átomo - Atom


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átomo de helio
Helium estado fundamental átomo.
Una ilustración de la helio átomo, que representa el núcleo (rosa) y la nube de electrones de distribución (negro). El núcleo (superior derecha) en helio-4 es en realidad simetría esférica y se asemeja estrechamente la nube de electrones, aunque para los núcleos más complicados esto no es siempre el caso. La barra de negro es uno angstrom ( 10 -10  m o 100  pm ).
Clasificación
Más pequeña división reconocido de un elemento químico
propiedades
rango de masas 1,67 × 10 -27 a 4,52 × 10 -25  kg
Carga eléctrica cero (neutra), o iones de carga
diámetro gama 62 pm ( Él ) a 520 pm ( Cs ) ( página de datos )
componentes Los electrones y un compacto núcleo de protones y neutrones

Un átomo es la unidad constituyente más pequeño de ordinario materia que tiene las propiedades de un elemento químico . Cada sólido , líquido , gas , y plasma se compone de neutros o ionizados átomos. Los átomos son extremadamente pequeñas; tamaños típicos son alrededor de 100  picometros (diez mil millonésima parte de un metro, en la escala corta ).

Los átomos son tan pequeños que el intento de predecir su comportamiento usando la física clásica - como si fueran bolas de billar , por ejemplo - da predicciones notablemente incorrectos debido a efectos cuánticos . A través del desarrollo de la física, modelos atómicos han incorporado los principios cuánticos para explicar y predecir este comportamiento mejor.

Cada átomo se compone de un núcleo y uno o más electrones ligados al núcleo. El núcleo está hecho de uno o más protones y típicamente un número similar de neutrones . Los protones y los neutrones se llaman nucleones . Más de 99,94% de de un átomo de masa está en el núcleo. Los protones tienen una positiva carga eléctrica , los electrones tienen una carga eléctrica negativa, y los neutrones no tienen carga eléctrica. Si el número de protones y electrones son iguales, ese átomo es eléctricamente neutro. Si un átomo tiene más o menos electrones que protones, entonces tiene una carga negativa o positiva en general, respectivamente, y se llama un ion .

Los electrones de un átomo son atraídos a los protones en un núcleo atómico por esta fuerza electromagnética . Los protones y los neutrones en el núcleo son atraídos el uno al otro por una fuerza diferente, la fuerza nuclear , que es generalmente más fuerte que la fuerza electromagnética repeler los protones cargados positivamente el uno del otro. Bajo ciertas circunstancias, la fuerza electromagnética de repulsión hace más fuerte que la fuerza nuclear, y nucleones puede ser expulsado del núcleo, dejando tras de sí un elemento diferente: la desintegración nuclear que resulta en transmutación .

El número de protones en el núcleo define a qué elemento químico del átomo pertenece: por ejemplo, todas de cobre átomos contienen 29 protones. El número de neutrones define el isótopo del elemento. El número de electrones influye en los magnéticas propiedades de un átomo. Los átomos pueden unir a uno o más de otros átomos por enlaces químicos para formar compuestos químicos tales como moléculas . La capacidad de los átomos de asociar y disociar es responsable de la mayor parte de los cambios físicos observados en la naturaleza y es el tema de la disciplina de la química .

Historia de la teoría atómica

Los átomos en la filosofía

La idea de que la materia está compuesta de unidades discretas es una idea muy antigua, que aparece en muchas culturas antiguas como Grecia y la India. La palabra "átomo" ( griego : ἄτομος ; atomos ), que significa "uncuttable", fue acuñado por los antiguos filósofos griegos Leucipo y su discípulo Demócrito ( c. 460 - c. 370 aC). Demócrito enseña que los átomos eran infinitos en número, increado y eterno, y que las cualidades de un objeto son resultado de la clase de átomos que lo componen. Atomismo de Demócrito fue refinada y elaborada por el filósofo más tarde Epicuro (341-270 aC). Durante las Edad Media , el atomismo fue olvidado sobre todo en Europa occidental, pero sobrevivió entre algunos grupos de filósofos islámicos. Durante el siglo XII, el atomismo se dio a conocer de nuevo en Europa occidental a través de referencias en los escritos redescubiertos recientemente de Aristóteles .

En el siglo XIV, el redescubrimiento de las grandes obras que describe enseñanzas atomistas, incluyendo Lucrecio 's De rerum natura y Diógenes Laercio ' s Vidas y opiniones de filósofos eminentes , condujo a una mayor atención académica sobre el tema. Sin embargo, debido atomismo se asoció con la filosofía de epicureísmo , que contradice las enseñanzas cristianas ortodoxas, la creencia en átomos no se consideró aceptable. El sacerdote católico francés Pierre Gassendi (1592-1655) revivió el atomismo epicúreo con modificaciones, con el argumento de que los átomos fueron creados por Dios y, aunque extremadamente numerosas, no son infinitos. Teoría modificada de Gassendi de átomos fue popularizado en Francia por el médico François Bernier (1620-1688) y en Inglaterra por el filósofo natural Walter Charleton (1619-1707). El químico Robert Boyle (1627-1691) y el físico Isaac Newton (1642-1727) defendió tanto el atomismo y, a finales del siglo XVII, que habían sido aceptados por partes de la comunidad científica.

En primer lugar la teoría basada en la evidencia

Varios átomos y moléculas como se representa en John Dalton 's Un nuevo sistema de filosofía química (1808).

