino que también dio lugar al concepto de un átomo cuantificado, donde la materia se comportaba en paquetes discretos.
El experimento de la lámina de oro realizado por Geiger, Marsden y Rutherford. Crédito: glogster.com
El desarrollo del espectrómetro de masas, que utiliza un imán para doblar la trayectoria de un haz de iones, permitió medir la masa de los átomos con mayor precisión. El químico Francis William Aston usó este instrumento para mostrar que los isótopos tenían diferentes masas. Esto a su vez fue seguido por el físico James Chadwick, quien en 1932 propuso el neutrón como una forma de explicar la existencia de isótopos.
A lo largo del siglo XX, se desarrolló aún más la naturaleza cuántica de los átomos. En 1922, los físicos alemanes Otto Stern y Walther Gerlach llevaron a cabo un experimento en el que un haz de átomos de plata se dirigía a través de un campo magnético, cuyo objetivo era dividir el haz entre la dirección del momento angular (o giro) de los átomos.
Conocido como el Stern - Experimento de Gerlach , el resultado fue que el rayo se dividió en dos partes, dependiendo de si el giro de los átomos estaba orientado hacia arriba o hacia abajo. En 1926, el físico Erwin Schrodinger utilizó la idea de partículas que se comportan como ondas para desarrollar un modelo matemático que describía a los electrones como formas de onda tridimensionales en lugar de meras partículas.
Una consecuencia del uso de formas de onda para describir partículas es que es matemáticamente imposible obtener valores precisos tanto para la posición como para el momento de una partícula en un momento dado. Ese mismo año, Werner Heisenberg formuló este problema y lo denominó “principio de incertidumbre”. Según Heisenberg, para una determinada medición precisa de la posición, solo se puede obtener un rango de valores probables para el momento, y viceversa.
Fisión nuclear, donde un átomo de uranio 92 es dividido por un neutrón libre para producir bario y criptón. Crédito: physics.stackexchange.com
En la década de 1930, los físicos descubrieron la fisión nuclear gracias a los experimentos de Otto Hahn, Lise Meitner y Otto Frisch. Los experimentos de Hahn consistieron en dirigir neutrones hacia átomos de uranio con la esperanza de crear un elemento transuranio. En cambio, el proceso convirtió su muestra de uranio-92 (Ur92) en dos nuevos elementos: bario (B56) y criptón (Kr27).
Meitner y Frisch verificaron el experimento y lo atribuyeron a que los átomos de uranio se dividieron para formar dos elementos con el mismo peso atómico total, un proceso que también liberó una cantidad considerable de energía al romper los enlaces atómicos. En los años siguientes, comenzó la investigación sobre la posible armamentización de este proceso (es decir, armas nucleares) y condujo a la construcción de las primeras bombas atómicas en los EE. UU. En 1945.
En la década de 1950, el desarrollo de aceleradores y detectores de partículas mejorados permitió a los científicos estudiar los impactos de los átomos que se movían a altas energías. A partir de esto, se desarrolló el Modelo Estándar de física de partículas, que hasta ahora ha explicado con éxito las propiedades del núcleo, la existencia de partículas subatómicas teorizadas y las fuerzas que gobiernan sus interacciones.
Experimentos modernos:
Desde la segunda mitad del siglo XX, se han producido muchos descubrimientos nuevos y emocionantes con respecto a la teoría atómica y la mecánica cuántica. Por ejemplo, en 2012, la larga búsqueda de Bosón de Higgs condujo a un gran avance en el que los investigadores que trabajan en el Organización europea de investigación nuclear (CERN) en Suiza anunció su descubrimiento.
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). Crédito: home.cern
En las últimas décadas, los físicos han dedicado una gran cantidad de tiempo y energía al desarrollo de una teoría de campo unificado (también conocida como Gran Teoría Unificadora o Teoría del todo ). En esencia, desde que se propuso por primera vez el Modelo Estándar, los científicos han tratado de comprender cómo funcionan juntas las cuatro fuerzas fundamentales del universo (gravedad, fuerzas nucleares fuertes y débiles y electromagnetismo).
Considerando que la gravedad puede entenderse utilizando Las teorías de la relatividad de Einstein , y las fuerzas nucleares y el electromagnetismo pueden entenderse utilizando Teoría cuántica , ninguna teoría puede explicar que las cuatro fuerzas actúen juntas. Los intentos de resolver esto han llevado a una serie de teorías propuestas a lo largo de los años, que van desde Teoria de las cuerdas para Bucle de gravedad cuántica . Hasta la fecha, ninguna de estas teorías ha dado lugar a un gran avance.
Nuestra comprensión del átomo ha recorrido un largo camino, desde modelos clásicos que lo veían como un sólido inerte que interactuaba mecánicamente con otros átomos, hasta teorías modernas donde los átomos están compuestos de partículas energéticas que se comportan de manera impredecible. Si bien ha llevado varios miles de años, nuestro conocimiento de la estructura fundamental de toda la materia ha avanzado considerablemente.
Y, sin embargo, quedan muchos misterios por resolver. Con tiempo y esfuerzos continuos, finalmente podremos descubrir los últimos secretos que quedan del átomo. Por otra parte, podría muy bien ser que cualquier descubrimiento nuevo que hagamos solo dé lugar a más preguntas, ¡y podrían ser aún más confusas que las que surgieron antes!
Hemos escrito muchos artículos sobre el átomo para Universe Today. Aquí hay un artículo sobre El modelo atómico de John Dalton , El modelo atómico de Neils Bohr , ¿Quién fue Demócrito ?, y ¿Cuántos átomos hay en el universo?
Si desea obtener más información sobre el átomo, consulte Artículo de la NASA sobre el análisis de pequeñas muestras , y aquí hay un vínculo a Artículo de la NASA sobre átomos, elementos e isótopos .
También grabamos un episodio completo de Astronomy Cast sobre el átomo. Escucha aqui, Episodio 164: Dentro del átomo , Episodio 263: Desintegración radiactiva , y Episodio 394: El modelo estándar, bosones .