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, entonces el átomo es eléctricamente neutro en su conjunto. Si un átomo tiene más electrones que protones, entonces 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 desintegre. 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]
El campo magnético producido por un átomo (su momento magnético ) está determinado por estas diversas formas de momento angular, de la misma manera que un objeto cargado giratorio produce clásicamente un campo magnético, pero la contribución más dominante proviene del espín del electrón. Debido a la naturaleza de los electrones de obedecer el 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 hacia arriba y el otro en el estado opuesto, de espín 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. [80]
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 neto global. Los orbitales de los átomos vecinos se superponen y se alcanza 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 medible. 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. [80] [81]
El núcleo de un átomo no tendrá espín cuando tenga un número par de neutrones y protones, pero en otros casos de números impares, el núcleo puede tener espín. Normalmente, los núcleos con espín están alineados 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 de modo que estén alineados en la misma dirección, una condición llamada hiperpolarización . Esto tiene aplicaciones importantes en la resonancia magnética . [82] [83]
La energía potencial de un electrón en un átomo es negativa en relación con cuando la distancia desde el núcleo tiende 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 puede ocupar solo 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 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 da en unidades de electronvoltios (eV). El estado de energía más bajo de un electrón ligado se llama estado fundamental, es decir, estado estacionario , mientras que una transición de electrones a un nivel superior da como resultado un estado excitado. [84] La energía del electrón aumenta junto con n porque la distancia (promedio) al núcleo aumenta. La dependencia de la energía en ℓ no es causada por el potencial electrostático del núcleo, sino por la interacción entre electrones.
Para que un electrón pase de un estado a otro , por ejemplo, del estado fundamental al primer estado excitado , debe absorber o emitir un fotón con una energía que coincida con la diferencia de energía potencial entre esos niveles, según el modelo de Niels Bohr , lo que se puede calcular con precisión mediante la ecuación de Schrödinger . Los electrones saltan entre orbitales de forma similar a las partículas. Por ejemplo, si un único fotón choca con los electrones, solo un único electrón cambia de estado en respuesta al fotón; consulte 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 . [85] 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. [86]
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, que viaja en una dirección aleatoria y, por lo tanto, vuelve a niveles de energía más bajos. De este modo, los átomos se comportan como un filtro que forma una serie de bandas oscuras de absorción en la salida de energía. (Un observador que ve 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 las propiedades físicas de una sustancia. [87]
Un examen minucioso de las líneas espectrales revela que algunas muestran una fina división de la estructura. Esto ocurre debido al acoplamiento espín-órbita , que es una interacción entre el espín y el movimiento del electrón más externo. [88] 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 es causado por 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 aparecen así como una única línea espectral. La interacción del campo magnético con el átomo cambia estas configuraciones electrónicas a niveles de energía ligeramente diferentes, lo que da como resultado múltiples líneas espectrales. [89] La presencia de un campo eléctrico externo puede causar una división y un desplazamiento comparables de las líneas espectrales modificando los niveles de energía de los electrones, un fenómeno llamado efecto Stark . [90]
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 coincidente. 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. [91]
La valencia es el poder de combinación de un elemento. Está determinada por el número de enlaces que puede formar con otros átomos o grupos. [92] La capa de electrones 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. [93] 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 tienen un electrón menos que una capa llena, como ocurre en el compuesto cloruro de sodio y otras sales iónicas químicas. Muchos elementos muestran valencias múltiples, o tendencias a compartir diferentes números de electrones en diferentes compuestos. Por lo tanto, el enlace químico entre estos elementos toma muchas formas de compartir electrones que son más que simples transferencias de electrones. Los ejemplos incluyen el elemento carbono y los compuestos orgánicos . [94]
