El Átomo, concepto e historia

El diminuto átomo representa la mínima expresión de un elemento químico. En la filosofía antigua de Grecia, se utilizaba el término "átomo" para hacer referencia a la partícula más ínfima de materia que se pudiera imaginar, la cual se consideraba indestructible. En verdad, este concepto de "partícula elemental" -como se le denomina hoy día- se relacionaba con la palabra átomo en tanto que, en griego, esta última quiere decir "no divisible". A lo largo de los siglos, el tamaño y la naturaleza del átomo han sido objeto de conjeturas y teorías, por lo que su comprensión se ha desarrollado con lentitud.

Introducción

El advenimiento de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII impulsó el progreso en la teoría atómica. Los químicos notaron rápidamente que todas las sustancias, ya sean líquidos, gases o sólidos, podían ser descompuestos en sus elementos constituyentes. Por ejemplo, se descubrió que la sal estaba compuesta por dos elementos diferentes, sodio y cloro, que se unían en una conexión íntima conocida como compuesto químico. En contraste, se determinó que el aire era una mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno.

Por mucho tiempo, los científicos de la física han estado en la búsqueda de una teoría que permita establecer un orden en el desordenado mundo de las partículas. Actualmente, se han agrupado las partículas de acuerdo a la fuerza que domina sus interacciones. Es importante destacar que todas las partículas son afectadas por la gravedad, no obstante, esta resulta ser extremadamente débil en la escala subatómica. Los hadrones, entre los que se encuentran el protón, el neutrón, los mesones y los hiperones, son sometidos a la fuerza nuclear fuerte y al electromagnetismo. Por otro lado, los leptones, compuestos por el electrón, el muón, el tau y los neutrinos, experimentan la fuerza electromagnética y la nuclear débil.

Los bosones, que son un tipo de partículas relacionadas con las interacciones, están compuestos por el fotón, el cual "transmite" la fuerza electromagnética, así como también las partículas W y Z, que actúan como portadoras de la fuerza nuclear débil. Existe un bosón hipotético, conocido como gravitón, el cual se cree que sería el portador de la fuerza gravitatoria. La fuerza nuclear débil, por su parte, se hace presente en procesos de desintegración radiactiva de partículas, tales como la liberación de un núcleo de helio durante una desintegración alfa de un núcleo atómico inestable.

Teoría de Dalton

El químico y educador británico John Dalton se encontraba intrigado por el "enigma" de los elementos. A comienzos del siglo XIX, se enfocó en el análisis de la forma en que los diversos elementos se combinan para formar compuestos químicos. Si bien varios otros científicos, incluso desde la época de los griegos antiguos, habían reconocido a los átomos como las unidades más diminutas de una sustancia, Dalton se considera uno de los pioneros más importantes de la teoría atómica por haberla cuantificado.

Dalton estableció que los átomos se combinaban en proporciones específicas. Los estudios revelaron que los átomos suelen agruparse formando moléculas. Un ejemplo es la molécula de agua, que está compuesta por un solo átomo de oxígeno (O) y dos átomos de hidrógeno (H) unidos por una fuerza eléctrica conocida como enlace químico, por lo que la fórmula química del agua se representa como HOH o H2O.

Todos los átomos de un elemento específico presentan las mismas características químicas. Por esta razón, desde una perspectiva química, el átomo representa la unidad más pequeña que se debe tener en cuenta. Los elementos químicos se distinguen por sus propiedades químicas únicas; sus átomos se combinan de maneras diversas para formar una gran cantidad de compuestos químicos diferentes.

Existen elementos como los gases nobles como el helio y neón que son inertes, lo que significa que no reaccionan con otros elementos excepto bajo condiciones especiales. Mientras que, a diferencia del oxígeno que se encuentra en moléculas diatómicas (formadas por dos átomos), el helio y otros gases inertes son elementos monoatómicos, ya que poseen una sola molécula por átomo.

Características del Átomo

Durante mucho tiempo, la dimensión y masa del átomo resultó un tema de gran interés para la comunidad científica. No obstante, la ausencia de instrumentos y técnicas adecuadas restringió la obtención de respuestas satisfactorias. Con el tiempo, se crearon una gran cantidad de experimentos ingeniosos para determinar el tamaño y la masa de los distintos átomos. El átomo más liviano, el hidrógeno, posee un diámetro de aproximadamente 10-10 m (0,0000000001 m) y una masa cercana a los 1,7 × 10-27 kg (una fracción de kilogramo representada por 17 precedido de 26 ceros y una coma decimal). Dado que un átomo es extremadamente pequeño, más de mil billones de átomos pueden encontrarse en una sola gota de agua.

