Los átomos son las partículas básicas de los elementos químicos . Un átomo está formado por un núcleo de protones y, generalmente, neutrones , rodeado por un enjambre de electrones ligados electromagnéticamente . Los elementos químicos se distinguen entre sí por el número de protones que hay en sus átomos. Por ejemplo, cualquier átomo que contiene 11 protones es sodio , y cualquier átomo que contiene 29 protones es cobre . Los átomos con el mismo número de protones pero un número diferente de neutrones se denominan isótopos del mismo elemento.
Los átomos son extremadamente pequeños, normalmente de unos 100 picómetros de diámetro. Un cabello humano tiene alrededor de un millón de átomos de carbono de ancho. Los átomos son más pequeños que la longitud de onda más corta de la luz visible, lo que significa que los humanos no pueden verlos con microscopios convencionales. 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 una carga eléctrica positiva y los neutrones no tienen carga, por lo que el núcleo tiene carga positiva. Los electrones tienen carga negativa y esta carga opuesta es la que los une al núcleo. Si el número de protones y electrones es igual, como ocurre normalmente, el átomo es eléctricamente neutro en su conjunto. Si un átomo tiene más electrones que protones, tiene una carga negativa global y se denomina ion negativo (o anión). Por el contrario, si tiene más protones que electrones, tiene una carga positiva y se denomina ion positivo (o catión).
Los electrones de un átomo son atraídos por los protones de un núcleo atómico mediante la fuerza electromagnética . Los protones y neutrones del núcleo se atraen entre sí mediante la fuerza nuclear . Esta fuerza suele ser más fuerte que la fuerza electromagnética que repele a los protones con carga positiva entre sí. En determinadas circunstancias, la fuerza electromagnética de repulsión 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 de 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 "imposible de cortar". Pero esta antigua idea se basaba en un razonamiento filosófico más que en un razonamiento científico. La teoría atómica moderna no se basa en estos viejos conceptos. [1] [2] A principios del siglo XIX, el científico John Dalton (1766-1844) encontró evidencia de que la materia realmente está compuesta de unidades discretas, y por eso aplicó la palabra átomo a esas unidades. [3]
A principios del siglo XIX, John Dalton recopiló datos experimentales que había reunido junto con otros científicos y descubrió un patrón que ahora se conoce como la " ley de las proporciones múltiples ". Se dio cuenta de que en cualquier grupo de compuestos químicos que contengan dos elementos químicos particulares, la cantidad de Elemento A por medida de Elemento B diferiría en estos compuestos en proporciones de números enteros pequeños. Este patrón sugería que cada elemento se combina con otros elementos en múltiplos de una unidad básica de peso, y que cada elemento tiene una unidad de peso única. Dalton decidió llamar a estas unidades "átomos". [4]
Por ejemplo, hay 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 el óxido gris hay un átomo de oxígeno por cada átomo de estaño, y en el óxido blanco hay dos átomos de oxígeno por cada átomo de estaño ( 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 el polvo negro hay unos 28 g de oxígeno por cada 100 g de hierro, y en el polvo rojo 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 último ejemplo: el óxido nitroso es 63,3% nitrógeno y 36,7% oxígeno, el óxido nítrico es 44,05% nitrógeno y 55,95% oxígeno, y el dióxido de nitrógeno es 29,5% nitrógeno y 70,5% oxígeno. Ajustando estas cifras, en el óxido nitroso hay 80 g de oxígeno por cada 140 g de nitrógeno, en el óxido nítrico hay alrededor de 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 de nitrógeno. 80, 160 y 320 forman una proporción de 1:2:4. Las fórmulas respectivas para estos óxidos son N 2 O , NO y NO 2 . [9] [10]
En 1897, J. J. Thomson descubrió que los rayos catódicos no son una forma de luz, sino que están hechos de partículas con carga negativa, ya que pueden ser desviados por campos eléctricos y magnéticos. [11] Midió que estas partículas eran al menos mil veces más ligeras que el hidrógeno (el átomo más ligero). [12] Llamó a estas nuevas partículas corpúsculos , pero más tarde se las rebautizó como electrones, ya que son las partículas que transportan la electricidad. [13] Thomson también demostró que los electrones eran idénticos a las partículas emitidas por materiales fotoeléctricos y radiactivos. [14] Thomson explicó que una corriente eléctrica es el paso de electrones de un átomo al siguiente, y cuando no hay corriente, los electrones se incrustan en los átomos. Esto, a su vez, significaba que los átomos no eran indivisibles como pensaban los científicos. El átomo estaba compuesto de electrones cuya carga negativa se equilibraba con alguna fuente de carga positiva para crear un átomo eléctricamente neutro. Los iones, explicó Thomson, deben ser átomos que tienen un exceso o escasez de electrones. [15]
Los electrones en el átomo lógicamente tenían que ser equilibrados por una cantidad proporcional de carga positiva, pero Thomson no tenía idea de dónde provenía esta carga positiva, por lo que propuso tentativamente que esta carga positiva estaba en todas partes en el átomo, el átomo tiene la forma de una esfera. Siguiendo esto, imaginó que el equilibrio de las fuerzas electrostáticas distribuiría los electrones por toda la esfera de una manera más o menos uniforme. [16] El modelo de Thomson es conocido popularmente como el modelo del pudín de pasas , aunque ni Thomson ni sus colegas utilizaron esta analogía. [17] El modelo de Thomson era incompleto, no podía predecir ninguna otra propiedad de los elementos como los espectros de emisión y las valencias . Pronto quedó obsoleto por el descubrimiento del núcleo atómico .