Los elementos químicos se muestran a menudo en una tabla periódica que está 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 . [95] [96]
Las cantidades de átomos se encuentran 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 a líquidos , gases y plasmas . [97] 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 . [98] 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 , en cuyo punto los efectos mecánicos cuánticos, que normalmente solo se observan a escala atómica, se vuelven evidentes a escala macroscópica. [99] [100] Esta colección superenfriada de átomos se comporta entonces como un único superátomo , lo que puede permitir comprobaciones fundamentales del comportamiento mecánico cuántico. [101]
Aunque los átomos son demasiado pequeños para ser vistos, dispositivos como el microscopio de efecto túnel de barrido (STM) permiten su visualización en las superficies de los sólidos. El microscopio utiliza el fenómeno de efecto túnel cuántico , que permite que las partículas pasen a través de una barrera que sería infranqueable en la perspectiva clásica. Los electrones hacen un túnel a través del vacío entre dos electrodos polarizados , lo que proporciona una corriente de efecto 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 efecto túnel 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 un sesgo bajo, el microscopio obtiene imágenes de los orbitales de electrones promedio a través de niveles de energía estrechamente empaquetados: la densidad local de los estados electrónicos cerca del nivel de Fermi . [102] [103] Debido a las distancias involucradas, ambos electrodos deben ser extremadamente estables; solo 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 se curvará cuando pase a través de un campo magnético . El radio por el cual la trayectoria de un ion en movimiento es girada por el campo magnético está determinado por la masa del átomo. El espectrómetro de masas utiliza este principio para medir la relación masa-carga de los 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. [104]
El tomógrafo de sonda atómica tiene una resolución subnanómetro en 3-D y puede identificar químicamente átomos individuales utilizando espectrometría de masas de tiempo de vuelo . [105]
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 centrales , se utilizan para identificar las especies atómicas presentes en una muestra de forma no destructiva. Con un enfoque adecuado, ambas pueden hacerse específicas para cada área. Otro método similar es la espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS), que mide la pérdida de energía de un haz de electrones dentro de un microscopio electrónico de transmisión cuando interactúa con una parte 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 se pueden separar y relacionar con las transiciones cuantificadas en átomos de gas libre. Estos colores se pueden reproducir utilizando una lámpara de descarga de gas que contenga el mismo elemento. [106] El helio se descubrió de esta manera en el espectro del Sol 23 años antes de que se encontrara en la Tierra. [107]
La materia bariónica forma alrededor del 4% de la densidad energética total del universo observable , con una densidad media de unas 0,25 partículas/m3 ( principalmente protones y electrones). [108] 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 105 y 109 átomos /m3 . [ 109] Se cree que el Sol está dentro de la Burbuja Local , por lo que la densidad en la vecindad solar es de sólo unos 103 átomos /m3 . [ 110] 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 de alrededor del 10% de la masa de la galaxia; [111] el resto de la masa es una materia oscura desconocida . [112] La alta temperatura en el interior de las estrellas hace que la mayoría de los "átomos" estén completamente ionizados, es decir, separa todos los electrones de los núcleos. En los remanentes estelares —con excepción de sus capas superficiales— una inmensa presión hace imposible la formación de 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 , litio y deuterio del Universo, y quizás algo del berilio y el boro . [113] [114] [115]
La ubicuidad y estabilidad de los átomos depende de su energía de enlace , lo que significa que un átomo tiene una energía menor que un sistema no ligado 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 (completos con electrones ligados) comenzaron 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. [116]
Desde el Big Bang, que no produjo carbono ni elementos más pesados , los núcleos atómicos se han combinado en las estrellas a través del proceso de fusión nuclear para producir más del elemento helio y (a través del proceso triple alfa ) la secuencia de elementos desde el carbono hasta el hierro ; [117] véase nucleosíntesis estelar para más detalles.
Isótopos como el litio-6, así como algo de berilio y boro, se generan en el espacio a través de la espalación de rayos cósmicos . [118] Esto ocurre cuando un protón de alta energía golpea un núcleo atómico, lo que provoca la expulsión de grandes cantidades de nucleones.
