En química y física atómica , una capa de electrones puede considerarse como una órbita que siguen los electrones alrededor del núcleo de un átomo . La capa más cercana al núcleo se llama "capa 1" (también llamada "capa K"), seguida de la "capa 2" (o "capa L"), luego la "capa 3" (o "capa M" ), y así sucesivamente alejándose cada vez más del núcleo. Las capas corresponden a los números cuánticos principales ( n = 1, 2, 3, 4...) o están etiquetadas alfabéticamente con las letras utilizadas en la notación de rayos X (K, L, M,...). Una guía útil para comprender las capas de electrones en los átomos es observar que cada fila de la tabla periódica de elementos convencional representa una capa de electrones.
Cada capa puede contener sólo un número fijo de electrones: la primera capa puede contener hasta dos electrones, la segunda capa puede contener hasta ocho (2 + 6) electrones, la tercera capa puede contener hasta 18 (2 + 6 + 10). ) etcétera. La fórmula general es que la n- ésima capa puede, en principio, contener hasta 2 ( n 2 ) electrones. [1] Para obtener una explicación de por qué existen electrones en estas capas, consulte configuración electrónica . [2]
Cada capa consta de una o más subcapas , y cada subcapa consta de uno o más orbitales atómicos .
En 1913, Niels Bohr propuso un modelo del átomo, dando la disposición de los electrones en sus órbitas secuenciales. En ese momento, Bohr permitió que la capacidad de la órbita interna del átomo aumentara a ocho electrones a medida que los átomos se hacían más grandes, y "en el esquema dado a continuación, el número de electrones en este anillo [exterior] es arbitrariamente igual al número normal". valencia del elemento correspondiente". Utilizando estas y otras limitaciones, propuso configuraciones que están de acuerdo con las que ahora se conocen sólo para los primeros seis elementos. "De lo anterior llegamos al siguiente posible esquema para la disposición de los electrones en los átomos ligeros:" [3] [4]
La terminología de caparazón proviene de la modificación de Arnold Sommerfeld del modelo Bohr de 1913 . Durante este período, Bohr trabajó con Walther Kossel , cuyos artículos de 1914 y 1916 llamaron a las órbitas "cáscaras". [5] [6] Sommerfeld conservó el modelo planetario de Bohr, pero añadió órbitas ligeramente elípticas (caracterizadas por números cuánticos adicionales ℓ y m ) para explicar la fina estructura espectroscópica de algunos elementos. [7] Los múltiples electrones con el mismo número cuántico principal ( n ) tenían órbitas cercanas que formaban una "capa" de espesor positivo en lugar de la órbita circular del modelo de Bohr cuyas órbitas llamadas "anillos" estaban descritas por un plano. [8]
La existencia de capas de electrones se observó por primera vez experimentalmente en los estudios de absorción de rayos X de Charles Barkla y Henry Moseley . El trabajo de Moseley no se refería directamente al estudio de las capas de electrones, porque intentaba demostrar que la tabla periódica no estaba ordenada por el peso, sino por la carga de los protones en el núcleo. [9] Sin embargo, debido a que el número de electrones en un átomo eléctricamente neutro es igual al número de protones, este trabajo fue extremadamente importante para Niels Bohr, quien mencionó el trabajo de Moseley varias veces en su entrevista de 1962. [10] Moseley era parte del grupo de Rutherford, al igual que Niels Bohr. Moseley midió las frecuencias de los rayos X emitidos por cada elemento entre el calcio y el zinc y descubrió que las frecuencias aumentaban a medida que los elementos se hacían más pesados. Esto llevó a la teoría de que los electrones emitían rayos X cuando eran desplazados a capas inferiores. [11] Esto llevó a la conclusión de que los electrones estaban en las capas de Kossel con un límite definido por capa, etiquetando las capas con las letras K, L, M, N, O, P y Q. [4] [ 12] El origen de esta terminología fue alfabético. Barkla, que trabajó independientemente de Moseley como experimentalista en espectrometría de rayos X, notó por primera vez dos tipos distintos de dispersión al disparar rayos X a elementos en 1909 y los llamó "A" y "B". Barkla describió estos dos tipos de difracción de rayos X : el primero no tenía relación con el tipo de material utilizado en el experimento y podía polarizarse. Al segundo haz de difracción lo llamó "fluorescente" porque dependía del material irradiado. [13] No se sabía qué significaban estas líneas en ese momento, pero en 1911 Barkla decidió que podría haber líneas dispersas anteriores a "A", por lo que comenzó en "K". [14] Sin embargo, experimentos posteriores indicaron que las líneas de absorción de K son producidas por los electrones más internos. Más tarde se descubrió que estas letras correspondían a los valores de n 1, 2, 3, etc. que se utilizaron en el modelo de Bohr . Se utilizan en la notación espectroscópica de Siegbahn .