Entre 1908 y 1913, Ernest Rutherford y sus colegas Hans Geiger y Ernest Marsden realizaron una serie de experimentos en los que bombardearon láminas delgadas de metal con un haz de partículas alfa . Lo hicieron para medir los patrones de dispersión de las partículas alfa. Detectaron una pequeña cantidad de partículas alfa que se desviaban en ángulos mayores de 90°. Esto no debería haber sido posible según el modelo atómico de Thomson, cuyas cargas eran demasiado difusas para producir un campo eléctrico lo suficientemente fuerte. Las desviaciones deberían haber sido todas insignificantes. Rutherford propuso que la carga positiva del átomo junto con la mayor parte de la masa del átomo se concentra en un núcleo diminuto en el centro del átomo. Solo una concentración tan intensa de carga positiva, anclada por su alta masa y separada de la carga negativa, podría producir un campo eléctrico que pudiera desviar las partículas alfa con tanta fuerza. [18]
Un problema de la mecánica clásica es que una partícula cargada en aceleración irradia radiación electromagnética, lo que hace que la partícula pierda energía cinética. El movimiento circular cuenta como aceleración, lo que significa que un electrón que orbita alrededor de una carga central debería caer en espiral hacia el núcleo a medida que pierde velocidad. En 1913, el físico Niels Bohr propuso un nuevo modelo en el que se suponía que los electrones de un átomo orbitaban alrededor del núcleo, pero solo podían hacerlo en un conjunto finito de órbitas, y podían saltar entre estas órbitas solo en cambios discretos de energía correspondientes a la absorción o radiación de un fotón. [19] Esta cuantización se utilizó para explicar por qué las órbitas de los electrones son estables y por qué los elementos absorben y emiten radiación electromagnética en espectros discretos. [20] El modelo de Bohr solo podía predecir los espectros de emisión del hidrógeno, no de los átomos con más de un electrón.
En 1815, William Prout observó que los pesos atómicos de muchos elementos eran múltiplos del peso atómico del hidrógeno, lo que de hecho es cierto para todos ellos si se tienen en cuenta los isótopos . En 1898, JJ Thomson descubrió que la carga positiva de un ion de hidrógeno es igual a la carga negativa de un electrón. [21] En 1913, Henry Moseley descubrió que las frecuencias de las emisiones de rayos X de un átomo excitado eran una función matemática de su número atómico y de la carga nuclear del hidrógeno. En 1917, Rutherford bombardeó gas nitrógeno con partículas alfa y detectó iones de hidrógeno emitidos desde el gas, y concluyó que se producían cuando las partículas alfa chocaban y dividían los átomos de nitrógeno. [22]
Estas observaciones llevaron a Rutherford a concluir que el núcleo del hidrógeno es una partícula singular con una carga positiva igual a la carga negativa del electrón. [23] Llamó a esta partícula " protón " en 1920. [24] El número atómico de un elemento , que se define como la posición del elemento en la tabla periódica , es también el número de protones que tiene en su núcleo. El peso atómico de cada elemento es mayor que su número de protones, por lo que Rutherford planteó la hipótesis de que el peso excedente lo llevaban partículas desconocidas sin carga eléctrica y una masa igual a la del protón.
