El Átomo al Descubierto: Estructura, Energía Nuclear y Principios Electrostáticos

Fundamentos de la Teoría Atómica y Estructura Nuclear

El Átomo: Conceptos Iniciales

Definición Histórica de Átomo

El término átomo (del griego ἄτομος, atomos, que significa "indivisible") fue introducido por Demócrito, quien lo consideraba el elemento primario a partir del cual se componía toda la materia.

Componentes del Átomo y Modelo Básico

El átomo está compuesto por partículas subatómicas. Consta de un núcleo central (que contiene protones y neutrones) y orbitales (regiones donde se mueven los electrones alrededor del núcleo).

Según el modelo atómico básico:

• El núcleo posee carga positiva.
• Por los orbitales se mueven las cargas negativas (electrones).
• El átomo es eléctricamente neutro en su estado fundamental.

Simbología importante:

• Z: Número atómico (cantidad de protones, p⁺).
• N: Número de neutrones (n).
• e^-: Electrones.

Partículas Subatómicas Fundamentales

Estructura Atómica Detallada

Distribución de Partículas

En el núcleo del átomo se encuentran los protones (p⁺) y los neutrones (n). Alrededor del núcleo se encuentran los electrones (e^-). En un átomo eléctricamente neutro, el número de protones es igual al número de electrones.

Nucleones y Número Másico (A)

Las partículas que forman el núcleo (protones y neutrones) se denominan colectivamente nucleones. La suma total de nucleones (protones + neutrones) en el núcleo de un átomo se conoce como número másico y se representa con la letra A.

A = Z + N

Donde:

• A = Número másico
• Z = Número atómico (número de protones)
• N = Número de neutrones (por lo tanto, N = A - Z)

Leyes de Conservación en Procesos Nucleares

En las reacciones nucleares, ciertas cantidades se conservan:

• Conservación de la carga eléctrica: El número atómico total (Z), que representa la carga nuclear, se conserva.
• Conservación del número másico: El número másico total (A), que representa el número total de nucleones, se conserva en cualquier interacción nuclear.

Características Generales del Átomo

El átomo posee un núcleo que ocupa una porción muy pequeña de su volumen total y se encuentra en su centro. Este núcleo contiene la carga positiva del átomo y concentra prácticamente toda su masa. Los electrones se encuentran en la envoltura electrónica, moviéndose alrededor del núcleo atómico.

Propiedades de los Núcleos Atómicos

El número atómico (Z) es fundamental ya que define al elemento químico; cada elemento posee un número de protones (Z) único y específico. Dado que un átomo es eléctricamente neutro, el número de electrones debe ser igual al número de protones. Sin embargo, el número de neutrones (N) puede variar para un mismo elemento químico, dando lugar a los isótopos.

Clasificación de los Nucleidos

Los nucleidos (especies atómicas caracterizadas por la composición de su núcleo) se pueden clasificar en:

• Isótopos: Nucleidos de un mismo elemento químico que tienen el mismo número atómico (igual Z) pero diferente número másico (diferente N).
• Isóbaros: Nucleidos de diferentes elementos químicos que tienen el mismo número másico (igual A) pero diferente número atómico (diferente Z y N).
• Isótonos: Nucleidos de diferentes elementos químicos que tienen diferente número atómico (diferente Z) y diferente número másico (diferente A), pero poseen el mismo número de neutrones (igual N).

Representación de un Nucleido

Un nucleido de un elemento químico, simbolizado por X, se identifica utilizando su número atómico (Z) y su número másico (A). La nomenclatura comúnmente utilizada es: _ZX^A.

Masa Atómica y Nuclear

Masa Nuclear y su Cálculo Teórico

La masa nuclear, que es la masa del núcleo de un átomo, se puede representar como M(A,Z). Teóricamente, la masa de un núcleo (M_{N (teórica)}) sería igual a la suma de las masas de los nucleones (protones y neutrones) que lo componen:

M_{N (teórica)} = Z * m_p + N * m_n

Dado que N = A - Z, la fórmula también se puede expresar como:

M_{N (teórica)} = Z * m_p + (A - Z) * m_n

Donde:

• m_p es la masa de un protón.
• m_n es la masa de un neutrón.

Defecto de Masa en los Núcleos Atómicos (Δm)

El defecto de masa (Δm) es la diferencia que existe entre la suma de las masas de los nucleones individuales (M_{N (teórica)}) y la masa real observada del núcleo atómico (m_núcleo).

Cuando los nucleones se agrupan para formar un núcleo, en este proceso se libera energía y, consecuentemente (debido a la equivalencia masa-energía), se pierde una pequeña cantidad de masa. Es decir, la masa del núcleo formado es ligeramente menor que la suma de las masas de sus nucleones constituyentes. Esta diferencia es el defecto de masa.

Unidad de Masa Atómica (u)

La unidad de masa atómica (u), también conocida como Dalton (Da), se define como la doceava parte (1/12) de la masa de un átomo neutro de carbono-12 (¹²C) en su estado fundamental nuclear y electrónico.

