El átomo es la partícula básica de los elementos químicos . Un átomo consta de un núcleo de protones y generalmente neutrones , rodeado por un enjambre de electrones unidos electromagnéticamente . Los elementos químicos se distinguen entre sí por el número de protones que hay en sus átomos. Por ejemplo, cualquier átomo que contenga 11 protones es sodio , y cualquier átomo que contenga 29 protones es cobre . Los átomos que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones se denominan isótopos del mismo elemento.
Los átomos son extremadamente pequeños, normalmente de unos 100 picómetros de diámetro. Un cabello humano tiene aproximadamente un millón de átomos de carbono de ancho. Es más pequeña que la longitud de onda más corta de la luz visible, lo que significa que los humanos no pueden ver los átomos con los microscopios convencionales. Los átomos son tan pequeños que no es posible predecir con precisión su comportamiento utilizando la física clásica debido a los efectos cuánticos .
Más del 99,94% de la masa de un átomo se encuentra en el núcleo. Los protones tienen carga eléctrica positiva y los neutrones no tienen carga, por lo que el núcleo está cargado positivamente. Los electrones están cargados negativamente y esta carga opuesta es la que los une al núcleo. Si el número de protones y electrones es igual, como suele ser, entonces el átomo es eléctricamente neutro en su conjunto. Si un átomo tiene más electrones que protones, entonces tiene una carga negativa general y se llama ion (o anión) negativo. Por el contrario, si tiene más protones que electrones, tiene carga positiva y se llama ion (o catión) positivo.
Los electrones de un átomo son atraídos por los protones en un núcleo atómico por la fuerza electromagnética . Los protones y neutrones del núcleo se atraen entre sí por la fuerza nuclear . Esta fuerza suele ser más fuerte que la fuerza electromagnética que repele a los protones cargados positivamente entre sí. En determinadas circunstancias, la fuerza electromagnética repulsiva se vuelve más fuerte que la fuerza nuclear. En este caso, el núcleo se divide y deja atrás diferentes elementos . Esta es una forma de desintegración nuclear .
Los átomos pueden unirse a uno o más átomos mediante enlaces químicos para formar compuestos químicos como moléculas o cristales . La capacidad de los átomos para unirse y separarse entre sí es responsable de la mayoría de los cambios físicos observados en la naturaleza. La química es la ciencia que estudia estos cambios.
La idea básica de que la materia está formada por pequeñas partículas indivisibles es una idea antigua que apareció en muchas culturas antiguas. La palabra átomo se deriva de la antigua palabra griega atomos , [a] que significa "incortable". Esta antigua idea se basaba en razonamientos filosóficos más que en razonamientos científicos. La teoría atómica moderna no se basa en estos viejos conceptos. [1] [2] A principios del siglo XIX, el científico John Dalton notó que las sustancias químicas parecían combinarse entre sí mediante unidades de peso discretas y consistentes, y decidió usar la palabra átomo para referirse a estas unidades. [3]
A principios del siglo XIX, el químico inglés John Dalton recopiló datos experimentales recopilados por él y otros científicos y descubrió un patrón que ahora se conoce como la " ley de proporciones múltiples ". Observó que en los compuestos químicos que contienen dos elementos químicos particulares, el contenido del Elemento A por unidad del Elemento B diferirá entre estos compuestos en proporciones de números enteros pequeños. Este patrón sugería que los elementos se combinan entre sí mediante unidades de peso discretas, y Dalton decidió llamar a estas unidades "átomos". [4]
Por ejemplo, existen dos tipos de óxido de estaño : uno es un polvo gris que contiene 88,1% de estaño y 11,9% de oxígeno, y el otro es un polvo blanco que contiene 78,7% de estaño y 21,3% de oxígeno. Ajustando estas cifras, en el polvo gris hay unos 13,5 g de oxígeno por cada 100 g de estaño, y en el polvo blanco hay unos 27 g de oxígeno por cada 100 g de estaño. 13,5 y 27 forman una proporción de 1:2. Dalton concluyó que en estos óxidos, por cada átomo de estaño hay uno o dos átomos de oxígeno respectivamente ( SnO y SnO 2 ). [5] [6]
Dalton también analizó los óxidos de hierro . Hay un tipo de óxido de hierro que es un polvo negro que tiene 78,1% de hierro y 21,9% de oxígeno; y hay otro óxido de hierro que es un polvo rojo que tiene 70,4% de hierro y 29,6% de oxígeno. Ajustando estas cifras, en la pólvora negra hay unos 28 g de oxígeno por cada 100 g de hierro, y en la polvo roja hay unos 42 g de oxígeno por cada 100 g de hierro. 28 y 42 forman una proporción de 2:3. Dalton concluyó que en estos óxidos, por cada dos átomos de hierro, hay dos o tres átomos de oxígeno respectivamente ( Fe 2 O 2 y Fe 2 O 3 ). [b] [7] [8]
Como ejemplo final: el óxido nitroso es 63,3% de nitrógeno y 36,7% de oxígeno, el óxido nítrico es 44,05% de nitrógeno y 55,95% de oxígeno, y el dióxido de nitrógeno es 29,5% de nitrógeno y 70,5% de oxígeno. Ajustando estas cifras, en el óxido nitroso hay 80 g de oxígeno por cada 140 g de nitrógeno, en el óxido nítrico hay unos 160 g de oxígeno por cada 140 g de nitrógeno, y en el dióxido de nitrógeno hay 320 g de oxígeno por cada 140 g. g de nitrógeno. 80, 160 y 320 forman una proporción de 1:2:4. Las fórmulas respectivas de estos óxidos son N 2 O , NO y NO 2 . [9] [10]
Los científicos descubrieron que algunas sustancias tienen exactamente el mismo contenido químico pero propiedades diferentes. Por ejemplo, en 1827, Friedrich Wöhler descubrió que el fulminato de plata y el cianato de plata constan de 107 partes de plata, 12 partes de carbono, 14 partes de nitrógeno y 12 partes de oxígeno (ahora conocemos sus fórmulas como AgCNO). En 1830 , Jöns Jacob Berzelius introdujo el término isomería para describir el fenómeno. En 1860, Louis Pasteur planteó la hipótesis de que las moléculas de los isómeros podrían tener el mismo conjunto de átomos pero en diferentes disposiciones. [11]
En 1874, Jacobus Henricus van 't Hoff propuso que el átomo de carbono se une a otros átomos en una disposición tetraédrica. A partir de esto, explicó las estructuras de las moléculas orgánicas de tal manera que podía predecir cuántos isómeros podría tener un compuesto. Consideremos, por ejemplo, el pentano (C 5 H 12 ). En la forma en que van 't Hoff modela las moléculas, hay tres configuraciones posibles para el pentano, y los científicos descubrieron tres y sólo tres isómeros del pentano. [12] [13]
En 1870, Dmitri Mendeleev observó que cuando ordenaba los elementos en una fila según sus pesos atómicos, había una cierta periodicidad en sus propiedades. [14] Por ejemplo, el segundo elemento, el litio , tenía propiedades similares al noveno elemento, el sodio , y al decimosexto elemento, el potasio , un período de siete. Asimismo, el berilio , el magnesio y el calcio eran similares y todos estaban separados por siete lugares entre sí en la tabla de Mendeleev. Utilizando estos patrones, Mendeleev predijo la existencia y propiedades de nuevos elementos que luego se descubrieron en la naturaleza: escandio , galio y germanio . [15] Además, la tabla periódica podría predecir con cuántos átomos de otros elementos podría unirse un átomo; por ejemplo, el átomo de carbono y el átomo de germanio se combinarán con dos átomos de oxígeno y estos elementos están en el mismo grupo. Mendeleev encontró que estos patrones validaban la teoría atómica porque demostraba que los elementos podían clasificarse por su peso atómico.