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 arrancar átomos de hidrógeno de la 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 que se conservaran la energía y el momento en la interacción. En 1932, Chadwick expuso varios elementos, como el hidrógeno y el nitrógeno, a la misteriosa "radiación del berilio", y al medir las energías de las partículas cargadas que retrocedían, dedujo que la radiación estaba compuesta en realidad de partículas eléctricamente neutras que no podían carecer de masa como los rayos gamma, sino que debían tener una masa similar a la de un protón. Chadwick afirmó entonces que estas partículas eran los neutrones de Rutherford. [25]
En 1925, Werner Heisenberg publicó la primera formulación matemática consistente de la mecánica cuántica ( mecánica matricial ). [26] Un año antes, Louis de Broglie había propuesto que todas las partículas se comportan como ondas hasta cierto punto, [27] y en 1926 Erwin Schrödinger utilizó esta idea para desarrollar la ecuación de Schrödinger , que describe a los electrones como formas de onda tridimensionales en lugar de puntos en el espacio. [28] 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 punto dado en el tiempo. Esto se conoció como el principio de incertidumbre , formulado por Werner Heisenberg en 1927. [26] En este concepto, para una precisión dada en la medición de una posición solo se podría obtener un rango de valores probables para el momento, y viceversa. [29] Por lo tanto, el modelo planetario del átomo fue descartado en favor de uno que describía zonas orbitales atómicas alrededor del núcleo donde es más probable que se encuentre un electrón dado. [30] [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.
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.9,11 × 10 −31 kg , con una carga eléctrica negativa y un tamaño demasiado pequeño para ser medido utilizando las técnicas disponibles. [32] Fue 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 a partir de cargas eléctricas opuestas. Si un átomo tiene más o menos electrones que su número atómico, entonces se carga negativa o positivamente respectivamente en su conjunto; un átomo cargado se llama ion . Los electrones se conocen desde finales del siglo XIX, principalmente gracias a JJ Thomson ; consulte la historia de la física subatómica para obtener más detalles.
Los protones tienen una carga positiva y una masa de1,6726 × 10 −27 kg . El número de protones en un átomo se denomina número atómico . Ernest Rutherford (1919) observó que el nitrógeno, bajo el 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 denominó protón .
Los neutrones no tienen carga eléctrica y tienen una masa de1,6749 × 10 −27 kg . [33] [34] Los neutrones son las partículas más pesadas de las tres 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. [35] El neutrón fue descubierto en 1932 por el físico inglés James Chadwick .
En el Modelo Estándar de la física, los electrones son partículas verdaderamente elementales sin estructura interna, mientras que los protones y los neutrones son partículas compuestas de partículas elementales llamadas quarks . Hay dos tipos de quarks en los átomos, cada uno con una carga eléctrica fraccionaria. Los protones están compuestos por dos quarks up (cada uno con carga +2/3 ) y un quark abajo (con una carga de − 1/3 ). Los neutrones están formados por un quark up y dos quarks down. Esta distinción explica la diferencia de masa y carga entre las dos partículas. [36] [37]
Los quarks se mantienen unidos por la interacción fuerte (o fuerza fuerte), que está mediada por los gluones . Los protones y neutrones, a su vez, se mantienen unidos entre sí en el núcleo por la fuerza nuclear , que es un residuo de la fuerza fuerte que tiene propiedades de rango 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 gauge , que son partículas elementales que median fuerzas físicas. [36] [37]
Todos los protones y neutrones unidos en un átomo forman un minúsculo núcleo atómico , y se denominan colectivamente nucleones . El radio de un núcleo es aproximadamente igual a femtómetros , donde es el número total de nucleones. [38] Esto es mucho más pequeño que el radio del átomo, que es del orden de 10 5 fm. Los nucleones están unidos entre sí por un potencial atractivo de corto alcance llamado fuerza fuerte residual . A distancias menores de 2,5 fm, esta fuerza es mucho más potente que la fuerza electrostática que hace que los protones con carga positiva se repelan entre sí. [39]
Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, llamado número atómico . Dentro de un mismo elemento, el número de neutrones puede variar, lo que determina 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 . [40]
El protón, el electrón y el neutrón se clasifican como fermiones . Los fermiones obedecen al principio de exclusión de Pauli , que prohíbe que fermiones idénticos , como múltiples protones, ocupen el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Por lo tanto, cada protón en el núcleo debe ocupar un estado cuántico diferente de todos los demás protones, y lo mismo se aplica a todos los neutrones del núcleo y a todos los electrones de la nube electrónica. [41]
Un núcleo que tiene un número diferente de protones que de neutrones puede potencialmente caer a un estado de energía más bajo a través de una desintegración radiactiva que hace que el número de protones y neutrones coincida más. Como resultado, los átomos con números coincidentes de protones y neutrones son más estables frente a la desintegración, pero al aumentar el número atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción cada vez mayor de neutrones para mantener la estabilidad del núcleo. [41]
El número de protones y neutrones en el núcleo atómico se puede modificar, aunque esto puede requerir energías muy altas debido a la interacción nuclear fuerte. La fusión nuclear ocurre cuando múltiples partículas atómicas se unen para formar un núcleo más pesado, como por ejemplo a través de 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. [42] La fisión nuclear es el proceso opuesto, que hace que un núcleo se divida en dos núcleos más pequeños, generalmente a través de la desintegración radiactiva. El núcleo también se puede modificar a través del bombardeo de partículas subatómicas de alta energía o fotones. Si esto modifica el número de protones en un núcleo, el átomo cambia a un elemento químico diferente. [43] [44]
