Estructura Atómica: Descubrimiento, Modelo de Rutherford y Partículas Fundamentales

El Descubrimiento del Átomo y el Electrón

El electrón se descubre estudiando el comportamiento de los gases en el tubo de rayos catódicos. J.J. Thomson estableció que estos rayos están constituidos por partículas de pequeña masa, gran velocidad y con carga eléctrica negativa. La partícula identificada en los rayos catódicos pasó a llamarse electrón.

Propiedades del electrón:

• Masa (m_e): Aproximadamente 1/1837 de la masa del protón (m_p) o 1/1823 u (unidades de masa atómica).
• Carga (q_e): -1.6 × 10^-19 Culombios.

Algunas aplicaciones del tubo de rayos catódicos incluyen:

• Pantallas de televisores antiguos.
• Pantallas de osciloscopios.

Modelo Atómico de Rutherford

Basado en experimentos de dispersión de partículas alfa al bombardear una lámina fina de oro, Rutherford llegó a las siguientes conclusiones y propuso un nuevo modelo atómico.

Conclusiones del Experimento

• Aproximadamente el 95% de las partículas alfa atravesaban la lámina sin desviarse, como si no hallaran ningún obstáculo significativo.
• Cerca del 4% de las partículas se desviaban ligeramente, lo que sugería que el centro del átomo debía tener carga eléctrica positiva para repelerlas.
• Un porcentaje muy pequeño (aproximadamente el 1%) de las partículas rebotaban, indicando una colisión directa con una zona muy densa y masiva del átomo.

Postulados del Modelo Atómico

• El átomo está esencialmente vacío.
• El átomo posee un centro o núcleo con carga positiva, donde se concentra casi toda la masa.
• El núcleo es extremadamente pequeño en comparación con el tamaño total del átomo.

Modelo Atómico Nuclear de Rutherford (1911)

El modelo de Rutherford supone la existencia de un núcleo central que contiene toda la masa y la carga positiva del átomo. Este núcleo está rodeado por una corteza donde giran los electrones (con carga negativa) a su alrededor. El tamaño del núcleo es muy pequeño comparado con el tamaño total del átomo. Los electrones describen órbitas alrededor del núcleo, atraídos por fuerzas electromagnéticas.

Partículas Subatómicas

Tras el descubrimiento del electrón y el desarrollo del modelo nuclear, la investigación se centró en la composición del núcleo.

El Protón

Rutherford predijo que la carga positiva total del núcleo debía ser un múltiplo entero de una carga positiva fundamental. El protón (la partícula con esta carga positiva fundamental) se descubrió experimentalmente, también utilizando un tubo de rayos catódicos modificado (tubo de rayos canales o anódicos).

El Neutrón

Al determinar experimentalmente la masa de los núcleos de los elementos químicos, resultó ser aproximadamente el doble de lo esperado si solo estuvieran compuestos por protones. Esto llevó a la postulación y posterior descubrimiento del neutrón por James Chadwick en 1932. El neutrón es una partícula con una masa prácticamente igual a la del protón, pero sin carga eléctrica.

Isótopos

Definición de Isótopos

Los isótopos son variedades de un mismo elemento químico. Comparten el mismo número atómico (Z), que corresponde al número de protones en el núcleo, pero tienen diferente número másico (A). El número másico es la suma del número de protones y neutrones (A = Z + N). Por lo tanto, los isótopos de un elemento difieren en el número de neutrones en su núcleo.

La mayor parte de los elementos químicos en la naturaleza están constituidos por una mezcla de isótopos en proporciones variables.

Usos de los Isótopos

• Medicina: Tratamiento del cáncer (radioterapia), diagnóstico mediante trazadores radiactivos para observar el funcionamiento de órganos vitales.
• Energía: Combustible en centrales nucleares (fisión nuclear).
• Investigación: Datación (como el Carbono-14), estudios de mecanismos de reacción, etc.

Masa Isotópica y Masa Atómica de un Elemento

• Masa Isotópica (M_i): Es la masa de un isótopo específico de un elemento químico. Se mide habitualmente en unidades de masa atómica (u.m.a. o u).
• Masa Atómica (A_r): Es la masa promedio de un átomo de un elemento químico, teniendo en cuenta la abundancia relativa de sus isótopos naturales. Se calcula como un promedio ponderado de las masas de los distintos isótopos que constituyen dicho elemento. Este valor es el que se encuentra en la tabla periódica.

Fórmula para la masa atómica promedio:

A_r = ( %abundancia₁ × M_i1 + %abundancia₂ × M_i2 + ... ) / 100