Fundamentos de la Estructura Atómica y la Radiactividad Nuclear

Descubrimiento de los Rayos Catódicos y el Electrón

La propagación de los rayos catódicos consiste en un tubo al vacío donde se encuentran dos electrodos separados por una cierta distancia. Cuando se conecta a una alta tensión, el cátodo emite unos misteriosos rayos que viajan en línea recta hacia el ánodo.

Thomson, al estudiar estos rayos, se dio cuenta de que toda materia está compuesta por partículas de carga negativa y las llamó electrones.

El Modelo Atómico de Rutherford

El experimento de Ernest Rutherford consistió en bombardear una fina lámina de oro con partículas alfa. Se esperaba que el haz de partículas atravesara la lámina sin sufrir desviaciones en su trayectoria. Sin embargo, observó que un alto porcentaje de partículas atravesaban la lámina sin sufrir desviación, pero un cierto número de ellas era desviado.

Resultados Obtenidos:

• El átomo es mayormente vacío, lo que explicaría por qué la mayoría de las partículas atravesaron la lámina de oro sin sufrir desviación.
• El átomo posee un centro denso: el núcleo.
• El átomo es eléctricamente neutro; los electrones están rodeando el núcleo, girando en órbitas. La cantidad de electrones es igual y de signo contrario a la carga ubicada en el núcleo.

El Modelo Atómico de Bohr y la Mecánica Cuántica

El modelo de Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción que se observan en los gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo y un electrón girando a su alrededor. Su modelo explica la mecánica cuántica a través de los siguientes postulados:

• Los electrones no son atraídos por el núcleo, sino que se mueven alrededor de él describiendo órbitas circulares.
• Los electrones adquieren energía (se excitan) por efecto del calor o la electricidad. Al adquirir mayor energía, pasan de una órbita interior a otra exterior de mayor energía, volviéndose inestables. Para recuperar su estabilidad, regresan a la órbita interior, perdiendo la energía adquirida.
• El nivel energético de los electrones depende de la órbita en que se encuentran.

Determinación de la Carga del Electrón (Experimento de Millikan)

El aparato utilizado para determinar la carga del electrón consta de dos láminas metálicas paralelas, con un pequeño agujero en la lámina superior. Se dejan pasar unas gotitas de aceite que han sido cargadas por fricción en un atomizador. Un haz de luz horizontal ilumina las gotitas, las cuales son observadas a través de un telescopio cuyo eje forma un ángulo respecto a ellas. Las gotitas aparecen como estrellas brillantes contra un fondo oscuro, y se puede determinar la caída de cada una. La carga eléctrica está cuantizada y se denomina la carga del electrón: 1,6022 x 10^-19 C.

Tipos de Radiación Nuclear

Partícula Alfa (α)

Son flujos de partículas cargadas positivamente, compuestas por dos neutrones y dos protones. Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes, aunque muy ionizantes. Estos núcleos tienen muchos protones, y la repulsión eléctrica es muy fuerte.

Desintegración Beta (β)

Son flujos de electrones (β^-) o positrones (β⁺) resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando este se encuentra en un estado excitado. Son desviadas por campos magnéticos. Son más penetrantes, aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa. Existen tres tipos:

• Radiación Beta Negativa (β^-): Consiste en la emisión espontánea de electrones por parte de los núcleos.
• Radiación Beta Positiva (β⁺): Un protón del núcleo se desintegra y da lugar a un neutrón, un positrón (partícula β⁺) y un neutrino.
• Captura Electrónica: Se da en núcleos con exceso de protones, en la cual el núcleo captura un electrón de la corteza electrónica.

Radiación Gamma (γ)

Se trata de ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación; al ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlas. El núcleo no pierde su identidad, sino que se desprende de la energía que le sobra para pasar a otro estado de energía.

Causas de la Radiactividad

• Radiación Alfa (α): Aligera los núcleos atómicos en 4 unidades de masa y cambia el número atómico en 2 unidades.
• Radiación Beta (β): No cambia la masa del núcleo, ya que implica la conversión de un protón en un neutrón o viceversa. Cambia el número atómico en una sola unidad (+ o -, según si la partícula emitida es un electrón o un positrón).