Instrucciones
Menú General
Usted tiene las siguientes opciones
- Girar cualquier estructura en los ejes x, y, z.
- Cambiar el fondo del visor 3D
Estructura de los Átomos
El átomo es la partícula más pequeña en que puede dividirse un elemento químico y continuar manteniendo las propiedades características del elemento.
Consiste en: una zona central (el núcleo), que contiene protones y neutrones y en electrones que se mueven alrededor del núcleo.
Los átomos son extremadamente pequeños. Han sido fotografiados con:
- Microscopios electrónicos
- microscopios de barrido de túnel
- microscopios de fuerza atómica.
Recientemente, ha sido publicada una película tomada con microscopio de barrido de túnel de átomos de silicio en movimiento a diferentes temperaturas.
Los átomos tienen un diámetro de 0.1-1.0 nm. El núcleo (donde están lo protones y neutrones) tiene un diámetro de alrededor de 10-15 m.
Un átomo es la partícula más pequeña del elemento que se puede identificar químicamente como dicho elemento. La teoría atómica provee un modelo por medio del cual se puede visualizar a los átomos y prever como se comportarán químicamente. Los átomos se componen de tres partículas: protones, neutrones y electrones.
El protón
Un protón es una partícula subatómica con carga eléctrica positiva (+1) que se encuentra en el núcleo de los átomos , junto con los neutrones. Es una de las partículas fundamentales que componen la materia ordinaria.
Características clave:
Carga y masa: Tiene una carga eléctrica elemental de +1.6 × 10-19 coulombs. Su masa es aproximadamente 1.67 × 10-27 kg , unas 1,836 veces mayor que la de un electrón.
Estructura: Está compuesto por tres quarks (dos quarks up y uno down ) unidos por fuerzas nucleares mediadas por gluones.
Importancia en los átomos:
El número de protones en el núcleo determina el número atómico del elemento, definiendo su identidad química (ej: 1 protón = hidrógeno, 6 protones = carbono).
A diferencia de los electrones, los protones no participan directamente en reacciones químicas , pero son clave en reacciones nucleares.
Estabilidad: Es una partícula estable en condiciones normales, a diferencia de los neutrones libres, que pueden desintegrarse.
Fue descubierto en 1911 por Ernest Rutherford mediante experimentos de dispersión de partículas alfa. Su estudio es fundamental en física, química y aplicaciones tecnológicas como la energía nuclear.
El neutrón
Un neutrón es una partícula subatómica sin carga eléctrica que se encuentra en el núcleo de los átomos , junto con los protones.
Composición y estructura
Los neutrones están formados por tres quarks : dos quarks "abajo" (down quarks, carga -⅓ cada uno) y un quark "arriba" (up quark, carga +⅔). Su carga total es 0 (-⅓ -⅓ + ⅔ = 0).
Interacciones fuertes
Estos quarks están unidos por la fuerza nuclear fuerte , mediada por partículas llamadas gluones. Esta fuerza es la responsable de mantener cohesionado el núcleo atómico.
Propiedades físicas
Masa
La masa de un neutrón es ligeramente mayor que la de un protón: aproximadamente 1,6749 × 10-27 kg.Carga eléctrica
Neutra (por definición), lo que le permite interactuar débilmente con campos eléctricos, aunque su composición interna incluye quarks con carga.
Spin
Tiene un spin de ½ (es un fermión ), lo que implica que obedece el principio de exclusión de Pauli junto con los protones en el núcleo.
Momento magnético
Aunque es neutro, posee un pequeño momento magnético debido al movimiento interno de sus quarks y sus gluones.
Rol en el núcleo atómico
Estabilidad nuclear
Los neutrones actúan como "pegamento" nuclear. Sin ellos, la repulsión electromagnética entre los protones (carga +) haría que el núcleo se desintegre. La fuerza nuclear fuerte (atractiva a cortas distancias) entre neutrones y protones contrarresta esta repulsión.
Isótopos
La cantidad de neutrones en un núcleo determina los isótopos de un elemento. Por ejemplo: Carbono-12: 6 protones + 6 neutrones. Carbono-14: 6 protones + 8 neutrones (radiactivo).
