Los átomos son las unidades básicas de la materia y la estructura definitoria de los elementos. El término "átomo" proviene de la palabra griega que significa indivisible, porque una vez se pensó que los átomos eran las cosas más pequeñas del universo y no podían dividirse. Ahora sabemos que los átomos están formados por tres partículas: protones, neutrones y electrones, que están compuestos por partículas aún más pequeñas, como los quarks.
Los átomos se crearon después del Big Bang hace 13.700 millones de años. A medida que el nuevo universo caliente y denso se enfrió, las condiciones se volvieron adecuadas para la formación de quarks y electrones. Los Quarks se unieron para formar protones y neutrones, y estas partículas se combinaron en núcleos. Todo esto tuvo lugar dentro de los primeros minutos de la existencia del universo, según el CERN.
El universo tardó 380,000 años en enfriarse lo suficiente como para desacelerar los electrones para que los núcleos pudieran capturarlos para formar los primeros átomos. Los primeros átomos fueron principalmente hidrógeno y helio, que siguen siendo los elementos más abundantes en el universo, según Jefferson Lab. La gravedad eventualmente causó que las nubes de gas se unieran y formaran estrellas, y los átomos más pesados fueron (y aún son) creados dentro de las estrellas y enviados a todo el universo cuando la estrella explotó (supernova).
Partículas atómicas
Los protones y los neutrones son más pesados que los electrones y residen en el núcleo en el centro del átomo. Los electrones son extremadamente livianos y existen en una nube que orbita el núcleo. La nube de electrones tiene un radio 10.000 veces mayor que el núcleo, según el Laboratorio Nacional de Los Alamos.
Los protones y los neutrones tienen aproximadamente la misma masa. Sin embargo, un protón es aproximadamente 1.835 veces más masivo que un electrón. Los átomos siempre tienen el mismo número de protones y electrones, y el número de protones y neutrones también suele ser el mismo. Agregar un protón a un átomo crea un nuevo elemento, mientras que agregar un neutrón crea un isótopo o una versión más pesada de ese átomo.
Núcleo
El núcleo fue descubierto en 1911 por Ernest Rutherford, un físico de Nueva Zelanda. En 1920, Rutherford propuso el nombre de protón para las partículas cargadas positivamente del átomo. También teorizó que había una partícula neutral dentro del núcleo, que James Chadwick, físico británico y estudiante de Rutherford, pudo confirmar en 1932.
Prácticamente toda la masa de un átomo reside en su núcleo, según Chemistry LibreTexts. Los protones y neutrones que forman el núcleo son aproximadamente de la misma masa (el protón es ligeramente menor) y tienen el mismo momento angular o giro.
El núcleo se mantiene unido por la fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas básicas de la naturaleza. Esta fuerza entre los protones y los neutrones supera la fuerza eléctrica repulsiva que de otro modo separaría a los protones, de acuerdo con las reglas de la electricidad. Algunos núcleos atómicos son inestables porque la fuerza de unión varía para diferentes átomos según el tamaño del núcleo. Estos átomos se descompondrán en otros elementos, como el carbono 14 que se descompone en nitrógeno-14.
Protones
Los protones son partículas cargadas positivamente que se encuentran dentro de los núcleos atómicos. Rutherford los descubrió en experimentos con tubos de rayos catódicos que se realizaron entre 1911 y 1919. Los protones son aproximadamente 99.86% tan masivos como los neutrones.
El número de protones en un átomo es único para cada elemento. Por ejemplo, los átomos de carbono tienen seis protones, los átomos de hidrógeno tienen uno y los átomos de oxígeno tienen ocho. El número de protones en un átomo se conoce como el número atómico de ese elemento. El número de protones también determina el comportamiento químico del elemento. Los elementos se organizan en la tabla periódica de los elementos en orden de número atómico creciente.
Tres quarks forman cada protón: dos quarks "arriba" (cada uno con una carga positiva de dos tercios) y un quark "abajo" (con una carga negativa de un tercio), y se mantienen unidos por otras partículas subatómicas llamadas gluones, que no tienen masa
Electrones
Los electrones son pequeños en comparación con los protones y los neutrones, más de 1.800 veces más pequeños que un protón o un neutrón. Los electrones son aproximadamente 0.054% tan masivos como los neutrones, según Jefferson Lab.
Joseph John (J.J.) Thomson, un físico británico, descubrió el electrón en 1897, según el Science History Institute. Originalmente conocidos como "corpúsculos", los electrones tienen una carga negativa y son atraídos eléctricamente a los protones cargados positivamente. Los electrones rodean el núcleo atómico en vías llamadas orbitales, una idea presentada por Erwin Schrödinger, un físico austriaco, en la década de 1920. Hoy, este modelo se conoce como modelo cuántico o modelo de nube de electrones. Los orbitales internos que rodean el átomo son esféricos, pero los orbitales externos son mucho más complicados.
La configuración electrónica de un átomo se refiere a las ubicaciones de los electrones en un átomo típico. Utilizando la configuración electrónica y los principios de la física, los químicos pueden predecir las propiedades de un átomo, como la estabilidad, el punto de ebullición y la conductividad, según el Laboratorio Nacional de Los Alamos.