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 se describe en la fórmula de equivalencia masa-energía de Albert Einstein , e=mc2 , donde m es la pérdida de masa y c es la velocidad de la luz . Este déficit es parte de la energía de enlace del nuevo núcleo, y es la pérdida irrecuperable de la energía lo que hace que las partículas fusionadas permanezcan juntas en un estado que requiere esta energía para separarse. [45]
La fusión de dos núcleos que crea núcleos más grandes con números atómicos más bajos que el hierro y el níquel (un número total de nucleones de aproximadamente 60) es generalmente un proceso exotérmico que libera más energía de la que se requiere para unirlos. [46] Es este proceso de liberación de energía lo 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 mayor que aproximadamente 26 y un número másico mayor que aproximadamente 60 es un proceso endotérmico . Por lo tanto, los núcleos más masivos no pueden experimentar una reacción de fusión que produzca energía que pueda sostener el equilibrio hidrostático de una estrella. [41]
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 al 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 los que están 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 en relación con el núcleo. Este comportamiento se define por un orbital atómico , una función matemática que caracteriza la probabilidad de que un electrón parezca estar en una ubicación particular cuando se mide su posición. [47] Solo existe un conjunto discreto (o cuantizado) de estos orbitales alrededor del núcleo, ya que otros posibles patrones de onda decaen rápidamente en una forma más estable. [48] Los orbitales pueden tener una o más estructuras de anillo o nodo, y difieren entre sí en tamaño, forma y orientación. [49]
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 al absorber un fotón con energía suficiente para impulsarlo al nuevo estado cuántico. Del mismo modo, a través de la emisión espontánea , un electrón en un estado de energía más alto puede caer a un estado de energía más bajo mientras irradia el exceso de energía como un fotón. Estos valores de energía característicos, definidos por las diferencias en las energías de los estados cuánticos, son responsables de las líneas espectrales atómicas . [48]
La cantidad de energía necesaria para eliminar o añadir un electrón (la energía de enlace de electrones ) es mucho menor que la energía de enlace de los nucleones . Por ejemplo, se requieren solo 13,6 eV para quitarle un electrón del estado fundamental a un átomo de hidrógeno, [50] en comparación con los 2,23 millones de eV necesarios para dividir un núcleo de deuterio . [51] Los átomos son eléctricamente neutros si tienen un número igual de protones y electrones. Los átomos que tienen un déficit o un excedente de electrones se denominan 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 para formar moléculas y otros tipos de compuestos químicos como cristales de redes iónicas y covalentes . [52]
Por definición, dos átomos cualesquiera con un número idéntico 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 mucho la forma más común, [53] también llamado protio), un neutrón ( deuterio ), dos neutrones ( tritio ) y más de 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 oganesón . [54] Todos los isótopos conocidos de elementos con números atómicos mayores de 82 son radiactivos, aunque la radiactividad del elemento 83 ( bismuto ) es tan leve que es prácticamente despreciable. [55] [56]
En la Tierra existen de forma natural unos 339 nucleidos , [57] de los cuales 251 (aproximadamente el 74%) no se han observado en descomposición y se denominan " isótopos estables ". Solo 90 nucleidos son teóricamente estables , mientras que otros 161 (lo que eleva el total a 251) no se han observado en descomposición, aunque en teoría es energéticamente posible. Estos también se clasifican formalmente como "estables". Otros 35 nucleidos radiactivos tienen vidas medias superiores a los 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 . Por último, se sabe que otros 53 nucleidos de vida corta se producen de forma natural, 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). [58] [nota 1]
Para 80 de los elementos químicos, existe al menos un isótopo estable . Como regla general, solo 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 solo un isótopo estable, mientras que el mayor número de isótopos estables observado para cualquier elemento es diez, para el elemento estaño . Los elementos 43 , 61 y todos los elementos numerados 83 o más no tienen isótopos estables. [59] : 1–12
La estabilidad de los isótopos se ve afectada por la proporción de protones y neutrones, y también 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 capas del núcleo; las capas llenas, como la capa llena de 50 protones para el estaño, confieren una estabilidad inusual al nucleido. De los 251 nucleidos estables conocidos, solo 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-impar y observablemente estable, pero se predice que se desintegrará con una vida media muy larga.) Además, solo cuatro nucleidos radiactivos impar-impar que se producen en la naturaleza tienen una vida media de más de mil millones de años: potasio-40 , vanadio-50 , lantano-138 y lutecio-176 . La mayoría de los núcleos impar-impar son altamente inestables con respecto a la desintegración beta , porque los productos de la desintegración son par-par y, por lo tanto, están más fuertemente unidos, debido a los efectos de apareamiento nuclear . [60]
La mayor parte 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 denomina número másico . Es un número entero positivo y adimensional (en lugar de tener dimensión de masa), porque expresa un recuento. Un ejemplo del uso de un número másico es el "carbono-12", que tiene 12 nucleones (seis protones y seis neutrones).