Descubrimiento histórico
James Chadwick (1932) : Observó que una radiación de alta energía (emitida por berilio bombardeado con partículas alfa) podía penetrar materiales gruesos. Dedujo que se trataba de una partícula neutra con masa similar al protón, a la que llamó neutrón .
Antes del neutrón : Los modelos atómicos pre-Chadwick no explicaban cómo los protones se mantenían unidos en el núcleo sin repelerse. El neutrón resolvió este misterio.
Comportamiento y aplicaciones
Decaimiento beta: Un neutrón libre (fuera del núcleo) es inestable y decae en aproximadamente 15 minutos en un protón, un electrón (beta⁻) y un antineutrino:
El electrón
Un electrón es una partícula subatómica elemental con carga eléctrica negativa (-1 ). Es una de las partículas fundamentales que componen la materia y juega un papel crucial en fenómenos como la electricidad, el magnetismo, los enlaces químicos y la estructura de los átomos.
Características básicas
Carga eléctrica: -1.602 × 10-19 coulombs (la unidad básica de carga negativa).
Masa: Muy pequeña en comparación con protones y neutrones: 9.109 × 10-31 kg (aproximadamente 1/1836 de la masa de un protón).
Ubicación : En el átomo , los electrones orbitan alrededor del núcleo (compuesto por protones y neutrones) en regiones llamadas orbitales o capas electrónicas.
Naturaleza cuántica
Partícula elemental: A diferencia de protones y neutrones, los electrones no están compuestos por partículas más pequeñas (según el modelo estándar de física de partículas).
Dualidad onda-partícula: Los electrones exhiben propiedades tanto de partículas como de ondas (según la mecánica cuántica). Por ejemplo, en experimentos de difracción, se comportan como ondas. Spin : Tienen un spin de ½ , lo que los clasifica como fermiones (partículas que obedecen el principio de exclusión de Pauli).
Rol en el átomo
Estructura atómica: Los electrones determinan las propiedades químicas de un elemento. Su disposición en orbitales define cómo un átomo interactúa con otros (enlaces químicos). Número atómico : La cantidad de electrones en un átomo neutro es igual al número de protones en su núcleo (determina el elemento químico).
Enlaces químicos: Los electrones de valencia (en la capa más externa) participan en enlaces iónicos, covalentes o metálicos.
Simbología
Partículas fundamentales
| Partícula | Símbolo |
|---|---|
| protón | p+ |
| neutrón | n |
| electrón | e- |
Carga eléctrica y masa relativa
Protones, neutrones y electrones
| Partícula | Masa en gramos | Masa relativa | Carga relativa |
|---|---|---|---|
| Protón | 1.673x10-24 | 1 | 1+ |
| Neutrón | 1.675x10-24 | 1 | 0 |
| Electrón | 9.11x10-28 | Despreciable | 1- |
Si, los protones están constituidos por sustancias más pequeñas llamadas quarks. A los quarks sólo se les encuentra en grupo. Hay seis tipos de quarks, cada un de los cuales tiene tienen un nombre especial:
Nombres de los Quarks
| Nombre | |
|---|---|
| 1 | up (arriba) |
| 2 | down (abajo) |
| 3 | top (superior)- |
| 4 | bottom (inferior)- |
| 5 | charm (encantado)- |
| 6 | strange extraño- |
Los protones están constituidos por dos quarks up y un quark down. Los neutrones están constituidos por un quark up y dos quarks down. Cuando los quarks se combinan para formar partículas, estas partículas se conocen con el nombre de hadrones, por lo que tanto los protones como neutrones son conocidos con este nombre.
Los electrones son más pequeños que los neutrones y protones y pertenecen a la clase de partículas llamadas leptones. Hay cinco tipos de leptones además de los electrones, siendo éstos los muones, los tay, y tres tipos de neutrinos. Tanto el muón como el tau tienen cargas eléctricas negativas. Los tres tipos de neutrinos no tienen carga, y una muy pequeña, si no es que, ninguna masa.
Los científicos creen en la actualidad que los quarks y electrones no pueden ser divididos y que ellos son las sustancias fundamentales de la materia. Sin embargo, esto todavía esta en proceso de investigación.