Equivalencias:

• 1 u ≈ 1,660539 × 10^-27 kg
• 1 kg ≈ 6,022141 × 10²⁶ u

La masa del protón es aproximadamente: m_p ≈ 1,00728 u

La masa del neutrón es aproximadamente: m_n ≈ 1,00867 u

Cálculo del Defecto de Masa (Δm)

El defecto de masa se calcula como:

Δm = [ Z * m_p + (A – Z) * m_n ] – m_núcleo

Donde:

• Z * m_p es la masa total teórica de los protones.
• (A – Z) * m_n es la masa total teórica de los neutrones.
• m_núcleo es la masa observada (real) del núcleo.

Energía Nuclear

Equivalencia entre Masa y Energía (Principio de Einstein)

En los procesos nucleares, así como en otros fenómenos físicos, la masa y la energía son interconvertibles, tal como lo establece la famosa ecuación de Albert Einstein:

E = mc²

Donde:

• E es la energía.
• m es la masa.
• c es la velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 2,998 × 10⁸ m/s).

Una variación en la masa (Δm) está directamente relacionada con una variación en la energía (ΔE) mediante la expresión:

ΔE = Δm * c²

Energía de Enlace Nuclear (E_e)

La energía de enlace nuclear (E_e) es la energía que se libera cuando los nucleones (protones y neutrones) se unen para formar un núcleo atómico. Equivalentemente, es la energía que se necesitaría suministrar al núcleo para separarlo en sus nucleones constituyentes individuales.

Esta energía de enlace está directamente relacionada con el defecto de masa (Δm) a través de la ecuación de Einstein:

E_e = Δm * c²

Una mayor energía de enlace por nucleón indica un núcleo más estable.

Radiactividad

Descubrimiento y Definición

La radiactividad fue descubierta en 1896 por Henri Becquerel y posteriormente investigada en profundidad por Marie y Pierre Curie. Observaron que ciertos elementos, especialmente aquellos de mayor masa atómica, emiten de forma espontánea un tipo particular de radiación.

La radiactividad es la propiedad que poseen los núcleos de ciertos átomos (denominados radionucleidos o radioisótopos) de desintegrarse espontáneamente, emitiendo partículas y/o radiación electromagnética, transformándose en núcleos de otros elementos o en un estado de menor energía del mismo elemento. Este fenómeno evidencia la interconversión de materia y energía, según la relación ΔE = Δm * c².

Características de la Desintegración Radiactiva

• Espontánea: Ocurre sin necesidad de un aporte de energía externa para iniciarse.
• Continua y persistente: La emisión de radiación prosigue hasta que el material radiactivo se transforma en una especie estable o se agota significativamente.
• Independiente de factores externos: El ritmo de desintegración radiactiva (velocidad de decaimiento) no se ve afectado por cambios de temperatura, presión o por reacciones químicas.
• Inherente al núcleo: Es una propiedad intrínseca del núcleo atómico; por ejemplo, los isótopos radiactivos del uranio (U) son conocidos por su radiactividad.

Tiempo de Vida Medio (t_1/2) o Semivida

El tiempo de vida medio (t_1/2), también conocido como semivida o periodo de semidesintegración, es el tiempo necesario para que la mitad de los núcleos radiactivos presentes en una muestra se desintegren, transformándose en átomos de elementos más ligeros o en otros isótopos.

Interacciones Electrostáticas

Ley de Coulomb

Definición y Fórmula

La Ley de Coulomb, formulada por Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), describe la fuerza electrostática entre dos partículas cargadas eléctricamente. Establece que la magnitud de la fuerza (F_c) que ejercen entre sí dos cargas puntuales (q₁ y q₂) es directamente proporcional al producto de las magnitudes de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que las separa.

La fórmula matemática es:

F_c = k * (|q₁ * q₂|) / r²

Donde:

• F_c es la magnitud de la fuerza electrostática (en Newtons, N).
• q₁ y q₂ son las magnitudes de las cargas eléctricas (en Coulombs, C). Se usa el valor absoluto del producto para la magnitud de la fuerza.
• r es la distancia entre las cargas (en metros, m).
• k es la constante de Coulomb, cuyo valor en el vacío es aproximadamente 8,9875 × 10⁹ N·m²/C² (a menudo se aproxima a 9 × 10⁹ N·m²/C²).

Carga Neta

La carga neta de un objeto o sistema es la suma algebraica de todas las cargas eléctricas individuales presentes en él, teniendo en cuenta su signo (positivo o negativo). Si un objeto tiene un exceso de electrones, su carga neta será negativa; si tiene un déficit de electrones, su carga neta será positiva. Si el número de cargas positivas y negativas es igual, la carga neta es cero y el objeto es eléctricamente neutro.

Naturaleza de la Fuerza Electrostática

La dirección de la fuerza electrostática depende de los signos de las cargas interactuantes:

• Cargas eléctricas del mismo signo (ambas positivas o ambas negativas) se repelen.
• Cargas eléctricas de signos opuestos (una positiva y una negativa) se atraen.

El carácter de la fuerza (F_r) puede ser:

• Atractivo: Cuando las cargas tienen signos diferentes (ej: + y -).
• Repulsivo: Cuando las cargas tienen signos iguales (ej: + y + ó - y -).