En 1897, JJ Thomson descubrió que los rayos catódicos no son ondas electromagnéticas sino que están formados por partículas porque pueden ser desviados por campos eléctricos y magnéticos. Midió que estas partículas eran 1.800 veces más ligeras que el hidrógeno (el átomo más ligero). Thomson concluyó que estas partículas procedían de los átomos dentro del cátodo: eran partículas subatómicas . Llamó a estas nuevas partículas corpúsculos , pero luego fueron rebautizadas como electrones . Thomson también demostró que los electrones eran idénticos a las partículas emitidas por materiales fotoeléctricos y radiactivos. [16] Rápidamente se reconoció que los electrones son las partículas que transportan corrientes eléctricas en cables metálicos. [17] Thomson concluyó que estos electrones emergieron de los mismos átomos del cátodo en sus instrumentos, lo que significaba que los átomos no son indivisibles como pensaba Dalton.
JJ Thomson pensó que los electrones cargados negativamente estaban distribuidos por todo el átomo en un mar de carga positiva que se distribuía por todo el volumen del átomo. [18] Este modelo a veces se conoce como modelo del pudín de ciruelas .
Entre 1908 y 1913, Ernest Rutherford y sus colegas Hans Geiger y Ernest Marsden realizaron una serie de experimentos en los que bombardearon finas láminas de metal con partículas alfa. Hicieron esto para medir los patrones de dispersión de las partículas alfa. Observaron partículas alfa desviadas en ángulos superiores a 90°. Esto no debería haber sido posible según el modelo atómico de Thomson, cuyas cargas eran demasiado difusas para producir un campo eléctrico suficientemente fuerte. Rutherford propuso que la carga positiva del átomo no se distribuye por todo el volumen del átomo como creía Thomson, sino que se concentra en un pequeño núcleo en el centro. Sólo una concentración de carga tan intensa podría producir un campo eléctrico lo suficientemente fuerte como para desviar las partículas alfa tal como se observan. [19]
En 1913, el físico Niels Bohr propuso un modelo en el que se suponía que los electrones de un átomo orbitaban alrededor del núcleo, pero sólo podían hacerlo en un conjunto finito de órbitas, y podían saltar entre estas órbitas sólo en cambios discretos de energía correspondientes a la absorción. o radiación de un fotón. [20] Esta cuantificación se utilizó para explicar por qué las órbitas de los electrones son estables (dado que en la física clásica, las cargas en aceleración, incluido el movimiento circular, pierden energía cinética que se emite como radiación electromagnética) y por qué los elementos absorben y emiten radiación electromagnética en espectros discretos. [21]
Más tarde, ese mismo año, Henry Moseley proporcionó evidencia experimental adicional a favor de la teoría de Niels Bohr . Estos resultados refinaron el modelo de Ernest Rutherford y Antonius van den Broek , que proponían que el átomo contiene en su núcleo un número de cargas nucleares positivas igual a su número (atómico) en la tabla periódica. Hasta estos experimentos, no se sabía que el número atómico fuera una cantidad física y experimental. Que sea igual a la carga nuclear atómica sigue siendo el modelo atómico aceptado hoy en día. [22]
Los enlaces químicos entre átomos fueron explicados por Gilbert Newton Lewis en 1916, como las interacciones entre los electrones que los constituyen. [23] Como se sabía que las propiedades químicas de los elementos se repetían en gran medida según la ley periódica , [24] en 1919 el químico estadounidense Irving Langmuir sugirió que esto podría explicarse si los electrones de un átomo estuvieran conectados o agrupados en alguna manera. Se pensaba que los grupos de electrones ocupaban un conjunto de capas electrónicas alrededor del núcleo. [25]
El modelo atómico de Bohr fue el primer modelo físico completo del átomo. Describió la estructura general del átomo, cómo se unen los átomos entre sí y predijo las líneas espectrales del hidrógeno. El modelo de Bohr no era perfecto y pronto fue reemplazado por el modelo de Schrödinger, más preciso, pero fue suficiente para evaporar cualquier duda restante de que la materia está compuesta de átomos. Para los químicos, la idea del átomo había sido una herramienta heurística útil, pero los físicos tenían dudas sobre si la materia realmente estaba compuesta de átomos, ya que nadie había desarrollado todavía un modelo físico completo del átomo.
En 1917, Rutherford bombardeó gas nitrógeno con partículas alfa y observó que el gas emitía núcleos de hidrógeno (Rutherford los reconoció porque los había obtenido previamente bombardeando hidrógeno con partículas alfa y observando núcleos de hidrógeno en los productos). Rutherford concluyó que los núcleos de hidrógeno emergían de los núcleos de los propios átomos de nitrógeno (de hecho, había dividido un nitrógeno). [26]
Por su propio trabajo y el de sus alumnos Bohr y Henry Moseley , Rutherford sabía que la carga positiva de cualquier átomo siempre podía equipararse a la de un número entero de núcleos de hidrógeno. Esto, junto con el hecho de que la masa atómica de muchos elementos era aproximadamente equivalente a un número entero de átomos de hidrógeno (que entonces se suponía que eran las partículas más ligeras), lo llevó a concluir que los núcleos de hidrógeno eran partículas singulares y un constituyente básico de todos los núcleos atómicos. A tales partículas las llamó protones . Otros experimentos realizados por Rutherford descubrieron que la masa nuclear de la mayoría de los átomos excedía la de los protones que poseía; especuló que este excedente de masa estaba compuesto de partículas con carga neutra previamente desconocidas, que tentativamente fueron denominadas " neutrones ".
