Distancias al Interior del Átomo

La distancia entre el núcleo del átomo y la ubicación del electrón es muy grande. Por ejemplo, si el núcleo del átomo fuera del tamaño de una naranja, es decir, unos 8 cm de diámetro, entonces la distancia al primer estado estacionario del electrón se podría calcular de la siguiente manera:

Átomo / Núcleo = 10^-8 cm / 10^-13 cm

Átomo / Núcleo = 10⁵

Entonces, si el radio de la naranja (núcleo) fuera de 4 cm, la distancia entre el electrón y el núcleo sería de 4 x 10⁵ cm, es decir, 4 kilómetros, lo que muestra que al interior de la materia existe mucho espacio vacío.

El modelo atómico de Bohr sirve para explicar muchos fenómenos, pero no es el modelo atómico definitivo. Con el tiempo se le fueron haciendo algunas correcciones, llegando al modelo mecánico-cuántico, que es el más aceptado en la actualidad. En ese modelo, el concepto de órbita es reemplazado por el concepto matemático de probabilidad; es decir, se asigna una probabilidad numérica de encontrar electrones en una cierta región del espacio. En el esquema (no incluido en el texto original), aparece la distribución de probabilidad de encontrar electrones para tres estados del electrón de un átomo de hidrógeno. Al ocurrir aquello, cambia un poco la noción de la distancia entre el núcleo y el electrón, pues este no se ubicaría a una distancia fija del núcleo.

Características del Núcleo

Debido a lo pequeñísimo que es el átomo en relación a nuestro mundo cotidiano, los científicos tardaron muchos años en medir por métodos indirectos las cualidades del núcleo. Fue en el año 1932 que el físico norteamericano James Chadwick logró determinar experimentalmente que estaba formado por dos partículas, que llamó protones y neutrones (también denominados nucleones): el protón con carga eléctrica positiva, de la misma magnitud que la del electrón, y el neutrón sin carga eléctrica.

El número de protones del núcleo se denomina número atómico (Z), y como generalmente los átomos son eléctricamente neutros, ese número corresponde también al número de electrones. El número total de nucleones de un átomo es el número másico (A). Finalmente, el número de neutrones de un núcleo se designa con la letra N. Todos aquellos valores determinan al átomo y aparecen alrededor de la abreviatura del elemento químico en la tabla periódica de los elementos.

Tamaño del Núcleo Atómico

Como el núcleo no es una unidad compacta, sino que está formado por protones y neutrones, resulta lógico que su tamaño dependa del número de aquellos. Una manera de calcular su radio está dada por la relación:

R = 1,2 x 10^-15 · A^⅓ m

Donde A es el número másico, es decir, la suma de protones y neutrones del núcleo.

Masa del Núcleo Atómico

La masa de la Tierra es aproximadamente 81 veces la masa de la Luna, y con eso basta para considerar que la Luna gira alrededor de la Tierra por efecto gravitacional. Si se compara la masa que tiene el núcleo del átomo de hidrógeno (un protón) con un electrón, se obtiene una relación mucho mayor (1:1885), pero no se debe olvidar que en ese caso también actúa la fuerza eléctrica.

Consideraciones como aquella, y como la distancia entre el núcleo y el electrón, han determinado que se compare el modelo de Rutherford y el del átomo de hidrógeno como “modelo planetario”, lo que se modifica radicalmente cuando se considera el modelo mecánico-cuántico.

El Espín

Al giro de las partículas subatómicas se le designa el nombre de espín, aunque sabemos que es solamente una analogía, pues en el mundo atómico el principio de incertidumbre no puede determinar con exactitud los movimientos de las partículas. El giro de las partículas subatómicas puede tener solamente dos orientaciones que se describen con un valor positivo y uno negativo. Además, como el electrón y el protón tienen carga eléctrica, al poseer giro producen un campo magnético, es decir, funcionan como pequeños imanes.

Subpartículas Atómicas

¿Se Puede Dividir el Nucleón?

Debido a las pequeñas dimensiones de los átomos, la ciencia tuvo que esperar mucho tiempo para poder realizar experimentos a escala; sin embargo, se las arregló para obtener información mediante mediciones indirectas, muchas veces bombardeando átomos como lo hizo Rutherford. Gracias a aquello se habían descubierto partículas como electrones, protones y neutrones. Pero ¿existirán más partículas? ¿Qué se necesitaría para saberlo? Para seguir indagando al interior de la materia, los científicos idearon nuevos instrumentos como los aceleradores de partículas, en ellos se logra que las partículas adquieran una gran energía cinética, suficiente para que al impactar se fragmenten, es decir, aparezcan nuevas partículas, las que se hacen visibles mediante su trayectoria en cámaras de burbujas. Se descubrió así que los nucleones (protones y neutrones) no eran partículas fundamentales.