A partir de la ley de Avogadro se puede deducir que las densidades, es decir, las masas de un volumen patrón de diferentes gases son proporcionales a la masa de cada molécula individual de gas. Si se establece el átomo de carbono como patrón y se le otorga un valor de 12,0000 unidades de masa atómica (u), se puede calcular que el hidrógeno tiene una masa atómica de 1,0079 u, el helio de 4,0026 u, el flúor de 18,9984 u y el sodio de 22,9898 u. Es común utilizar el término "peso atómico", aunque en realidad es más correcto hablar de "masa atómica", ya que la masa es una propiedad intrínseca de la materia, mientras que el peso es una fuerza que depende de la gravedad.

La aproximación de muchas masas atómicas a números enteros llevó a William Prout, un químico británico, a sugerir en 1816 que todos los elementos podrían estar compuestos por átomos de hidrógeno. Sin embargo, mediciones posteriores de las masas atómicas demostraron que esto no era del todo cierto, como el caso del cloro, cuya masa atómica se calcula en 35,453 si se asigna al carbono el valor 12.

El hallazgo de estas masas atómicas fraccionarias parecía desacreditar la hipótesis de Prout hasta un siglo más tarde, cuando se descubrió que los átomos de un elemento pueden tener diferentes masas. Estos átomos se llaman isótopos. En el caso del cloro, existen dos isótopos naturales. Los átomos de uno de ellos (cloro-35) tienen una masa atómica cercana a 35, mientras que los del otro (cloro-37) tienen una masa atómica próxima a 37. Los experimentos demuestran que el cloro es una mezcla de tres partes de cloro-35 por cada parte de cloro-37. Esta proporción explica la masa atómica observada del cloro.

En la primera mitad del siglo XX, era común utilizar el oxígeno natural como estándar para expresar las masas atómicas, otorgándole una masa atómica de 16 unidades. A mediados de los años 60, las organizaciones internacionales de química y física acordaron un nuevo estándar y asignaron una masa atómica exacta de 12 unidades a un isótopo abundante del carbono, el carbono 12. Este nuevo patrón es especialmente adecuado porque el carbono 12 se utiliza con frecuencia como referencia para calcular las masas atómicas mediante el espectrómetro de masas. Además, la tabla de masas atómicas basada en el carbono 12 es muy similar a la antigua tabla basada en el oxígeno natural.

El núcleo atómico

En 1919, Rutherford realizó un experimento en el que expuso gas nitrógeno a una fuente radiactiva que emitía partículas alfa. Estas partículas colisionaban con los núcleos de los átomos de nitrógeno, lo que provocaba su transformación en átomos de oxígeno y la emisión de partículas cargadas positivamente. Estas partículas se identificaron como protones, que se descubrió formaban parte de los núcleos de todos los elementos tras investigaciones posteriores.

No se obtuvieron más informaciones acerca de la estructura del núcleo hasta 1932, cuando el científico británico James Chadwick descubrió en el núcleo otra partícula sin carga eléctrica, el neutrón, que tiene una masa casi idéntica a la del protón. Este descubrimiento demostró que el núcleo se compone de protones y neutrones. En todo átomo, el número de protones es igual al número de electrones y, por consiguiente, al número atómico.

Los isótopos son variantes de un mismo elemento químico que tienen el mismo número de protones en su núcleo, pero diferente número de neutrones. En el caso del cloro, uno de sus isótopos es conocido como cloro-35 y se representa como 35Cl, mientras que su isótopo más pesado es el cloro-37, representado como 37Cl. Los superíndices en la notación indican la masa atómica del isótopo, que es la suma del número de protones y neutrones. A veces, el número atómico se escribe como subíndice, como en el caso del cloro, que se representa como Cl·.

Los núcleos menos estables son aquellos que tienen una cantidad impar de protones y/o neutrones, siendo la mayoría de los isótopos correspondientes a estos núcleos radiactivos, excepto cuatro. Además, la presencia de un exceso de neutrones en comparación con los protones también disminuye la estabilidad del núcleo. Este es el caso de los isótopos de los elementos situados por encima del bismuto en la tabla periódica, todos los cuales son radiactivos. La mayoría de los núcleos estables conocidos tienen una cantidad par de protones y neutrones.