En 1928, Walter Bothe observó que el berilio emitía una radiación eléctricamente neutra y muy penetrante cuando era bombardeado con partículas alfa. Más tarde se descubrió que esta radiación podía eliminar los átomos de hidrógeno de la cera de parafina . Inicialmente se pensó que se trataba de radiación gamma de alta energía , ya que la radiación gamma tenía un efecto similar sobre los electrones de los metales, pero James Chadwick descubrió que el efecto de ionización era demasiado fuerte para que se debiera a la radiación electromagnética, siempre y cuando la energía y el impulso se conservaron en la interacción. En 1932, Chadwick expuso varios elementos, como el hidrógeno y el nitrógeno, a la misteriosa "radiación de berilio" y, midiendo las energías de las partículas cargadas en retroceso, dedujo que la radiación en realidad estaba compuesta de partículas eléctricamente neutras que no podían carecer de masa. como el rayo gamma, sino que debían tener una masa similar a la de un protón. Chadwick ahora afirmó que estas partículas eran los neutrones de Rutherford. [27] Por su descubrimiento del neutrón, Chadwick recibió el Premio Nobel en 1935. [28]
El descubrimiento del neutrón explicó la existencia de los isótopos , que son átomos de un mismo elemento que tienen masas ligeramente diferentes, debido a que tienen distinto número de neutrones pero el mismo número de protones.
En 1925, Werner Heisenberg publicó la primera formulación matemática coherente de la mecánica cuántica ( mecánica matricial ). [22] Un año antes, Louis de Broglie había propuesto que todas las partículas se comportaban como ondas hasta cierto punto, [29] y en 1926 Erwin Schroedinger utilizó esta idea para desarrollar la ecuación de Schroedinger , un modelo matemático del átomo que describía a los electrones como formas de onda tridimensionales en lugar de puntos en el espacio. [30]
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. Esto se conoció como principio de incertidumbre , formulado por Werner Heisenberg en 1927. [22] En este concepto, para una precisión dada en la medición de una posición, solo se podía obtener un rango de valores probables para el momento, y viceversa. [31] Este modelo fue capaz de explicar observaciones del comportamiento atómico que los modelos anteriores no podían, como ciertos patrones estructurales y espectrales de átomos más grandes que el hidrógeno. Así, el modelo planetario del átomo fue descartado en favor de uno que describía zonas orbitales atómicas alrededor del núcleo donde es más probable observar un electrón determinado. [32] [33]
Aunque la palabra átomo originalmente denotaba una partícula que no se puede dividir en partículas más pequeñas, en el uso científico moderno el átomo está compuesto de varias partículas subatómicas . Las partículas constituyentes de un átomo son el electrón , el protón y el neutrón .
El electrón es la menos masiva de estas partículas por cuatro órdenes de magnitud en9,11 × 10 −31 kg , con una carga eléctrica negativa y un tamaño demasiado pequeño para medirlo con las técnicas disponibles. [34] Era la partícula más ligera con una masa en reposo positiva medida, hasta el descubrimiento de la masa del neutrino . En condiciones normales, los electrones están unidos al núcleo cargado positivamente por la atracción creada por cargas eléctricas opuestas. Si un átomo tiene más o menos electrones que su número atómico, entonces en su conjunto queda cargado, respectivamente, negativa o positivamente; un átomo cargado se llama ion . Los electrones se conocen desde finales del siglo XIX, sobre todo gracias a JJ Thomson ; consulte la historia de la física subatómica para obtener más detalles.
Los protones tienen carga positiva y una masa de1,6726 × 10 −27 kg . El número de protones en un átomo se llama número atómico . Ernest Rutherford (1919) observó que el nitrógeno sometido al bombardeo de partículas alfa expulsa lo que parecían ser núcleos de hidrógeno. En 1920 había aceptado que el núcleo de hidrógeno es una partícula distinta dentro del átomo y lo llamó protón .
Los neutrones no tienen carga eléctrica y tienen una masa de1,6749 × 10 −27 kg . [35] [36] Los neutrones son las más pesadas de las tres partículas constituyentes, pero su masa puede reducirse mediante la energía de enlace nuclear . Los neutrones y los protones (conocidos colectivamente como nucleones ) tienen dimensiones comparables, del orden de2,5 × 10 −15 m , aunque la "superficie" de estas partículas no está claramente definida. [37] El neutrón fue descubierto en 1932 por el físico inglés James Chadwick .
En el modelo estándar de física, los electrones son partículas verdaderamente elementales sin estructura interna, mientras que los protones y neutrones son partículas compuestas de partículas elementales llamadas quarks . Hay dos tipos de quarks en los átomos, cada uno de los cuales tiene una carga eléctrica fraccionada. Los protones están compuestos por dos quarks up (cada uno con carga +2/3) y un quark down (con una carga de -1/3). Los neutrones constan de un quark arriba y dos quarks abajo. Esta distinción explica la diferencia de masa y carga entre las dos partículas. [38] [39]
Los quarks se mantienen unidos mediante la interacción fuerte (o fuerza fuerte), que está mediada por los gluones . Los protones y neutrones, a su vez, están unidos entre sí en el núcleo por la fuerza nuclear , que es un residuo de la fuerza fuerte que tiene propiedades de alcance algo diferentes (consulte el artículo sobre la fuerza nuclear para obtener más información). El gluón es un miembro de la familia de los bosones de calibre , que son partículas elementales que median las fuerzas físicas. [38] [39]
Todos los protones y neutrones unidos en un átomo forman un pequeño núcleo atómico y en conjunto se denominan nucleones . El radio de un núcleo es aproximadamente igual a femtómetros , donde es el número total de nucleones. [40] Esto es mucho más pequeño que el radio del átomo, que es del orden de 10 5 fm. Los nucleones están unidos por un potencial de atracción de corto alcance llamado fuerza fuerte residual . A distancias inferiores a 2,5 fm, esta fuerza es mucho más poderosa que la fuerza electrostática que hace que los protones cargados positivamente se repelan entre sí. [41]
Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, llamado número atómico . Dentro de un solo elemento, el número de neutrones puede variar, determinando el isótopo de ese elemento. El número total de protones y neutrones determina el nucleido . El número de neutrones en relación con los protones determina la estabilidad del núcleo, y ciertos isótopos sufren desintegración radiactiva . [42]
El protón, el electrón y el neutrón se clasifican como fermiones . Los fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli que prohíbe que fermiones idénticos , como múltiples protones, ocupen el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Por tanto, cada protón del núcleo debe ocupar un estado cuántico diferente del de todos los demás protones, y lo mismo se aplica a todos los neutrones del núcleo y a todos los electrones de la nube de electrones. [43]
Un núcleo que tiene una cantidad diferente de protones que de neutrones puede potencialmente caer a un estado de energía más baja a través de una desintegración radiactiva que hace que la cantidad de protones y neutrones coincida más. Como resultado, los átomos con números iguales de protones y neutrones son más estables frente a la desintegración, pero a medida que aumenta el número atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción cada vez mayor de neutrones para mantener la estabilidad del núcleo. [43]
El número de protones y neutrones en el núcleo atómico se puede modificar, aunque esto puede requerir energías muy altas debido a la fuerza fuerte. La fusión nuclear ocurre cuando múltiples partículas atómicas se unen para formar un núcleo más pesado, como por ejemplo mediante la colisión energética de dos núcleos. Por ejemplo, en el núcleo del Sol los protones requieren energías de 3 a 10 keV para superar su repulsión mutua (la barrera de Coulomb ) y fusionarse en un solo núcleo. [44] La fisión nuclear es el proceso opuesto, que hace que un núcleo se divida en dos núcleos más pequeños, generalmente a través de desintegración radiactiva. El núcleo también puede modificarse mediante bombardeo con partículas subatómicas o fotones de alta energía. Si esto modifica el número de protones en un núcleo, el átomo cambia a un elemento químico diferente. [45] [46]