El trabajo de asignar electrones a las capas fue continuado desde 1913 hasta 1925 por muchos químicos y algunos físicos. Niels Bohr fue uno de los pocos físicos que siguió el trabajo del químico [15] de definir la tabla periódica, mientras que Arnold Sommerfeld trabajó más en tratar de hacer un modelo de trabajo relativista del átomo que explicara la estructura fina de los espectros desde un punto de vista clásico. Punto de vista de la física orbital a través del enfoque de Atombau . [4] Einstein y Rutherford, que no seguían la química, desconocían a los químicos que estaban desarrollando teorías de capas de electrones de la tabla periódica desde el punto de vista de la química, como Irving Langmuir , Charles Bury , JJ Thomson y Gilbert Lewis . quienes introdujeron correcciones al modelo de Bohr, como un máximo de dos electrones en la primera capa, ocho en la siguiente y así sucesivamente, y fueron responsables de explicar la valencia en las capas externas de electrones y la formación de átomos mediante la adición de electrones a las capas externas. capas exteriores. [16] [4] Entonces, cuando Bohr esbozó su teoría atómica de la capa de electrones en 1922, no había ninguna fórmula matemática para la teoría. Así que Rutherford dijo que le resultaba difícil "formarse una idea de cómo se llega a las conclusiones". [17] [18] Einstein dijo sobre el artículo de Bohr de 1922 que sus "capas electrónicas de los átomos junto con su importancia para la química me parecieron un milagro, y me parecen un milagro incluso hoy". [19] Arnold Sommerfeld , que había seguido la estructura de Atombau de los electrones en lugar de Bohr, que estaba familiarizado con las opiniones de los químicos sobre la estructura de los electrones, habló de la conferencia de Bohr de 1921 y del artículo de 1922 sobre el modelo de capas como "el mayor avance en la estructura atómica desde 1913". [4] [20] [17] Sin embargo, el desarrollo de la capa de electrones de Niels Bohr fue básicamente la misma teoría que la del químico Charles Rugeley Bury en su artículo de 1921. [21] [4] [22]
Mientras continuaba el trabajo sobre la estructura de la capa de electrones del modelo Sommerfeld-Bohr, Sommerfeld había introducido tres "números cuánticos n , k y m , que describían el tamaño de la órbita, la forma de la órbita y la dirección en la que se desarrollaba la órbita. estaba señalando." [23] Debido a que usamos k para la constante de Boltzmann , el número cuántico azimutal se cambió a ℓ . Cuando se propuso la teoría moderna de la mecánica cuántica basada en la mecánica matricial de Heisenberg y la ecuación de onda de Schrödinger, estos números cuánticos se mantuvieron en la teoría cuántica actual, pero se cambiaron para que n sea el número cuántico principal y m sea el número cuántico magnético .
