Fundamentos de Electricidad, Materia y Estructura Atómica

Naturaleza Eléctrica de la Materia

La materia experimenta fenómenos eléctricos porque posee carga eléctrica, la cual puede ser positiva (+) o negativa (-).

• Cargas del mismo signo se repelen.
• Cargas de diferente signo se atraen.

Un cuerpo es eléctricamente neutro cuando tiene el mismo número de cargas positivas y negativas.

Un cuerpo se considera con carga positiva cuando tiene más cargas positivas que negativas (ha perdido electrones).

Un cuerpo se considera con carga negativa cuando tiene más cargas negativas que positivas (ha ganado electrones).

La unidad de medida de la carga eléctrica en el Sistema Internacional es el Coulomb (C). La fuerza que se ejercen entre sí las cargas se describe mediante la Ley de Coulomb.

Ley de Coulomb

Describe la fuerza de interacción entre dos cargas puntuales en reposo. La fórmula de su magnitud es:

F = K * |Q₁ * Q₂| / d²

• F: Magnitud de la fuerza eléctrica entre las cargas (en Newtons, N).
• K: Constante de Coulomb (aproximadamente 9 x 10⁹ N·m²/C² en el vacío).
• Q₁ y Q₂: Magnitud de las cargas eléctricas (en Coulombs, C).
• d: Distancia entre las cargas (en metros, m).

Interpretación:

• Cuanto mayor es el valor de las cargas (Q), mayor es la fuerza (F).
• Cuanto mayor es la distancia (d), menor es la fuerza (F).

La fuerza es de atracción si las cargas tienen signos opuestos y de repulsión si tienen el mismo signo.

Partículas Subatómicas Fundamentales

• Protón: Se encuentra en el núcleo. Posee carga eléctrica positiva (+e) y tiene una masa significativa (aproximadamente 1 uma).
• Neutrón: Se encuentra en el núcleo. No tiene carga eléctrica (es neutro) y su masa es muy similar a la del protón (aproximadamente 1 uma).
• Electrón: Orbita alrededor del núcleo. Posee carga eléctrica negativa (-e) y tiene una masa mucho menor, considerada casi despreciable en comparación con protones y neutrones para cálculos de masa atómica.

Modelos Atómicos

Modelo de Thomson (Pastel de Pasas)

Propuso que el átomo consistía en una esfera de materia con carga positiva distribuida uniformemente, en la cual estaban incrustados los electrones (con carga negativa) de forma similar a las pasas en un pastel. La carga positiva total era igual a la carga negativa total, haciendo al átomo eléctricamente neutro.

Modelo de Rutherford (Modelo Nuclear)

Basado en su experimento de la lámina de oro, Rutherford concluyó:

• La mayor parte del átomo es espacio vacío.
• Existe una zona central muy pequeña y densa, llamada núcleo, donde se concentra casi toda la masa del átomo y toda la carga positiva.
• Los electrones orbitan alrededor de este núcleo.

Estructura Atómica según Rutherford:

• Núcleo: Muy pequeño, contiene protones (+) y neutrones (sin carga).
• Corteza: Zona exterior donde los electrones (-) giran alrededor del núcleo.

Modelo de Bohr

Aplicado principalmente al átomo de hidrógeno, postuló:

• Los electrones giran alrededor del núcleo únicamente en órbitas circulares específicas y estables llamadas niveles de energía o capas. En estas órbitas permitidas, el electrón no emite energía.
• Cuanto más alejada está una órbita del núcleo, mayor es la energía del electrón que se encuentra en ella.
• Un electrón solo puede ganar o perder energía al saltar de una órbita permitida a otra. Absorbe energía para pasar a una órbita de mayor energía (más externa) y emite energía (generalmente como luz) para pasar a una de menor energía (más interna).