Si la masa del núcleo después de una reacción de fusión es menor que la suma de las masas de las partículas separadas, entonces la diferencia entre estos dos valores puede emitirse como un tipo de energía utilizable (como un rayo gamma , o la energía cinética). de una partícula beta ), como lo describe la fórmula de equivalencia masa-energía de Albert Einstein , e=mc 2 , donde m es la pérdida de masa y c es la velocidad de la luz . Este déficit es parte de la energía de unión del nuevo núcleo, y es la pérdida no recuperable de energía la que hace que las partículas fusionadas permanezcan juntas en un estado que requiere esta energía para separarse. [47]
La fusión de dos núcleos que crean núcleos más grandes con números atómicos más bajos que el hierro y el níquel (un número total de nucleones de aproximadamente 60) suele ser un proceso exotérmico que libera más energía de la necesaria para unirlos. [48] Es este proceso de liberación de energía el que hace que la fusión nuclear en las estrellas sea una reacción autosostenida. Para núcleos más pesados, la energía de enlace por nucleón comienza a disminuir. Eso significa que un proceso de fusión que produce un núcleo que tiene un número atómico superior a aproximadamente 26 y un número másico superior a aproximadamente 60 es un proceso endotérmico . Por tanto, los núcleos más masivos no pueden sufrir una reacción de fusión que produzca energía y que pueda mantener el equilibrio hidrostático de una estrella. [43]
Los electrones de un átomo son atraídos por los protones del núcleo por la fuerza electromagnética . Esta fuerza une a los electrones dentro de un pozo de potencial electrostático que rodea el núcleo más pequeño, lo que significa que se necesita una fuente externa de energía para que el electrón escape. Cuanto más cerca esté un electrón del núcleo, mayor será la fuerza de atracción. Por lo tanto, los electrones unidos cerca del centro del pozo de potencial requieren más energía para escapar que aquellos que se encuentran a mayores separaciones.
Los electrones, al igual que otras partículas, tienen propiedades tanto de partícula como de onda . La nube de electrones es una región dentro del pozo de potencial donde cada electrón forma un tipo de onda estacionaria tridimensional , una forma de onda que no se mueve con respecto al núcleo. Este comportamiento está definido por un orbital atómico , una función matemática que caracteriza la probabilidad de que un electrón parezca estar en un lugar particular cuando se mide su posición. [49] Sólo existe un conjunto discreto (o cuantificado) de estos orbitales alrededor del núcleo, ya que otros posibles patrones de ondas decaen rápidamente hacia una forma más estable. [50] Los orbitales pueden tener una o más estructuras de anillos o nodos y diferir entre sí en tamaño, forma y orientación. [51]
Cada orbital atómico 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. Asimismo, mediante emisión espontánea , 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. Estos valores de energía característicos, definidos por las diferencias en las energías de los estados cuánticos, son responsables de las líneas espectrales atómicas . [50]
La cantidad de energía necesaria para eliminar o añadir un electrón (la energía de unión del electrón ) es mucho menor que la energía de unión de los nucleones . Por ejemplo, se necesitan sólo 13,6 eV para arrancar un electrón en estado fundamental de un átomo de hidrógeno, [52] en comparación con 2,23 millones de eV para dividir un núcleo de deuterio . [53] Los átomos son eléctricamente neutros si tienen el mismo número de protones y electrones. Los átomos que tienen déficit o excedente de electrones se llaman iones . Los electrones que están más alejados del núcleo pueden transferirse a otros átomos cercanos o compartirse entre átomos. Mediante este mecanismo, los átomos pueden unirse formando moléculas y otros tipos de compuestos químicos como cristales de redes iónicas y covalentes . [54]
Por definición, dos átomos cualesquiera con idéntico número de protones en sus núcleos pertenecen al mismo elemento químico . Los átomos con igual número de protones pero diferente número de neutrones son isótopos diferentes del mismo elemento. Por ejemplo, todos los átomos de hidrógeno admiten exactamente un protón, pero existen isótopos sin neutrones ( hidrógeno-1 , con diferencia la forma más común, [55] también llamado protio), un neutrón ( deuterio ), dos neutrones ( tritio ) y más. que dos neutrones . Los elementos conocidos forman un conjunto de números atómicos, desde el elemento de un solo protón hidrógeno hasta el elemento de 118 protones oganesson . [56] Todos los isótopos conocidos de elementos con números atómicos superiores a 82 son radiactivos, aunque la radiactividad del elemento 83 ( bismuto ) es tan leve que resulta prácticamente insignificante. [57] [58]
Alrededor de 339 nucleidos se encuentran naturalmente en la Tierra , [59] de los cuales 251 (alrededor del 74%) no se ha observado que se desintegren, y se los conoce como " isótopos estables ". Sólo 90 nucleidos son teóricamente estables , mientras que otros 161 (llevando el total a 251) no se ha observado que se desintegren, aunque en teoría es energéticamente posible. Estos también se clasifican formalmente como "estables". Otros 35 nucleidos radiactivos tienen vidas medias superiores a 100 millones de años y son lo suficientemente longevos como para haber estado presentes desde el nacimiento del Sistema Solar . Esta colección de 286 nucleidos se conoce como nucleidos primordiales . Finalmente, se sabe que otros 53 nucleidos de vida corta se producen naturalmente, como productos hijos de la desintegración de nucleidos primordiales (como el radio del uranio ), o como productos de procesos energéticos naturales en la Tierra, como el bombardeo de rayos cósmicos (por ejemplo, el carbono). -14). [60] [nota 1]
Para 80 de los elementos químicos existe al menos un isótopo estable . Como regla general, sólo hay un puñado de isótopos estables para cada uno de estos elementos, siendo el promedio de 3,1 isótopos estables por elemento. Veintiséis " elementos monoisotópicos " tienen un solo isótopo estable, mientras que el mayor número de isótopos estables observados para cualquier elemento es diez, para el elemento estaño . Los elementos 43 , 61 y todos los elementos numerados 83 o superiores no tienen isótopos estables. [61] : 1–12
La estabilidad de los isótopos se ve afectada por la proporción de protones a neutrones, así como por la presencia de ciertos "números mágicos" de neutrones o protones que representan capas cuánticas cerradas y llenas. Estas capas cuánticas corresponden a un conjunto de niveles de energía dentro del modelo de capa del núcleo; Las capas llenas, como la capa llena de 50 protones del estaño, confieren una estabilidad inusual al nucleido. De los 251 nucleidos estables conocidos, sólo cuatro tienen un número impar de protones y un número impar de neutrones: hidrógeno-2 ( deuterio ), litio-6 , boro-10 y nitrógeno-14 . ( El tantalio-180m es impar y estable desde el punto de vista observacional, pero se prevé que se desintegrará con una vida media muy larga). Además, sólo cuatro nucleidos radiactivos impar y extraños de origen natural tienen una vida media de más de mil millones de años: el potasio-180m. 40 , vanadio-50 , lantano-138 y lutecio-176 . La mayoría de los núcleos impares son muy inestables con respecto a la desintegración beta , porque los productos de desintegración son pares-pares y, por tanto, están más fuertemente unidos, debido a los efectos del apareamiento nuclear . [62]
La gran mayoría de la masa de un átomo proviene de los protones y neutrones que lo componen. El número total de estas partículas (llamadas "nucleones") en un átomo determinado se llama número másico . Es un número entero positivo y adimensional (en lugar de tener dimensión de masa), porque expresa una cuenta. Un ejemplo de uso de un número de masa es el "carbono-12", que tiene 12 nucleones (seis protones y seis neutrones).