Neutrones
La existencia del neutrón fue teorizada por Rutherford en 1920 y descubierta por Chadwick en 1932, según la American Physical Society. Se encontraron neutrones durante los experimentos cuando se dispararon átomos a una delgada lámina de berilio. Se liberaron partículas subatómicas sin carga: el neutrón.
Los neutrones son partículas sin carga que se encuentran dentro de todos los núcleos atómicos (excepto el hidrógeno). La masa de un neutrón es ligeramente más grande que la de un protón. Al igual que los protones, los neutrones también están hechos de quarks: un quark "arriba" (con una carga positiva de 2/3) y dos quarks "abajo" (cada uno con una carga negativa de un tercio).
Historia del átomo
La teoría del átomo se remonta al menos a 440 a.C. a Demócrito, un científico y filósofo griego. Demócrito probablemente construyó su teoría de los átomos sobre el trabajo de filósofos pasados, según Andrew G. Van Melsen, autor de "Del átomo al átomo: la historia del átomo conceptual" (Duquesne University Press, 1952).
La explicación del átomo de Demócrito comienza con una piedra. Una piedra cortada por la mitad da dos mitades de la misma piedra. Si la piedra se cortara continuamente, en algún momento existiría un pedazo de piedra lo suficientemente pequeño como para que ya no se pudiera cortar. El término "átomo" proviene de la palabra griega para indivisible, que Demócrito concluyó debe ser el punto en el que un ser (cualquier forma de materia) ya no se puede dividir.
Su explicación incluía las ideas de que los átomos existen por separado, que hay una cantidad infinita de átomos, que los átomos pueden moverse, que se pueden combinar para crear materia pero que no se fusionan para convertirse en un nuevo átomo, y que no se puede dividir, según Universe Today. Sin embargo, debido a que la mayoría de los filósofos de la época, especialmente el muy influyente Aristóteles, creían que toda la materia se creó a partir de la tierra, el aire, el fuego y el agua, la teoría atómica de Demócrito se dejó de lado.
John Dalton, un químico británico, se basó en las ideas de Demócrito en 1803 cuando presentó su propia teoría atómica, según el departamento de química de la Universidad de Purdue. La teoría de Dalton incluía varias ideas de Demócrito, como que los átomos son indivisibles e indestructibles y que se forman átomos diferentes para crear toda la materia. Las adiciones de Dalton a la teoría incluyeron las siguientes ideas: que todos los átomos de cierto elemento eran idénticos, que los átomos de un elemento tendrán pesos y propiedades diferentes que los átomos de otro elemento, que los átomos no pueden ser creados o destruidos y que la materia está formada por átomos que se combinan en números enteros simples.
Thomson, el físico británico que descubrió el electrón en 1897, demostró que los átomos pueden dividirse, según la Chemical Heritage Foundation. Pudo determinar la existencia de electrones estudiando las propiedades de la descarga eléctrica en los tubos de rayos catódicos. Según el artículo de Thomson de 1897, los rayos se desviaron dentro del tubo, lo que demostró que había algo cargado negativamente dentro del tubo de vacío. En 1899, Thomson publicó una descripción de su versión del átomo, comúnmente conocido como el "modelo de pudín de ciruela". Un extracto de este documento se encuentra en el sitio del Equipo Chem. El modelo del átomo de Thomson incluía una gran cantidad de electrones suspendidos en algo que producía una carga positiva que le daba al átomo una carga neutra general. Su modelo se parecía al pudín de ciruela, un popular postre británico que tenía pasas suspendidas en una bola redonda similar a un pastel.
El siguiente científico que modificó y avanzó aún más el modelo atómico fue Rutherford, quien estudió con Thomson, según el departamento de química de la Universidad de Purdue. En 1911, Rutherford publicó su versión del átomo, que incluía un núcleo cargado positivamente orbitado por electrones. Este modelo surgió cuando Rutherford y sus asistentes dispararon partículas alfa a finas láminas de oro. Una partícula alfa está compuesta de dos protones y dos neutrones, todos unidos por la misma fuerza nuclear fuerte que une el núcleo, según el Laboratorio Jefferson.
Los científicos notaron que un pequeño porcentaje de las partículas alfa se dispersaron en ángulos muy grandes con respecto a la dirección de movimiento original, mientras que la mayoría atravesó apenas perturbada. Rutherford pudo aproximar el tamaño del núcleo del átomo de oro, descubriendo que era al menos 10,000 veces más pequeño que el tamaño del átomo completo, con gran parte del átomo como espacio vacío. El modelo atómico de Rutherford sigue siendo el modelo básico que se usa hoy en día.
Varios otros científicos promovieron el modelo atómico, incluidos Niels Bohr (construido sobre el modelo de Rutherford para incluir propiedades de electrones basados en el espectro de hidrógeno), Erwin Schrödinger (desarrolló el modelo cuántico del átomo), Werner Heisenberg (declaró que uno no puede conocer ambos). posición y velocidad de un electrón simultáneamente), y Murray Gell-Mann y George Zweig (desarrollaron independientemente la teoría de que los protones y los neutrones estaban compuestos de quarks).