El átomo consiste de un núcleo que contiene los protones y neutrones, con los electrones distribuidos fuera de núcleo en orbitales o niveles de energía y subniveles. Debido a que los protones y neutrones mucha más masa que los electrones, el núcleo contiene casi toda la masa del átomo y posee carga eléctrica positiva que es igual a su número de protones. El número atómico de un elemento es igual a su número de protones.
El átomo es la unidad más pequeña de la materia, constituída por neutrones, protones y electrones. En 1919, el átomo fue dividido por primera vez en la Universidad de Manchester, Inglaterra, gracias al bombardeo con radiación de alta energía observándose que está constituído por partículas subatómicas más pequeñas. Rápidamente se descubrieron otras formas más eficientes para dividir el átomo. Posteriormente en el año de 1928 se llevó a cabo otro experimento en Cambridge, Inglaterra por John Cockcroft y Ernest Walton. En su experimento cambiaron las partículas alfa por protones. En enero de 1939, Otto Hahn y Lise Meitner, de la Universidad McGill, de Toronto, Canadá, concluyeron que al bombardear el uranio con neutrones (del núcleo de los átomos), los átomos de uranio se dividían casi en dos, produciendo elementos más livianos y liberando enormes cantidades de energía. Al dividirse, un átomo producía al menos dos neutrones, que a su vez podían continuar dividiendo otros átomos. Esto constituyó el principio para crear la bomba atómica y la energía nuclear.
Las investigaciones hechas en el siglo pasado llevaron a establecer el modelo estándar de partículas fundamentales que es una teoría en proceso de elaboración, que puede explicar mucho de cómo está hecho y de cómo funciona el mundo conocido. En éste se coloca a todos los constituyentes de la materia en una o dos categorías: leptones y quarks. Hay seis tipos de quarks a los cuales se les dieron nombres arbitrarios: up (arriba), down (abajo), charm (encanto), strange (extraño), top (superior) y bottom (fondo).
Los quarks se unen por la fuerza nuclear para formar los hadrones, que constituyen una partícula subatómica más grande.
Los hadrones más comunes son los protones y los neutrones. El protón está compuesto por dos quarks up y un quark down, los cuales dan una carga total de 1. La carga del quark up es de 2/3 y la del quark down es de 1/3, por lo que:
obtenemos la carga total del protón: +1.
En tanto, el neutrón está compuesto de un quark up y dos quarks down para una carga total de cero, es decir:
La fuerza nuclear que une a los quarks en un hadrón puede extenderse a los hadrones vecinos; esto explica por qué los protones y los neutrones se mantienen unidos en el núcleo atómico.
Los quarks charm, strong, top, y bottom son menos comunes. Éstos se combinan para formar una amplia clase de hadrones exóticos, la mayoría de los cuales tiene corta vida y son creados usando aceleradores de partículas de alta energía.
La masa de los quarks como un hadrón corresponde a una pequeña fracción de la masa real de este. De manera extraña, los mismos tres quarks se combinan para formar un neutrón con una masa de 0.940 *1 GeV/c2. Recuerda que el átomo en su mayor parte es espacio vacío; ahora sabemos que el núcleo por sí mismo también es espacio vacío, pero permeado por campos de fuerza extremadamente fuertes.
Hay seis tipos de leptones y todos tienen un punto en común: son partículas sin estructura interna. Sólo tres de ellos poseen una carga y masa apreciables: el electrón (el más conocido), el moun (m) el tau (t). El electrón tiene una carga de 1 y una diminuta masa de aproximadamente un sexto de la masa de un quark up. Los leptones muon y tau también tienen carga de 1, pero una masa mucho mayor: la masa del muon es alrededor de 207 veces mayor que la del electrón, y el tau es 3,480 veces más pesado que el electrón.
Los otros tres leptones son los neutrinos, los cuales no tienen carga y prácticamente carecen de masa. Son los llamados electrón neutrino, el muon neutrino y el tau neutrino. Todos son estables y muy abundantes, pero como son neutros y sin masa, la mayoría pasa a través de la Tierra sin interaccionar nunca con ningún átomo. Los neutrinos fueron producidos en gran abundancia en las primeras etapas del universo y continúan moviéndose en zigzag sin obstáculos; de hecho, más de un billón de estas partículas subatómicas pasa a través de cada persona cada segundo.