La masa real de un átomo en reposo a menudo se expresa en daltons (Da), también llamada unidad de masa atómica unificada (u). Esta unidad se define como una doceava parte de la masa de un átomo neutro libre de carbono-12 , que es aproximadamente1,66 × 10 −27 kg . [63] El hidrógeno-1 (el isótopo más ligero del hidrógeno y también el nucleido con menor masa) tiene un peso atómico de 1,007825 Da. [64] El valor de este número se llama masa atómica . Un átomo dado tiene una masa atómica aproximadamente igual (dentro del 1%) a su número de masa multiplicado por la unidad de masa atómica (por ejemplo, la masa de un nitrógeno-14 es aproximadamente 14 Da), pero este número no será exactamente un número entero excepto ( por definición) en el caso del carbono-12. [65] El átomo estable más pesado es el plomo-208, [57] con una masa de207.976 6521 Da . [66]
Como incluso los átomos más masivos son demasiado ligeros para trabajar con ellos directamente, los químicos utilizan la unidad de moles . Un mol de átomos de cualquier elemento siempre tiene el mismo número de átomos (aproximadamente6,022 × 10 23 ). 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 unidad de masa atómica unificada , cada átomo de carbono 12 tiene una masa atómica de exactamente 12 Da, por lo que un mol de átomos de carbono 12 pesa exactamente 0,012 kg. [63]
Los átomos carecen de un límite exterior bien definido, por lo que sus dimensiones suelen describirse en términos de radio atómico . Esta es una medida de la distancia a la que se extiende la nube de electrones desde el núcleo. [67] Esto supone que el átomo exhibe una forma esférica, que sólo se cumple para los átomos en el vacío o en el espacio libre. Los radios atómicos pueden derivarse de las distancias entre dos núcleos cuando los dos átomos están unidos en un enlace químico . El radio varía con la ubicación de un átomo en la carta atómica, el tipo de enlace químico, el número de átomos vecinos ( número de coordinación ) y una propiedad de la mecánica cuántica conocida como espín . [68] En la tabla periódica de los elementos, el tamaño del átomo tiende a aumentar cuando se mueve hacia abajo en las columnas, pero disminuye cuando se mueve a través de filas (de izquierda a derecha). [69] En consecuencia, el átomo más pequeño es el helio con un radio de 32 pm , mientras que uno de los más grandes es el cesio con 225 pm. [70]
Cuando se somete a fuerzas externas, como campos eléctricos , la forma de un átomo puede desviarse de la simetría esférica . La deformación depende de la magnitud del campo y del tipo de orbital de los electrones de la capa exterior, como lo demuestran las consideraciones de teoría de grupos . Se podrían provocar desviaciones asféricas, por ejemplo, en cristales , donde pueden producirse grandes campos eléctricos cristalinos en sitios de red de baja simetría . [71] [72] Se ha demostrado que se producen deformaciones elipsoidales significativas para los iones azufre [73] y los iones calcógeno [74] en compuestos de tipo pirita .
Las dimensiones atómicas son miles de veces más pequeñas que las longitudes de onda de la luz (400 a 700 nm ), por lo que no se pueden observar con un microscopio óptico , aunque los átomos individuales se pueden observar con un microscopio de efecto túnel . Para visualizar la pequeñez del átomo, considere que un cabello humano típico tiene aproximadamente 1 millón de átomos de carbono de ancho. [75] Una sola gota de agua contiene alrededor de 2 sextillones (2 × 10 21 ) átomos de oxígeno y el doble de átomos de hidrógeno. [76] Un diamante de un solo quilate con una masa de2 × 10 −4 kg contiene aproximadamente 10 sextillones (10 22 ) átomos de carbono . [nota 2] Si una manzana se ampliara al tamaño de la Tierra, entonces los átomos de la manzana serían aproximadamente del tamaño de la manzana original. [77]
Cada elemento tiene uno o más isótopos que tienen núcleos inestables que están sujetos a desintegración radiactiva, lo que hace que el núcleo emita partículas o radiación electromagnética. La radiactividad puede ocurrir cuando el radio de un núcleo es grande en comparación con el radio de la fuerza fuerte, que sólo actúa en distancias del orden de 1 fm. [78]
Las formas más comunes de desintegración radiactiva son: [79] [80]
Otros tipos más raros de desintegración radiactiva incluyen la eyección de neutrones o protones o grupos de nucleones de un núcleo, o más de una partícula beta . Un análogo de la emisión gamma que permite a los núcleos excitados perder energía de una manera diferente es la conversión interna , un proceso que produce electrones de alta velocidad que no son rayos beta, seguido de la producción de fotones de alta energía que no son rayos gamma. Unos pocos núcleos grandes explotan en dos o más fragmentos cargados de masas variables más varios neutrones, en una desintegración llamada fisión nuclear espontánea .