La masa real de un átomo en reposo se expresa a menudo 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 . [61] El hidrógeno-1 (el isótopo más ligero del hidrógeno que también es el nucleido con la masa más baja) tiene un peso atómico de 1,007825 Da. [62] 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 entero excepto (por definición) en el caso del carbono-12. [63] El átomo estable más pesado es el plomo-208, [55] con una masa de207.976 6521 Da . [64]
Como incluso los átomos más masivos son demasiado livianos para trabajar con ellos directamente, los químicos usan la unidad de moles . Un mol de átomos de cualquier elemento siempre tiene la misma cantidad 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 la 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. [61]
Los átomos carecen de un límite exterior bien definido, por lo que sus dimensiones se describen generalmente en términos de un radio atómico . Esta es una medida de la distancia a la que se extiende la nube de electrones desde el núcleo. [65] Esto supone que el átomo exhibe una forma esférica, que solo se cumple para 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 el diagrama atómico, el tipo de enlace químico, el número de átomos vecinos ( número de coordinación ) y una propiedad mecánica cuántica conocida como espín . [66] En la tabla periódica de los elementos, el tamaño del átomo tiende a aumentar al moverse hacia abajo en las columnas, pero disminuye al moverse a través de las filas (de izquierda a derecha). [67] 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. [68]
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 orbital de los electrones de la capa externa, como lo muestran las consideraciones de teoría de grupos . Las desviaciones asféricas pueden producirse, por ejemplo, en cristales , donde pueden producirse grandes campos eléctricos cristalinos en sitios reticulares de baja simetría . [69] [70] Se ha demostrado que se producen deformaciones elipsoidales significativas para los iones de azufre [71] y los iones de calcógeno [72] en compuestos de tipo pirita .
Las dimensiones atómicas son miles de veces más pequeñas que las longitudes de onda de la luz (400–700 nm ), por lo que no se pueden ver con un microscopio óptico , aunque los átomos individuales se pueden observar con un microscopio de efecto túnel . Para visualizar la minuciosidad del átomo, considere que un cabello humano típico tiene aproximadamente 1 millón de átomos de carbono de ancho. [73] Una sola gota de agua contiene aproximadamente 2 sextillones (2 × 10 21 ) átomos de oxígeno y el doble de átomos de hidrógeno. [74] Un diamante de un solo quilate con una masa de2 × 10 −4 kg contiene aproximadamente 10 sextillones (10 22 ) de átomos de carbono . [nota 2] Si una manzana se ampliara al tamaño de la Tierra, entonces los átomos en la manzana serían aproximadamente del tamaño de la manzana original. [75]
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 solo actúa en distancias del orden de 1 fm. [76]
Las formas más comunes de desintegración radiactiva son: [77] [78]
Otros tipos más raros de desintegración radiactiva incluyen la expulsión 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 que los núcleos excitados pierdan 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 desintegración característico (la vida media ), que está determinado por el tiempo necesario para que la mitad de una muestra se desintegra. Se trata de un proceso de desintegración exponencial que disminuye de forma constante la proporción del isótopo restante en un 50 % con cada vida media. Por lo tanto, después de que hayan transcurrido dos vidas medias, solo queda presente el 25 % del isótopo, y así sucesivamente. [76]
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 rotando. 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 núcleo en sí posee un momento angular debido a su espín nuclear. [79]
The magnetic field produced by an atom—its magnetic moment—is determined by these various forms of angular momentum, just as a rotating charged object classically produces a magnetic field, but the most dominant contribution comes from electron spin. Due to the nature of electrons to obey the Pauli exclusion principle, in which no two electrons may be found in the same quantum state, bound electrons pair up with each other, with one member of each pair in a spin up state and the other in the opposite, spin down state. Thus these spins cancel each other out, reducing the total magnetic dipole moment to zero in some atoms with even number of electrons.[80]
In ferromagnetic elements such as iron, cobalt and nickel, an odd number of electrons leads to an unpaired electron and a net overall magnetic moment. The orbitals of neighboring atoms overlap and a lower energy state is achieved when the spins of unpaired electrons are aligned with each other, a spontaneous process known as an exchange interaction. When the magnetic moments of ferromagnetic atoms are lined up, the material can produce a measurable macroscopic field. Paramagnetic materials have atoms with magnetic moments that line up in random directions when no magnetic field is present, but the magnetic moments of the individual atoms line up in the presence of a field.[80][81]
The nucleus of an atom will have no spin when it has even numbers of both neutrons and protons, but for other cases of odd numbers, the nucleus may have a spin. Normally nuclei with spin are aligned in random directions because of thermal equilibrium, but for certain elements (such as xenon-129) it is possible to polarize a significant proportion of the nuclear spin states so that they are aligned in the same direction—a condition called hyperpolarization. This has important applications in magnetic resonance imaging.[82][83]
The potential energy of an electron in an atom is negative relative to when the distance from the nucleus goes to infinity; its dependence on the electron's position reaches the minimum inside the nucleus, roughly in inverse proportion to the distance. In the quantum-mechanical model, a bound electron can occupy only a set of states centered on the nucleus, and each state corresponds to a specific energy level; see time-independent Schrödinger equation for a theoretical explanation. An energy level can be measured by the amount of energy needed to unbind the electron from the atom, and is usually given in units of electronvolts (eV). The lowest energy state of a bound electron is called the ground state, i.e. stationary state, while an electron transition to a higher level results in an excited state.[84] The electron's energy increases along with n because the (average) distance to the nucleus increases. Dependence of the energy on ℓ is caused not by the electrostatic potential of the nucleus, but by interaction between electrons.