El número másico de un átomo es igual a la suma total de protones y neutrones en el núcleo:
El número másico de un átomo es igual a la suma total de protones y neutrones en el núcleo:
¡Atención!
Los números másicos son sólo números; no son masas.¡Atención!
Calculadora de Masa Atómica: ...Hacer clic aquí¡Atención!
Calculadora Atómica: ...Hacer clic aquíEl número de masa y el número atómico se pueden indicar por medio de la siguiente expresión:
¡Atención!
Los números másicos no se encuentran en la tabla periódica.Ejemplo
¿Cuál es el número de neutrones en la siguiente notación que corresponde al isótopo más abundante
del
que es constituyente de los huesos? 
Respuesta
Ejemplo
¿Cuál es el número de neutrones en la siguiente notación que corresponde al isótopo más abundante del
que es
constituyente de los huesos y cuál es su diagrama de Bohr?
Respuesta
Ejemplo
¿Cuál es el número de neutrones en la siguiente notación y cuál es su diagrama de Bohr?
Respuesta
Ejemplo
Diagrama de Bohr del átomo de sodio y su ión
Ejemplo
Diagrama de Bohr del átomo del cloro y su ion
Diagramas de Bohr de los primeros 18 elementos
Guía de Estudio
Cuestionario
Responda las siguientes preguntas de forma concisa (2-3 oraciones por respuesta).
- ¿Cuál es la definición fundamental de un átomo, según el texto? ¿Qué partes principales lo componen?
- Describa brevemente la función principal de los protones en la identidad de un elemento químico y mencione una característica clave que los distingue de los electrones en cuanto a su participación en reacciones.
- Explique el papel crucial de los neutrones en el núcleo atómico. ¿Cómo contribuyen a la estabilidad nuclear y a la existencia de isótopos?
- ¿Cuáles son las características fundamentales del electrón en términos de carga, masa y ubicación dentro del átomo? Mencione una propiedad que demuestre su naturaleza cuántica.
- ¿Qué son los quarks y cómo se relacionan con los protones y neutrones? ¿Existen partículas más pequeñas que los quarks y los electrones según el texto?
- Defina el número atómico de un elemento y explique cómo se relaciona con el número de protones en el núcleo.
- ¿Qué se entiende por número másico de un átomo? ¿Qué partículas subatómicas se suman para obtener este número?
- Mencione los dos tipos principales en los que se clasifican los constituyentes fundamentales de la materia según el modelo estándar de partículas descrito en el texto. Proporcione un ejemplo de cada tipo.
- Describa brevemente el experimento histórico realizado por Ernest Rutherford que condujo al descubrimiento del protón.
- ¿Qué implicaciones tuvieron los experimentos de bombardeo atómico, como los de Hahn y Meitner con el uranio, en la comprensión de la estructura atómica y el desarrollo de la energía nuclear?
Clave de Respuestas
- Un átomo es la partícula más pequeña en que puede dividirse un elemento químico y continuar manteniendo sus propiedades características. Está compuesto por un núcleo central que contiene protones y neutrones, y por electrones que se mueven alrededor del núcleo.
- El número de protones en el núcleo determina el número atómico de un elemento, definiendo su identidad química. A diferencia de los electrones, los protones no participan directamente en reacciones químicas, pero son clave en reacciones nucleares.
- Los neutrones, sin carga eléctrica, actúan como "pegamento" nuclear al contribuir a la fuerza nuclear fuerte que contrarresta la repulsión electromagnética entre los protones, manteniendo el núcleo cohesionado. La variación en el número de neutrones da lugar a los isótopos de un elemento.
- El electrón es una partícula subatómica elemental con carga eléctrica negativa y una masa muy pequeña en comparación con protones y neutrones. Se encuentra orbitando el núcleo en regiones llamadas orbitales y exhibe una dualidad onda-partícula.
- Los quarks son partículas fundamentales que se combinan para formar los hadrones, siendo los protones (dos quarks up y uno down) y los neutrones (un quark up y dos down) los hadrones más comunes. Actualmente, se cree que los quarks y los electrones no pueden dividirse y son las sustancias fundamentales de la materia, aunque esto sigue en investigación.
