Exploración de los Fundamentos Atómicos y Nucleares en Física

Conceptos Fundamentales de la Estructura Atómica y Nuclear

Isótopos

Se denominan isótopos a los átomos que poseen el mismo número de protones (mismo número atómico, Z) pero difieren en el número de neutrones (distinto número másico, A).

Iones

Los iones son átomos que han ganado o perdido electrones. Cuando un átomo pierde electrones, adquiere una carga neta positiva y se convierte en un catión (ion positivo). Por el contrario, cuando un átomo gana electrones, adquiere una carga neta negativa y se convierte en un anión (ion negativo).

Radiactividad

La radiactividad es el proceso por el cual un núcleo atómico inestable pierde energía emitiendo radiación, ya sea en forma de partículas (alfa, beta) o de ondas electromagnéticas (gamma).

Fisión Nuclear

La fisión nuclear es el proceso en el cual un núcleo atómico pesado se divide en dos o más núcleos más pequeños, liberando una gran cantidad de energía.

Fusión Nuclear

La fusión nuclear es el proceso por el cual dos núcleos atómicos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado, liberando también una considerable cantidad de energía.

Tipos de Radiación

• Radiación Alfa (α): Está formada por partículas alfa, que consisten en dos protones y dos neutrones (equivalente a un núcleo de helio). Poseen una carga positiva (+2e) y un bajo poder de penetración, siendo fácilmente detenidas por una hoja de papel o la piel.
• Radiación Beta (β): Está formada por partículas beta, que son electrones o positrones de alta energía. Poseen una carga negativa (-e para electrones, +e para positrones) y un poder de penetración mayor que las partículas alfa, pudiendo ser detenidas por una lámina delgada de aluminio.
• Radiación Gamma (γ): Es una forma de radiación electromagnética de alta energía, similar a los rayos X o la luz visible, pero con longitudes de onda mucho más cortas. No posee carga eléctrica y tiene un poder de penetración extremadamente alto, requiriendo gruesas capas de plomo u hormigón para su atenuación significativa.

Estructura del Átomo

Un átomo se compone fundamentalmente de tres tipos de partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones.

• Los protones poseen una carga eléctrica positiva (+e).
• Los neutrones no tienen carga eléctrica (carga nula).
• Los electrones poseen una carga eléctrica negativa (-e), de igual magnitud que la del protón pero de signo opuesto.

La unidad de medida de la carga eléctrica es el culombio (C).

Modelos Atómicos Históricos

La concepción del átomo ha evolucionado a lo largo de la historia. Tras demostrarse que el átomo no era una partícula indivisible, surgieron diversos modelos para explicar su estructura interna.

Modelo Atómico de Thomson (Modelo del Pudín de Pasas)

Joseph John Thomson propuso que el átomo era una esfera uniforme de carga positiva, en la cual se encontraban incrustados los electrones, de carga negativa, como pasas en un pudín. La carga negativa de los electrones compensaba la carga positiva de la esfera, resultando en un átomo eléctricamente neutro.

Modelo Atómico de Rutherford (Modelo Planetario)

Ernest Rutherford, a partir de su famoso experimento de la lámina de oro, propuso un modelo atómico en el que el átomo se compone de un núcleo central muy pequeño y denso, donde se concentra casi toda la masa y toda la carga positiva. Alrededor de este núcleo, los electrones giran en órbitas. Este modelo explicaba por qué la mayoría de las partículas alfa atravesaban la lámina de oro sin desviarse (indicando que el átomo es mayormente espacio vacío), mientras que algunas se desviaban significativamente o incluso rebotaban (al pasar cerca o chocar directamente con el pequeño y denso núcleo positivo).

Modelo Atómico de Bohr

Niels Bohr refinó el modelo de Rutherford introduciendo la cuantización de las órbitas electrónicas. Según el modelo de Bohr:

• Los electrones solo pueden girar alrededor del núcleo en ciertas órbitas circulares permitidas, llamadas niveles de energía o capas estacionarias, sin emitir ni absorber energía.
• Cada órbita permitida tiene una energía específica asociada. Los electrones se sitúan en los niveles de energía más bajos disponibles.
• Los electrones pueden saltar de un nivel de energía a otro absorbiendo o emitiendo un cuanto de energía (fotón) de una frecuencia específica.

A diferencia del modelo de Rutherford, donde los electrones podían orbitar a cualquier distancia del núcleo, el modelo de Bohr establece que solo existen órbitas discretas con energías cuantizadas.