For an electron to transition between two different states, e.g. ground state to first excited state, it must absorb or emit a photon at an energy matching the difference in the potential energy of those levels, according to the Niels Bohr model, what can be precisely calculated by the Schrödinger equation. Electrons jump between orbitals in a particle-like fashion. For example, if a single photon strikes the electrons, only a single electron changes states in response to the photon; see Electron properties.
The energy of an emitted photon is proportional to its frequency, so these specific energy levels appear as distinct bands in the electromagnetic spectrum.[85] Each element has a characteristic spectrum that can depend on the nuclear charge, subshells filled by electrons, the electromagnetic interactions between the electrons and other factors.[86]
When a continuous spectrum of energy is passed through a gas or plasma, some of the photons are absorbed by atoms, causing electrons to change their energy level. Those excited electrons that remain bound to their atom spontaneously emit this energy as a photon, traveling in a random direction, and so drop back to lower energy levels. Thus the atoms behave like a filter that forms a series of dark absorption bands in the energy output. (An observer viewing the atoms from a view that does not include the continuous spectrum in the background, instead sees a series of emission lines from the photons emitted by the atoms.) Spectroscopic measurements of the strength and width of atomic spectral lines allow the composition and physical properties of a substance to be determined.[87]
Close examination of the spectral lines reveals that some display a fine structure splitting. This occurs because of spin–orbit coupling, which is an interaction between the spin and motion of the outermost electron.[88] When an atom is in an external magnetic field, spectral lines become split into three or more components; a phenomenon called the Zeeman effect. This is caused by the interaction of the magnetic field with the magnetic moment of the atom and its electrons. Some atoms can have multiple electron configurations with the same energy level, which thus appear as a single spectral line. The interaction of the magnetic field with the atom shifts these electron configurations to slightly different energy levels, resulting in multiple spectral lines.[89] The presence of an external electric field can cause a comparable splitting and shifting of spectral lines by modifying the electron energy levels, a phenomenon called the Stark effect.[90]
If a bound electron is in an excited state, an interacting photon with the proper energy can cause stimulated emission of a photon with a matching energy level. For this to occur, the electron must drop to a lower energy state that has an energy difference matching the energy of the interacting photon. The emitted photon and the interacting photon then move off in parallel and with matching phases. That is, the wave patterns of the two photons are synchronized. This physical property is used to make lasers, which can emit a coherent beam of light energy in a narrow frequency band.[91]
Valency is the combining power of an element. It is determined by the number of bonds it can form to other atoms or groups.[92] The outermost electron shell of an atom in its uncombined state is known as the valence shell, and the electrons in that shell are called valence electrons. The number of valence electrons determines the bondingbehavior with other atoms. Atoms tend to chemically react with each other in a manner that fills (or empties) their outer valence shells.[93] For example, a transfer of a single electron between atoms is a useful approximation for bonds that form between atoms with one-electron more than a filled shell, and others that are one-electron short of a full shell, such as occurs in the compound sodium chloride and other chemical ionic salts. Many elements display multiple valences, or tendencies to share differing numbers of electrons in different compounds. Thus, chemical bonding between these elements takes many forms of electron-sharing that are more than simple electron transfers. Examples include the element carbon and the organic compounds.[94]
The chemical elements are often displayed in a periodic table that is laid out to display recurring chemical properties, and elements with the same number of valence electrons form a group that is aligned in the same column of the table. (The horizontal rows correspond to the filling of a quantum shell of electrons.) The elements at the far right of the table have their outer shell completely filled with electrons, which results in chemically inert elements known as the noble gases.[95][96]
Quantities of atoms are found in different states of matter that depend on the physical conditions, such as temperature and pressure. By varying the conditions, materials can transition between solids, liquids, gases and plasmas.[97] Within a state, a material can also exist in different allotropes. An example of this is solid carbon, which can exist as graphite or diamond.[98] Gaseous allotropes exist as well, such as dioxygen and ozone.