- El número atómico de un elemento es igual al número de protones que se encuentran en el núcleo de sus átomos. Este número define la identidad química del elemento.
- El número másico de un átomo es la suma total del número de protones y el número de neutrones presentes en su núcleo.
- Según el modelo estándar, los constituyentes de la materia se clasifican en leptones (como el electrón) y quarks (como el quark up o down).
- Ernest Rutherford descubrió el protón en 1911 mediante experimentos de dispersión de partículas alfa, demostrando la existencia de un núcleo atómico con carga positiva.
- Los experimentos de bombardeo atómico revelaron que el núcleo del átomo podía dividirse en partículas subatómicas más pequeñas, liberando grandes cantidades de energía y sentando las bases para la comprensión de la fisión nuclear y el desarrollo de la energía atómica y las armas nucleares.
Preguntas para Ensayo
- Discuta la importancia del descubrimiento de las partículas subatómicas (protón, neutrón y electrón) en la evolución del modelo atómico. ¿Cómo cambió nuestra comprensión de la materia a partir de estos descubrimientos?
- Explique en detalle la composición interna de los protones y neutrones en términos de quarks. ¿Cómo las fuerzas fundamentales, como la fuerza nuclear fuerte, juegan un papel en la estabilidad del núcleo atómico?
- Compare y contraste las propiedades fundamentales de los protones, neutrones y electrones, incluyendo su carga, masa y ubicación dentro del átomo. ¿Cómo estas diferencias contribuyen a las propiedades químicas y físicas de los elementos?
- Analice la relación entre el número atómico, el número másico y los isótopos de un elemento. Proporcione ejemplos para ilustrar cómo estas variaciones en la composición nuclear afectan las propiedades de los átomos.
- El texto menciona el "modelo estándar de partículas fundamentales". Investigue y explique brevemente los conceptos clave de este modelo en relación con las partículas subatómicas discutidas en el texto. ¿Qué preguntas fundamentales sobre la naturaleza de la materia aún quedan sin respuesta dentro de este modelo?
Glosario de Términos Clave
- Átomo
- La partícula más pequeña de un elemento químico que puede participar en una combinación química y mantener las propiedades características de ese elemento.
- Protón
- Una partícula subatómica con carga eléctrica positiva (+1) que se encuentra en el núcleo de los átomos y determina el número atómico del elemento.
- Neutrón
- Una partícula subatómica sin carga eléctrica (neutra) que se encuentra en el núcleo de los átomos junto con los protones, contribuyendo a la masa y la estabilidad nuclear.
- Electrón
- Una partícula subatómica elemental con carga eléctrica negativa (-1) que orbita el núcleo de un átomo y determina sus propiedades químicas.
- Núcleo Atómico
- La región central densa de un átomo que contiene los protones y los neutrones y donde se concentra la mayor parte de la masa del átomo.
- Número Atómico (Z)
- El número de protones en el núcleo de un átomo, que determina la identidad química del elemento.
- Número Másico (A)
- La suma total del número de protones y neutrones en el núcleo de un átomo.
- Isótopo
- Átomos de un mismo elemento que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones, lo que resulta en diferentes números másicos.
- Quark
- Una partícula fundamental que constituye los protones y los neutrones. Existen seis tipos de quarks: up, down, charm, strange, top y bottom.
- Leptón
- Una de las dos clases principales de partículas fundamentales (la otra son los quarks). Los electrones son un tipo de leptón. Los leptones no están compuestos por quarks.
- Hadrón
- Una partícula subatómica compuesta por dos o más quarks unidos por la fuerza nuclear fuerte. Los protones y los neutrones son ejemplos de hadrones.
- Modelo Estándar de Partículas
- Una teoría en física de partículas que describe las fuerzas fundamentales conocidas (excepto la gravedad) y clasifica todas las partículas elementales conocidas en dos grandes grupos: fermiones (que incluyen quarks y leptones) y bosones (que son portadores de fuerza).
- Fuerza Nuclear Fuerte
- Una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, responsable de mantener unidos los quarks dentro de los protones y neutrones, y de mantener unidos los protones y neutrones en el núcleo atómico.