Sin embargo, la forma final del modelo de capa de electrones todavía en uso hoy en día para el número de electrones en las capas fue descubierta en 1923 por Edmund Stoner , quien introdujo el principio de que la enésima capa se describía mediante 2 ( n 2 ). Al ver esto en 1925, Wolfgang Pauli añadió un cuarto número cuántico, el "espín", durante el antiguo período de la teoría cuántica del átomo del Sistema Solar Sommerfeld-Bohr para completar la teoría moderna de la capa de electrones. [4]
Cada capa está compuesta por una o más subcapas, que a su vez están compuestas por orbitales atómicos . Por ejemplo, el primer shell (K) tiene un subshell, llamado 1s; el segundo nivel (L) tiene dos subniveles, llamados 2s y 2p; el tercer caparazón tiene 3s, 3p y 3d; el cuarto caparazón tiene 4s, 4p, 4d y 4f; la quinta capa tiene 5s, 5p, 5d y 5f y, en teoría, puede contener más en la subcapa 5g que no está ocupada en la configuración electrónica del estado fundamental de ningún elemento conocido. [2] Los distintos subniveles posibles se muestran en la siguiente tabla:
Cada subcapa está obligada a contener 4 ℓ + 2 electrones como máximo, a saber:
Por lo tanto, la capa K, que contiene sólo una subcapa s, puede contener hasta 2 electrones; la capa L, que contiene una s y una ap, puede contener hasta 2 + 6 = 8 electrones, y así sucesivamente; en general, la enésima capa puede contener hasta 2 n 2 electrones. [1]
Aunque esa fórmula da el máximo en principio, de hecho ese máximo sólo se logra (en elementos conocidos) para los primeros cuatro niveles (K, L, M, N). Ningún elemento conocido tiene más de 32 electrones en ninguna capa. [25] [26] Esto se debe a que las subcapas se llenan según el principio de Aufbau . Los primeros elementos en tener más de 32 electrones en una capa pertenecerían al bloque g del período 8 de la tabla periódica . Estos elementos tendrían algunos electrones en su subcapa 5g y, por lo tanto, tendrían más de 32 electrones en la capa O (quinta capa principal).
Aunque a veces se afirma que todos los electrones de una capa tienen la misma energía, esto es una aproximación. Sin embargo, los electrones de una subcapa tienen exactamente el mismo nivel de energía, y las subcapas posteriores tienen más energía por electrón que las anteriores. Este efecto es lo suficientemente grande como para que los rangos de energía asociados con los proyectiles puedan superponerse.
El llenado de las capas y subcapas con electrones se produce desde las subcapas de menor energía hasta las subcapas de mayor energía. Esto sigue la regla n + ℓ , que también se conoce comúnmente como regla de Madelung. Los subniveles con un valor n + ℓ más bajo se llenan antes que aquellos con valores n + ℓ más altos . En el caso de valores iguales de n + ℓ , primero se llena el subnivel con un valor de n más bajo.
Debido a esto, las capas posteriores ocupan vastas secciones de la tabla periódica. La capa K llena el primer período (hidrógeno y helio), mientras que la capa L llena el segundo (de litio a neón). Sin embargo, la capa M comienza a llenarse en el sodio (elemento 11) pero no termina de llenarse hasta el cobre (elemento 29), y la capa N es aún más lenta: comienza a llenarse en el potasio (elemento 19) pero no termina de llenarse hasta el iterbio ( elemento 70). Las capas O, P y Q comienzan a llenar los elementos conocidos, pero no están completas ni siquiera en el elemento más pesado conocido, oganesson (elemento 118).
La siguiente lista proporciona los elementos ordenados por número atómico creciente y muestra el número de electrones por capa. A primera vista, los subconjuntos de la lista muestran patrones obvios. En particular, cada conjunto de cinco elementos ( azul eléctrico ) antes de cada gas noble (grupo 18, amarillo ) más pesados que el helio tienen números sucesivos de electrones en la capa más externa, es decir, de tres a siete.
La clasificación de la tabla por grupo químico muestra patrones adicionales, especialmente con respecto a las dos últimas capas más externas. (Los elementos 57 a 71 pertenecen a los lantánidos , mientras que 89 a 103 son los actínidos ).
La siguiente lista se ajusta principalmente al principio Aufbau . Sin embargo, existen varias excepciones a la regla; por ejemplo, el paladio (número atómico 46) no tiene electrones en la quinta capa, a diferencia de otros átomos con número atómico más bajo . Los elementos posteriores a 108 tienen vidas medias tan cortas que sus configuraciones electrónicas aún no se han medido, por lo que en su lugar se han insertado predicciones.
Anteriormente denotado por las letras B y A (...).
Sin embargo, son preferibles las letras K y L, ya que es muy probable que existan series de radiaciones más absorbibles y más penetrantes.