Número Atómico, Número Másico y Distribución Electrónica

Número Atómico (Z)

Es el número de protones que hay en el núcleo de un átomo. Este número define al elemento químico (es decir, todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo Z) y determina la posición del elemento en la tabla periódica.

Número Másico (A)

Es la suma del número de protones (Z) y el número de neutrones (N) en el núcleo de un átomo (A = Z + N).

Isótopos

Son átomos del mismo elemento químico (igual número atómico, Z) pero que tienen diferente número de neutrones y, por lo tanto, diferente número másico (A).

Distribución Electrónica

Los electrones se organizan en capas o niveles de energía alrededor del núcleo. La capacidad máxima teórica de electrones por capa (n) es 2n²:

• Capa 1 (K, n=1): hasta 2 electrones
• Capa 2 (L, n=2): hasta 8 electrones
• Capa 3 (M, n=3): hasta 18 electrones
• Capa 4 (N, n=4): hasta 32 electrones

Nota: La distribución real en átomos multielectrónicos sigue reglas más específicas (principio de Aufbau, regla de Hund, principio de exclusión de Pauli).

Iones

Son átomos o grupos de átomos que han ganado o perdido electrones y, por lo tanto, tienen una carga eléctrica neta.

• Catión: Ion con carga positiva. Se forma cuando un átomo neutro pierde uno o más electrones. El número de protones es mayor que el número de electrones.
• Anión: Ion con carga negativa. Se forma cuando un átomo neutro gana uno o más electrones. El número de protones es menor que el número de electrones.

Masa Atómica

Es la masa promedio de los átomos de un elemento, calculada como la media ponderada de las masas de sus isótopos naturales, teniendo en cuenta su abundancia relativa. Se expresa comúnmente en unidades de masa atómica (uma), donde 1 uma se define como 1/12 de la masa de un átomo de carbono-12 (¹²C).

Radiactividad

Es un proceso espontáneo mediante el cual los núcleos atómicos inestables emiten partículas o radiación electromagnética (denominadas conjuntamente radiaciones) para transformarse en núcleos más estables.

Tipos de Radiación

• Partículas Alfa (α): Son núcleos de Helio (⁴₂He), compuestas por 2 protones y 2 neutrones. Tienen carga positiva (+2e), son relativamente pesadas y lentas. Su poder de penetración es bajo (pueden ser detenidas por una hoja de papel o la piel).
• Partículas Beta (β): Son electrones (β^-) o positrones (β⁺) emitidos desde el núcleo durante la desintegración beta. Son mucho más ligeras que las partículas alfa, tienen carga negativa (-e para β^-) o positiva (+e para β⁺) y son más rápidas. Tienen un poder de penetración mayor que las alfa (pueden ser detenidas por una lámina fina de metal como el aluminio).
• Radiación Gamma (γ): Es radiación electromagnética de alta energía (fotones), similar a los rayos X pero de origen nuclear. No tiene masa ni carga eléctrica. Viaja a la velocidad de la luz y tiene un gran poder de penetración (se necesitan materiales densos como plomo o grandes espesores de hormigón para atenuarla significativamente).

Producción de Energía Nuclear

Reacción de Fisión Nuclear

Consiste en la división del núcleo de un átomo pesado e inestable (como el Uranio-235 o Plutonio-239), generalmente inducida por la absorción de un neutrón, en dos o más núcleos más ligeros y estables. Este proceso va acompañado de la liberación de una gran cantidad de energía y de neutrones adicionales, que pueden provocar una reacción en cadena. La energía liberada proviene de la conversión de una pequeña parte de la masa nuclear en energía, según la ecuación de Einstein E=mc².

Reacción de Fusión Nuclear

Consiste en la unión de varios núcleos atómicos ligeros (como isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio) para formar un núcleo más pesado y estable. Este proceso libera una cantidad de energía aún mayor que la fisión por unidad de masa, también debido a la conversión de masa en energía. Es el proceso fundamental que ocurre en el interior de las estrellas, como el Sol.