At temperatures close to absolute zero, atoms can form a Bose–Einstein condensate, at which point quantum mechanical effects, which are normally only observed at the atomic scale, become apparent on a macroscopic scale.[99][100] This super-cooled collection of atoms then behaves as a single super atom, which may allow fundamental checks of quantum mechanical behavior.[101]
While atoms are too small to be seen, devices such as the scanning tunneling microscope (STM) enable their visualization at the surfaces of solids. The microscope uses the quantum tunneling phenomenon, which allows particles to pass through a barrier that would be insurmountable in the classical perspective. Electrons tunnel through the vacuum between two biased electrodes, providing a tunneling current that is exponentially dependent on their separation. One electrode is a sharp tip ideally ending with a single atom. At each point of the scan of the surface the tip's height is adjusted so as to keep the tunneling current at a set value. How much the tip moves to and away from the surface is interpreted as the height profile. For low bias, the microscope images the averaged electron orbitals across closely packed energy levels—the local density of the electronic states near the Fermi level.[102][103] Because of the distances involved, both electrodes need to be extremely stable; only then periodicities can be observed that correspond to individual atoms. The method alone is not chemically specific, and cannot identify the atomic species present at the surface.
Atoms can be easily identified by their mass. If an atom is ionized by removing one of its electrons, its trajectory when it passes through a magnetic field will bend. The radius by which the trajectory of a moving ion is turned by the magnetic field is determined by the mass of the atom. The mass spectrometer uses this principle to measure the mass-to-charge ratio of ions. If a sample contains multiple isotopes, the mass spectrometer can determine the proportion of each isotope in the sample by measuring the intensity of the different beams of ions. Techniques to vaporize atoms include inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy and inductively coupled plasma mass spectrometry, both of which use a plasma to vaporize samples for analysis.[104]
The atom-probe tomograph has sub-nanometer resolution in 3-D and can chemically identify individual atoms using time-of-flight mass spectrometry.[105]
Electron emission techniques such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Auger electron spectroscopy (AES), which measure the binding energies of the core electrons, are used to identify the atomic species present in a sample in a non-destructive way. With proper focusing both can be made area-specific. Another such method is electron energy loss spectroscopy (EELS), which measures the energy loss of an electron beam within a transmission electron microscope when it interacts with a portion of a sample.
Spectra of excited states can be used to analyze the atomic composition of distant stars. Specific light wavelengths contained in the observed light from stars can be separated out and related to the quantized transitions in free gas atoms. These colors can be replicated using a gas-discharge lamp containing the same element.[106] Helium was discovered in this way in the spectrum of the Sun 23 years before it was found on Earth.[107]
Baryonic matter forms about 4% of the total energy density of the observable universe, with an average density of about 0.25 particles/m3 (mostly protons and electrons).[108] Within a galaxy such as the Milky Way, particles have a much higher concentration, with the density of matter in the interstellar medium (ISM) ranging from 105 to 109 atoms/m3.[109] The Sun is believed to be inside the Local Bubble, so the density in the solar neighborhood is only about 103 atoms/m3.[110] Stars form from dense clouds in the ISM, and the evolutionary processes of stars result in the steady enrichment of the ISM with elements more massive than hydrogen and helium.
Up to 95% of the Milky Way's baryonic matter are concentrated inside stars, where conditions are unfavorable for atomic matter. The total baryonic mass is about 10% of the mass of the galaxy;[111] the remainder of the mass is an unknown dark matter.[112] High temperature inside stars makes most "atoms" fully ionized, that is, separates all electrons from the nuclei. In stellar remnants—with exception of their surface layers—an immense pressure make electron shells impossible.
Electrons are thought to exist in the Universe since early stages of the Big Bang. Atomic nuclei forms in nucleosynthesis reactions. In about three minutes Big Bang nucleosynthesis produced most of the helium, lithium, and deuterium in the Universe, and perhaps some of the beryllium and boron.[113][114][115]
Ubiquitousness and stability of atoms relies on their binding energy, which means that an atom has a lower energy than an unbound system of the nucleus and electrons. Where the temperature is much higher than ionization potential, the matter exists in the form of plasma—a gas of positively charged ions (possibly, bare nuclei) and electrons. When the temperature drops below the ionization potential, atoms become statistically favorable. Atoms (complete with bound electrons) became to dominate over charged particles 380,000 years after the Big Bang—an epoch called recombination, when the expanding Universe cooled enough to allow electrons to become attached to nuclei.[116]
Since the Big Bang, which produced no carbon or heavier elements, atomic nuclei have been combined in stars through the process of nuclear fusion to produce more of the element helium, and (via the triple-alpha process) the sequence of elements from carbon up to iron;[117] see stellar nucleosynthesis for details.