Cada isótopo radiactivo tiene un período de tiempo de desintegración característico (la vida media ) que está determinado por la cantidad de tiempo necesario para que se desintegre la mitad de una muestra. Se trata de un proceso de desintegración exponencial que disminuye constantemente la proporción del isótopo restante en un 50% en cada vida media. Por lo tanto, después de dos vidas medias sólo está presente el 25% del isótopo, y así sucesivamente. [78]
Las partículas elementales poseen una propiedad mecánica cuántica intrínseca conocida como espín . Esto es análogo al momento angular de un objeto que gira alrededor de su centro de masa , aunque estrictamente hablando se cree que estas partículas son puntuales y no se puede decir que estén girando. El espín se mide en unidades de la constante de Planck reducida (ħ), y los electrones, protones y neutrones tienen espín 1 ⁄ 2 ħ, o "espín- 1 ⁄ 2 ". En un átomo, los electrones en movimiento alrededor del núcleo poseen un momento angular orbital además de su espín, mientras que el propio núcleo posee un momento angular debido a su espín nuclear. [81]
El campo magnético producido por un átomo (su momento magnético ) está determinado por estas diversas formas de momento angular, del mismo modo que un objeto cargado en rotación produce clásicamente un campo magnético, pero la contribución más dominante proviene del espín del electrón. Debido a que la naturaleza de los electrones obedece al principio de exclusión de Pauli , en el que no se pueden encontrar dos electrones en el mismo estado cuántico , los electrones ligados se emparejan entre sí, con un miembro de cada par en un estado de espín y el otro en lo contrario, estado de giro hacia abajo. Por lo tanto, estos espines se cancelan entre sí, reduciendo el momento dipolar magnético total a cero en algunos átomos con un número par de electrones. [82]
En elementos ferromagnéticos como el hierro, el cobalto y el níquel, un número impar de electrones da lugar a un electrón desapareado y a un momento magnético general neto. Los orbitales de los átomos vecinos se superponen y se logra un estado de menor energía cuando los espines de los electrones desapareados se alinean entre sí, un proceso espontáneo conocido como interacción de intercambio . Cuando los momentos magnéticos de los átomos ferromagnéticos están alineados, el material puede producir un campo macroscópico mensurable. Los materiales paramagnéticos tienen átomos con momentos magnéticos que se alinean en direcciones aleatorias cuando no hay campo magnético presente, pero los momentos magnéticos de los átomos individuales se alinean en presencia de un campo. [82] [83]
El núcleo de un átomo no tendrá espín cuando tenga números pares tanto de neutrones como de protones, pero en otros casos de números impares, el núcleo puede tener espín. Normalmente, los núcleos con espín se alinean en direcciones aleatorias debido al equilibrio térmico , pero para ciertos elementos (como el xenón-129 ) es posible polarizar una proporción significativa de los estados de espín nuclear para que estén alineados en la misma dirección, una condición llamada hiperpolarización . Esto tiene importantes aplicaciones en imágenes por resonancia magnética . [84] [85]
La energía potencial de un electrón en un átomo es negativa respecto a cuando la distancia del núcleo llega al infinito ; su dependencia de la posición del electrón alcanza el mínimo dentro del núcleo, aproximadamente en proporción inversa a la distancia. En el modelo mecánico-cuántico, un electrón ligado sólo puede ocupar un conjunto de estados centrados en el núcleo, y cada estado corresponde a un nivel de energía específico ; consulte la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo para obtener una explicación teórica. Un nivel de energía se puede medir por la cantidad de energía necesaria para desligar el electrón del átomo y generalmente se expresa en unidades de electronvoltios (eV). El estado de menor energía de un electrón ligado se denomina estado fundamental, es decir, estado estacionario , mientras que la transición de un electrón a un nivel superior da como resultado un estado excitado. [86] La energía del electrón aumenta junto con n porque aumenta la distancia (promedio) al núcleo. La dependencia de la energía de ℓ no se debe al potencial electrostático del núcleo, sino a la interacción entre los electrones.
Para que un electrón pase entre dos estados diferentes , por ejemplo , del estado fundamental al primer estado excitado , debe absorber o emitir un fotón con una energía que coincida con la diferencia en la energía potencial de esos niveles, según el modelo de Niels Bohr , lo que puede ser precisamente calculado por la ecuación de Schrödinger . Los electrones saltan entre orbitales como si fueran partículas. Por ejemplo, si un solo fotón choca contra los electrones, solo un electrón cambia de estado en respuesta al fotón; ver Propiedades de los electrones .
La energía de un fotón emitido es proporcional a su frecuencia , por lo que estos niveles de energía específicos aparecen como bandas distintas en el espectro electromagnético . [87] Cada elemento tiene un espectro característico que puede depender de la carga nuclear, las subcapas llenas de electrones, las interacciones electromagnéticas entre los electrones y otros factores. [88]
Cuando un espectro continuo de energía pasa a través de un gas o plasma, algunos de los fotones son absorbidos por los átomos, lo que hace que los electrones cambien su nivel de energía. Los electrones excitados que permanecen unidos a su átomo emiten espontáneamente esta energía en forma de fotón, viajando en una dirección aleatoria y, por lo tanto, vuelven a caer a niveles de energía más bajos. Así, los átomos se comportan como un filtro que forma una serie de bandas oscuras de absorción en la salida de energía. (Un observador que observa los átomos desde una vista que no incluye el espectro continuo en el fondo, ve en cambio una serie de líneas de emisión de los fotones emitidos por los átomos). Las mediciones espectroscópicas de la fuerza y el ancho de las líneas espectrales atómicas permiten determinar la composición. y propiedades físicas de una sustancia por determinar. [89]
Un examen detenido de las líneas espectrales revela que algunas muestran una fina estructura dividida. Esto ocurre debido al acoplamiento espín-órbita , que es una interacción entre el espín y el movimiento del electrón más externo. [90] Cuando un átomo está en un campo magnético externo, las líneas espectrales se dividen en tres o más componentes; un fenómeno llamado efecto Zeeman . Esto se debe a la interacción del campo magnético con el momento magnético del átomo y sus electrones. Algunos átomos pueden tener múltiples configuraciones electrónicas con el mismo nivel de energía, que por tanto aparecen como una única línea espectral. La interacción del campo magnético con el átomo desplaza estas configuraciones electrónicas a niveles de energía ligeramente diferentes, lo que da como resultado múltiples líneas espectrales. [91] La presencia de un campo eléctrico externo puede causar una división y desplazamiento comparable de las líneas espectrales al modificar los niveles de energía de los electrones, un fenómeno llamado efecto Stark . [92]