A partir del año 1945, se comenzaron a realizar experimentos en los aceleradores, obteniéndose un gran número de partículas que se empezaron a clasificar según su comportamiento. El modelo estándar es la síntesis del conocimiento sobre la interacción entre aquellas partículas. En el año 1963, los físicos norteamericanos Murray Gell-Mann y George Zweig plantearon de manera independiente que los comportamientos observados se podían explicar con la existencia de partículas más pequeñas, que Gell-Mann llamó quarks.

¿Qué Hay en el Interior de los Nucleones?

A continuación, se representan el modelo de un neutrón y de un protón según la teoría de los quarks. Estos se combinan configurando las propiedades de los nucleones. (Modelos no incluidos en el texto original).

Propiedades de los Quarks

A las características de los quarks se les llama “flavor” (sabor) y se denominan up (arriba), down (abajo), charm (encanto), strange (extraño), top (cima) y bottom (fondo). En la siguiente tabla se reúnen sus principales características.

Es importante hacer notar que su carga eléctrica es fraccionaria y que combinándose forman distintas partículas. Por ejemplo, ¿qué cargas tendrían el neutrón y el protón si se suman las cargas de sus componentes?

Existe otra característica de los quarks llamada carga de color o simplemente color, y no tiene que ver con la percepción de la frecuencia de la luz. Para que la configuración de los quarks resulte una simetría matemática, se asigna otro número cuántico denominado color. Los tres colores fundamentales de los quarks son el rojo, el verde y el azul.

¿Se Pueden Separar los Quarks?

Hay ciertas propiedades de la materia que no son evidentes y a las que solo se puede acceder a través de la experimentación. En el caso de un imán, este presenta un polo norte y uno sur, los que se manifiestan en la repulsión en caso de ser iguales y la atracción en caso de ser distintos. Cada vez que se divide el imán se vuelven a obtener dos imanes más pequeños, pues el magnetismo está relacionado finalmente con la orientación de las moléculas del material.

De manera similar, en el caso de los quarks, aparecen algunas propiedades curiosas y para nada evidentes. Por ejemplo, la fuerza de atracción entre ellos no disminuye al aumentar la distancia, como con la fuerza gravitacional o la eléctrica; es decir, si se quieren separar dos quarks, se invierte cada vez más energía en ello, hasta que se forma una nueva pareja de quarks, de manera similar a como se forman dos imanes al dividir uno.

Función de los Neutrones

Como muchas partículas, el neutrón tuvo un “nacimiento teórico”, ya que fue propuesto en el año 1920 por Ernest Rutherford para explicar la estabilidad del átomo. Su función sería mantener unido al núcleo atómico, evitando que se desintegrara por repulsión eléctrica. En el año 1932, el inglés Chadwick encontró neutrones experimentalmente.

En la actualidad, se sabe que los neutrones están constituidos por dos quarks down y un quark up, siendo la suma de sus cargas eléctricas cero. También se ha determinado experimentalmente que fuera del núcleo son partículas inestables, teniendo una vida media de 15 minutos, después de los cuales emite un electrón, un antineutrino, y se convierte en un protón.

Los neutrones interactúan fuertemente con los protones venciendo la repulsión eléctrica de aquellos. Esta fuerza es una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza.

Átomos con Distinto Número de Neutrones

¿Es posible que dos sustancias formadas por los mismos elementos químicos tengan distinto peso atómico? Aunque parezca raro, la respuesta es sí. Por ejemplo, la llamada “agua pesada” tiene las mismas propiedades químicas del agua, pero se diferencia en tener una masa mayor; esto sucede por la cantidad de neutrones de sus átomos.

Los núcleos de todos los átomos de un mismo elemento químico poseen el mismo número de protones, pero, a menudo, contienen distinta cantidad de neutrones. Estos tipos de átomos se denominan isótopos.

Por ejemplo, el hidrógeno posee tres isótopos: el hidrógeno común, cuyo núcleo tiene un solo protón; el deuterio, cuyo núcleo posee un protón y un neutrón; y el tritio, en cuyo núcleo hay dos neutrones y un protón.