Los elementos más pesados que el hierro se produjeron en supernovas y estrellas de neutrones en colisión a través del proceso r , y en estrellas AGB a través del proceso s , ambos implican la captura de neutrones por núcleos atómicos. [119] Elementos como el plomo se formaron en gran medida a través de la desintegración radiactiva de elementos más pesados. [120]
La mayoría de los átomos que forman la Tierra y sus habitantes estaban presentes en su forma actual en la nebulosa que colapsó a partir de una nube molecular para formar el Sistema Solar . El resto son el resultado de la desintegración radiactiva, y su proporción relativa puede utilizarse para determinar la edad de la Tierra mediante la datación radiométrica . [121] [122] La mayor parte del helio en la corteza de la Tierra (alrededor del 99% del helio de los pozos de gas, como lo demuestra su menor abundancia de helio-3 ) es un producto de la desintegración alfa . [123]
Hay algunos átomos traza en la Tierra que no estaban presentes al principio (es decir, no eran "primordiales"), ni son resultado de la desintegración radiactiva. El carbono-14 se genera continuamente por los rayos cósmicos en la atmósfera. [124] Algunos átomos en la Tierra se han generado artificialmente, ya sea deliberadamente o como subproductos de reactores nucleares o explosiones. [125] [126] De los elementos transuránicos (aquellos con números atómicos mayores de 92), solo el plutonio y el neptunio se producen de forma natural en la Tierra. [127] [128] Los elementos transuránicos tienen vidas radiactivas más cortas que la edad actual de la Tierra [129] y, por lo tanto, cantidades identificables de estos elementos se han desintegrado hace mucho tiempo, con la excepción de trazas de plutonio-244 posiblemente depositadas por el polvo cósmico. [121] Los depósitos naturales de plutonio y neptunio se producen por captura de neutrones en el mineral de uranio. [130]
La Tierra contiene aproximadamente1,33 × 10 50 átomos. [131] Aunque existen pequeñas cantidades de átomos independientes de gases nobles , como el argón , el neón y el helio , el 99% de la atmósfera está ligada 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 varios compuestos, incluidos el agua , la sal , los silicatos y los óxidos . Los átomos también pueden combinarse para crear materiales que no consisten en moléculas discretas, incluidos los cristales y los metales líquidos o sólidos . [132] [133] Esta materia atómica forma arreglos en red que carecen del tipo particular de orden interrumpido a pequeña escala asociado con la materia molecular. [134]
Se sabe que todos los nucleidos con números atómicos superiores a 82 ( plomo ) son radiactivos. Ningún nucleido con un número atómico superior a 92 ( uranio ) existe en la Tierra 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 vida relativamente larga de elementos superpesados [135] con números atómicos de 110 a 114. [136] Las predicciones para la vida media del nucleido más estable en la isla varían desde unos pocos minutos hasta millones de años. [137] En cualquier caso, los elementos superpesados (con Z > 104) no existirían debido al aumento de la repulsión de Coulomb (que resulta en fisión espontánea con vidas medias cada vez más cortas) en ausencia de cualquier efecto estabilizador. [138]
Cada partícula de materia tiene una partícula de antimateria correspondiente con la carga eléctrica opuesta. Así, el positrón es un antielectrón cargado positivamente y el antiprotón es un equivalente de un protón cargado negativamente . Cuando una partícula de materia y su correspondiente antimateria se encuentran, se aniquilan mutuamente. Debido a esto, junto con un desequilibrio entre el número de partículas de materia y antimateria, estas últimas son raras en el universo. Las primeras causas de este desequilibrio aún no se comprenden por completo, aunque las teorías de la bariogénesis pueden ofrecer una explicación. Como resultado, no se han descubierto átomos de antimateria en la naturaleza. [139] [140] En 1996, se sintetizó la contraparte de antimateria del átomo de hidrógeno ( antihidrógeno ) en el laboratorio del CERN en Ginebra . [141] [142]
Se han creado otros átomos exóticos sustituyendo uno de los protones, neutrones o electrones por otras partículas que tienen la misma carga. Por ejemplo, un electrón puede sustituirse por un muón más masivo , formando un átomo muónico . Este tipo de átomos se pueden utilizar para poner a prueba predicciones fundamentales de la física. [143] [144] [145]
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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