Si un electrón ligado está en un estado excitado, un fotón que interactúa con la energía adecuada puede provocar la emisión estimulada de un fotón con un nivel de energía correspondiente. Para que esto ocurra, el electrón debe caer a un estado de energía más bajo que tenga una diferencia de energía que coincida con la energía del fotón que interactúa. El fotón emitido y el fotón que interactúa se mueven entonces en paralelo y con fases coincidentes. Es decir, los patrones de onda de los dos fotones están sincronizados. Esta propiedad física se utiliza para fabricar láseres , que pueden emitir un haz coherente de energía luminosa en una banda de frecuencia estrecha. [93]
La valencia es el poder combinatorio de un elemento. Está determinado por la cantidad de enlaces que puede formar con otros átomos o grupos. [94] La capa electrónica más externa de un átomo en su estado no combinado se conoce como capa de valencia , y los electrones en esa capa se llaman electrones de valencia . El número de electrones de valencia determina el comportamiento de enlace con otros átomos. Los átomos tienden a reaccionar químicamente entre sí de una manera que llena (o vacía) sus capas de valencia externas. [95] Por ejemplo, una transferencia de un solo electrón entre átomos es una aproximación útil para los enlaces que se forman entre átomos con un electrón más que una capa llena, y otros que están a un electrón menos de una capa llena, como ocurre en el compuesto cloruro de sodio y otras sales iónicas químicas. Muchos elementos muestran múltiples valencias o tendencias a compartir diferentes números de electrones en diferentes compuestos. Por lo tanto, el enlace químico entre estos elementos requiere muchas formas de intercambio de electrones que son más que simples transferencias de electrones. Los ejemplos incluyen el elemento carbono y los compuestos orgánicos . [96]
Los elementos químicos a menudo se muestran en una tabla periódica diseñada para mostrar propiedades químicas recurrentes, y los elementos con el mismo número de electrones de valencia forman un grupo que está alineado en la misma columna de la tabla. (Las filas horizontales corresponden al llenado de una capa cuántica de electrones). Los elementos en el extremo derecho de la tabla tienen su capa exterior completamente llena de electrones, lo que da como resultado elementos químicamente inertes conocidos como gases nobles . [97] [98]
Se encuentran cantidades de átomos en diferentes estados de la materia que dependen de las condiciones físicas, como la temperatura y la presión . Al variar las condiciones, los materiales pueden pasar de sólidos , líquidos , gases y plasmas . [99] Dentro de un estado, un material también puede existir en diferentes alótropos . Un ejemplo de esto es el carbono sólido, que puede existir como grafito o diamante . [100] También existen alótropos gaseosos, como el dioxígeno y el ozono .
A temperaturas cercanas al cero absoluto , los átomos pueden formar un condensado de Bose-Einstein , momento en el que los efectos de la mecánica cuántica, que normalmente sólo se observan a escala atómica, se vuelven evidentes a escala macroscópica. [101] [102] Esta colección de átomos superenfriados se comporta entonces como un único superátomo , lo que puede permitir comprobaciones fundamentales del comportamiento de la mecánica cuántica. [103]
Si bien los átomos son demasiado pequeños para ser vistos, dispositivos como el microscopio de efecto túnel (STM) permiten su visualización en las superficies de los sólidos. El microscopio utiliza el fenómeno de túnel cuántico , que permite que las partículas atraviesen una barrera que sería insuperable en la perspectiva clásica. Los electrones hacen un túnel a través del vacío entre dos electrodos polarizados , proporcionando una corriente de túnel que depende exponencialmente de su separación. Un electrodo es una punta afilada que idealmente termina con un solo átomo. En cada punto del escaneo de la superficie, la altura de la punta se ajusta para mantener la corriente de tunelización en un valor establecido. La medida en que la punta se mueve hacia y desde la superficie se interpreta como el perfil de altura. Para lograr un sesgo bajo, el microscopio obtiene imágenes de los orbitales electrónicos promediados en niveles de energía muy compactos: la densidad local de los estados electrónicos cerca del nivel de Fermi . [104] [105] Debido a las distancias involucradas, ambos electrodos deben ser extremadamente estables; sólo entonces se pueden observar periodicidades que corresponden a átomos individuales. El método por sí solo no es químicamente específico y no puede identificar las especies atómicas presentes en la superficie.
Los átomos se pueden identificar fácilmente por su masa. Si un átomo se ioniza quitándole uno de sus electrones, su trayectoria al pasar por un campo magnético se doblará. El radio en el que el campo magnético gira la trayectoria de un ion en movimiento está determinado por la masa del átomo. El espectrómetro de masas utiliza este principio para medir la relación masa-carga de iones. Si una muestra contiene múltiples isótopos, el espectrómetro de masas puede determinar la proporción de cada isótopo en la muestra midiendo la intensidad de los diferentes haces de iones. Las técnicas para vaporizar átomos incluyen la espectroscopia de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente y la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente , las cuales utilizan un plasma para vaporizar muestras para su análisis. [106]
El tomógrafo de sonda atómica tiene una resolución subnanométrica en 3-D y puede identificar químicamente átomos individuales mediante espectrometría de masas de tiempo de vuelo . [107]
Las técnicas de emisión de electrones, como la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y la espectroscopia de electrones Auger (AES), que miden las energías de enlace de los electrones del núcleo , se utilizan para identificar las especies atómicas presentes en una muestra de forma no destructiva. Con un enfoque adecuado, ambos pueden hacerse específicos para un área. Otro método de este tipo es la espectroscopia de pérdida de energía electrónica (EELS), que mide la pérdida de energía de un haz de electrones dentro de un microscopio electrónico de transmisión cuando interactúa con una porción de una muestra.
Los espectros de estados excitados se pueden utilizar para analizar la composición atómica de estrellas distantes . Las longitudes de onda de luz específicas contenidas en la luz observada de las estrellas pueden separarse y relacionarse con las transiciones cuantificadas en los átomos de gas libre. Estos colores se pueden reproducir utilizando una lámpara de descarga de gas que contenga el mismo elemento. [108] El helio fue descubierto de esta manera en el espectro del Sol 23 años antes de que fuera encontrado en la Tierra. [109]
La materia bariónica forma aproximadamente el 4% de la densidad de energía total del universo observable , con una densidad promedio de aproximadamente 0,25 partículas/m 3 (principalmente protones y electrones). [110] Dentro de una galaxia como la Vía Láctea , las partículas tienen una concentración mucho mayor, con una densidad de materia en el medio interestelar (ISM) que oscila entre 10 5 y 10 9 átomos/m 3 . [111] Se cree que el Sol está dentro de la burbuja local , por lo que la densidad en la vecindad solar es sólo de unos 10 3 átomos/m 3 . [112] Las estrellas se forman a partir de densas nubes en el ISM, y los procesos evolutivos de las estrellas dan como resultado el enriquecimiento constante del ISM con elementos más masivos que el hidrógeno y el helio.