Isotopes such as lithium-6, as well as some beryllium and boron are generated in space through cosmic ray spallation.[118] This occurs when a high-energy proton strikes an atomic nucleus, causing large numbers of nucleons to be ejected.
Elements heavier than iron were produced in supernovae and colliding neutron stars through the r-process, and in AGB stars through the s-process, both of which involve the capture of neutrons by atomic nuclei.[119] Elements such as lead formed largely through the radioactive decay of heavier elements.[120]
Most of the atoms that make up the Earth and its inhabitants were present in their current form in the nebula that collapsed out of a molecular cloud to form the Solar System. The rest are the result of radioactive decay, and their relative proportion can be used to determine the age of the Earth through radiometric dating.[121][122] Most of the helium in the crust of the Earth (about 99% of the helium from gas wells, as shown by its lower abundance of helium-3) is a product of alpha decay.[123]
There are a few trace atoms on Earth that were not present at the beginning (i.e., not "primordial"), nor are results of radioactive decay. Carbon-14 is continuously generated by cosmic rays in the atmosphere.[124] Some atoms on Earth have been artificially generated either deliberately or as by-products of nuclear reactors or explosions.[125][126] Of the transuranic elements—those with atomic numbers greater than 92—only plutonium and neptunium occur naturally on Earth.[127][128] Transuranic elements have radioactive lifetimes shorter than the current age of the Earth[129] and thus identifiable quantities of these elements have long since decayed, with the exception of traces of plutonium-244 possibly deposited by cosmic dust.[121] Natural deposits of plutonium and neptunium are produced by neutron capture in uranium ore.[130]
The Earth contains approximately 1.33×1050 atoms.[131] Although small numbers of independent atoms of noble gases exist, such as argon, neon, and helium, 99% of the atmosphere is bound in the form of molecules, including carbon dioxide and diatomic oxygen and nitrogen. At the surface of the Earth, an overwhelming majority of atoms combine to form various compounds, including water, salt, silicates and oxides. Atoms can also combine to create materials that do not consist of discrete molecules, including crystals and liquid or solid metals.[132][133] This atomic matter forms networked arrangements that lack the particular type of small-scale interrupted order associated with molecular matter.[134]
All nuclides with atomic numbers higher than 82 (lead) are known to be radioactive. No nuclide with an atomic number exceeding 92 (uranium) exists on Earth as a primordial nuclide, and heavier elements generally have shorter half-lives. Nevertheless, an "island of stability" encompassing relatively long-lived isotopes of superheavy elements[135] with atomic numbers 110 to 114 might exist.[136] Predictions for the half-life of the most stable nuclide on the island range from a few minutes to millions of years.[137] In any case, superheavy elements (with Z > 104) would not exist due to increasing Coulomb repulsion (which results in spontaneous fission with increasingly short half-lives) in the absence of any stabilizing effects.[138]
Each particle of matter has a corresponding antimatter particle with the opposite electrical charge. Thus, the positron is a positively charged antielectron and the antiproton is a negatively charged equivalent of a proton. When a matter and corresponding antimatter particle meet, they annihilate each other. Because of this, along with an imbalance between the number of matter and antimatter particles, the latter are rare in the universe. The first causes of this imbalance are not yet fully understood, although theories of baryogenesis may offer an explanation. As a result, no antimatter atoms have been discovered in nature.[139][140] In 1996, the antimatter counterpart of the hydrogen atom (antihydrogen) was synthesized at the CERN laboratory in Geneva.[141][142]
Other exotic atoms have been created by replacing one of the protons, neutrons or electrons with other particles that have the same charge. For example, an electron can be replaced by a more massive muon, forming a muonic atom. These types of atoms can be used to test fundamental predictions of physics.[143][144][145]
There are 2,000,000,000,000,000,000,000 (that's 2 sextillion) atoms of oxygen in one drop of water—and twice as many atoms of hydrogen.
Definitions from Wiktionary
Media from Commons
Quotations from Wikiquote
Texts from Wikisource
Textbooks from Wikibooks
Resources from Wikiversity![{\displaystyle 1.07{\sqrt[{3}]{A}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a74a6ca6998768195969eef75ca046e8431c29d3)