Hasta el 95% de la materia bariónica de la Vía Láctea se concentra en el interior de las estrellas, donde las condiciones son desfavorables para la materia atómica. La masa bariónica total es aproximadamente el 10% de la masa de la galaxia; [113] el resto de la masa es materia oscura desconocida . [114] La alta temperatura dentro de las estrellas hace que la mayoría de los "átomos" estén completamente ionizados, es decir, separa todos los electrones de los núcleos. En los restos estelares —a excepción de sus capas superficiales— una presión inmensa hace imposibles las capas de electrones.
Se cree que los electrones existen en el Universo desde las primeras etapas del Big Bang . Los núcleos atómicos se forman en reacciones de nucleosíntesis . En unos tres minutos, la nucleosíntesis del Big Bang produjo la mayor parte del helio , el litio y el deuterio del Universo, y quizás algo del berilio y el boro . [115] [116] [117]
La ubicuidad y la estabilidad de los átomos dependen de su energía de enlace , lo que significa que un átomo tiene una energía menor que un sistema libre de núcleo y electrones. Cuando la temperatura es mucho más alta que el potencial de ionización , la materia existe en forma de plasma , un gas de iones cargados positivamente (posiblemente, núcleos desnudos) y electrones. Cuando la temperatura cae por debajo del potencial de ionización, los átomos se vuelven estadísticamente favorables. Los átomos (incluidos los electrones unidos) llegaron a dominar sobre las partículas cargadas 380.000 años después del Big Bang, una época llamada recombinación , cuando el Universo en expansión se enfrió lo suficiente como para permitir que los electrones se unieran a los núcleos. [118]
Desde el Big Bang, que no produjo carbono ni elementos más pesados , los núcleos atómicos se han combinado en estrellas mediante el proceso de fusión nuclear para producir más elemento helio y (a través del proceso triple alfa ) la secuencia de elementos desde el carbono hasta hierro ; [119] ver nucleosíntesis estelar para más detalles.
Isótopos como el litio-6, así como algo de berilio y boro, se generan en el espacio mediante espalación de rayos cósmicos . [120] Esto ocurre cuando un protón de alta energía golpea un núcleo atómico, lo que provoca la expulsión de una gran cantidad de nucleones.
Elementos más pesados que el hierro se produjeron en supernovas y estrellas de neutrones en colisión mediante el proceso r , y en estrellas AGB mediante el proceso s , los cuales implican la captura de neutrones por núcleos atómicos. [121] Elementos como el plomo se formaron en gran medida a través de la desintegración radiactiva de elementos más pesados. [122]
La mayoría de los átomos que componen la Tierra y sus habitantes estaban presentes en su forma actual en la nebulosa que colapsó de una nube molecular para formar el Sistema Solar . El resto son resultado de la desintegración radiactiva, y su proporción relativa puede utilizarse para determinar la edad de la Tierra mediante datación radiométrica . [123] [124] La mayor parte del helio en la corteza terrestre (aproximadamente el 99% del helio de los pozos de gas, como lo demuestra su menor abundancia de helio-3 ) es un producto de la desintegración alfa . [125]
Hay algunos átomos traza en la Tierra que no estaban presentes al principio (es decir, que no son "primordiales"), ni son resultado de la desintegración radiactiva. El carbono-14 se genera continuamente por los rayos cósmicos en la atmósfera. [126] Algunos átomos en la Tierra han sido generados artificialmente, ya sea deliberadamente o como subproductos de reactores nucleares o explosiones. [127] [128] De los elementos transuránicos , aquellos con números atómicos superiores a 92, solo el plutonio y el neptunio se encuentran naturalmente en la Tierra. [129] [130] Los elementos transuránicos tienen vidas radiactivas más cortas que la edad actual de la Tierra [131] y, por lo tanto, cantidades identificables de estos elementos hace mucho que se desintegraron, con la excepción de rastros de plutonio-244 posiblemente depositados por polvo cósmico. [123] Los depósitos naturales de plutonio y neptunio se producen mediante la captura de neutrones en el mineral de uranio. [132]
La Tierra contiene aproximadamente1,33 × 10 50 átomos. [133] Aunque existen pequeñas cantidades de átomos independientes de gases nobles , como argón , neón y helio , el 99% de la atmósfera está unida en forma de moléculas, incluido el dióxido de carbono y el oxígeno y el nitrógeno diatómicos . En la superficie de la Tierra, una abrumadora mayoría de átomos se combinan para formar diversos compuestos, entre ellos agua , sal , silicatos y óxidos . Los átomos también pueden combinarse para crear materiales que no consisten en moléculas discretas, incluidos cristales y metales líquidos o sólidos . [134] [135] Esta materia atómica forma disposiciones en red que carecen del tipo particular de orden interrumpido a pequeña escala asociado con la materia molecular. [136]
Se sabe que todos los nucleidos con números atómicos superiores a 82 ( plomo ) son radiactivos. No existe en la Tierra ningún nucleido con un número atómico superior a 92 ( uranio ) como nucleido primordial , y los elementos más pesados generalmente tienen vidas medias más cortas. Sin embargo, podría existir una " isla de estabilidad " que abarque isótopos de elementos superpesados de vida relativamente larga [137] con números atómicos del 110 al 114 . [138] Las predicciones para la vida media del nucleido más estable de la isla varían desde unos pocos minutos hasta millones de años. [139] En cualquier caso, los elementos superpesados (con Z > 104) no existirían debido a la creciente repulsión de Coulomb (que da como resultado una fisión espontánea con vidas medias cada vez más cortas) en ausencia de efectos estabilizadores. [140]
Cada partícula de materia tiene una partícula de antimateria correspondiente con carga eléctrica opuesta. Así, el positrón es un antielectrón con carga positiva y el antiprotón es un equivalente de un protón con carga negativa . Cuando una materia y una partícula de antimateria correspondiente se encuentran, se aniquilan entre sí. Debido a esto, junto con un desequilibrio entre la cantidad de partículas de materia y antimateria, estas últimas son raras en el universo. Las primeras causas de este desequilibrio aún no se comprenden del todo, aunque las teorías de la bariogénesis pueden ofrecer una explicación. Como resultado, no se han descubierto átomos de antimateria en la naturaleza. [141] [142] En 1996, la contraparte de antimateria del átomo de hidrógeno ( antihidrógeno ) fue sintetizada en el laboratorio del CERN en Ginebra . [143] [144]
Otros átomos exóticos se han creado reemplazando uno de los protones, neutrones o electrones por otras partículas que tienen la misma carga. Por ejemplo, un electrón puede ser sustituido por un muón más masivo , formando un átomo muónico . Estos tipos de átomos se pueden utilizar para probar predicciones fundamentales de la física. [145] [146] [147]
Hay 2.000.000.000.000.000.000.000 (es decir, 2 sextillones) de átomos de oxígeno en una gota de agua y el doble de átomos de hidrógeno.
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