A principios de 1800, John Dalton utilizó el concepto de átomos para explicar por qué los elementos reaccionan siempre en proporciones de números enteros pequeños (la ley de las proporciones múltiples ). Por ejemplo, hay dos tipos de óxido de estaño : uno es 88,1% de estaño y 11,9% de oxígeno y el otro es 78,7% de estaño y 21,3% de oxígeno ( estaño (II) óxido y estaño dióxido respectivamente). Esto significa que 100 g de estaño combinará ya sea con 13,5 g o 27 g de oxígeno. 13.5 y 27 forman una relación de 1: 2, una relación de números enteros pequeños. Este patrón común en la química sugirió a Dalton que los elementos reaccionan en múltiplos de unidades discretas - en otras palabras, átomos. En el caso de óxidos de estaño, un átomo de estaño se combinará con uno o dos átomos de oxígeno.

Dalton también creía teoría atómica podría explicar por qué el agua absorbe gases diferentes en diferentes proporciones. Por ejemplo, se encontró que el agua absorbe el dióxido de carbono mucho mejor que la que absorbe nitrógeno . Dalton planteó la hipótesis de que esto era debido a las diferencias entre las masas y las configuraciones de partículas de los gases respectivos, y moléculas de dióxido de carbono (CO 2 ) son más pesados y más grandes que las moléculas de nitrógeno (N 2 ).

movimiento browniano

En 1827, el botánico Robert Brown utilizó un microscopio para observar los granos de polvo que flotan en el agua y descubrió que se movían erráticamente, un fenómeno que se conoce como " movimiento browniano ". Esto se cree que es causada por las moléculas de agua que golpean los granos sobre. En 1905, Albert Einstein demostró la realidad de estas moléculas y sus movimientos mediante la producción de la primera física estadística análisis de movimiento browniano . El físico francés Jean Perrin utiliza el trabajo de Einstein para determinar experimentalmente la masa y las dimensiones de los átomos, de manera concluyente, verificando así la teoría atómica de Dalton .

Descubrimiento del electrón

El Experimento de Rutherford
Top: Resultados esperados: las partículas alfa que pasan por el Modelo atómico de Thomson del átomo con desviación insignificante.
Parte inferior: observaron resultados: una pequeña parte de las partículas se desviado por la carga positiva concentrada del núcleo.

El físico JJ Thomson mide la masa de los rayos catódicos , que muestra que estaban hechos de partículas, pero eran alrededor de 1800 veces más ligero que el átomo más ligero, de hidrógeno . Por lo tanto, no eran átomos, pero una nueva partícula, el primer subatómica de partículas que hay que descubrir, que originalmente se llamó " corpúsculos ", pero más tarde fue nombrado electrones , después de partículas postuladas por George Johnstone Stoney en 1874. También mostró que eran idénticos a partículas emitidas por fotoeléctricos materiales y radiactivos. Se reconoció rápidamente que son las partículas que transportan corrientes eléctricas en alambres de metal, y llevar la carga eléctrica negativa dentro de los átomos. Thomson 1906 se le dio el Premio Nobel de Física por su trabajo. De este modo se anuló la creencia de que los átomos son las partículas indivisibles, últimos de la materia. Thomson también postuló incorrectamente que la masa baja, los electrones cargados negativamente se distribuye por todo el átomo en un mar uniforme de carga positiva. Esto llegó a ser conocido como el modelo de pudín de ciruelo .

Descubrimiento del núcleo

En 1909, Hans Geiger y Ernest Marsden , bajo la dirección de Ernest Rutherford , bombardeados una lámina metálica con partículas alfa para observar cómo se dispersaron. Se espera que todas las partículas alfa para pasar directamente a través con poca desviación, porque el modelo de Thomson dijo que los cargos en el átomo son tan difusa que sus campos eléctricos no podrían afectar a las partículas alfa mucho. Sin embargo, Geiger y Marsden manchado partículas alfa siendo desviados por ángulos mayores de 90 °, que se supone que es imposible según el modelo de Thomson. Para explicar esto, Rutherford propuso que la carga positiva del átomo se concentra en un núcleo pequeño en el centro del átomo.

Descubrimiento de los isótopos

Mientras se experimenta con los productos de desintegración radiactiva , en 1913 radiochemist Frederick Soddy descubrió que no parecía haber más de un tipo de átomo en cada posición en la tabla periódica . El término isótopo fue acuñado por Margaret Todd como un nombre adecuado para diferentes átomos que pertenecen al mismo elemento. JJ Thomson creó una técnica para la separación de isótopos por medio de su trabajo en gases ionizados , que posteriormente condujeron al descubrimiento de isótopos estables .

modelo de Bohr

El modelo de Bohr del átomo, con un electrón hacer "saltos cuánticos" instantáneos de una órbita a otra. Este modelo es obsoleto.

En 1913, el físico Niels Bohr propuso un modelo en el que se supone que los electrones de un átomo en órbita alrededor del núcleo pero sólo podrían hacerlo en un conjunto finito de órbitas, y podría saltar entre estas órbitas sólo en cambios discretos de energía correspondiente a la absorción o la radiación de un fotón. Esta cuantificación se utilizó para explicar por qué las órbitas electrones son estables (dado que normalmente, las cargas en la aceleración, incluyendo movimiento circular, pierden energía cinética que es emitida en forma de radiación electromagnética, ver la radiación de sincrotrón ) y por qué elementos absorben y emiten radiación electromagnética en el espectro discreto .

Más tarde en el mismo año Henry Moseley proporcionó evidencia experimental adicional en favor de la teoría de Bohr . Estos resultados refinaron Ernest Rutherford 's y Antonius Van den Broek ' modelo de s, que propuso que el átomo contiene en su núcleo un número de positivos cargas nucleares que es igual a su número (atómico) en la tabla periódica. Hasta que estos experimentos, el número atómico no se sabe que es una cantidad física y experimental. Que es igual a la carga nuclear atómica sigue siendo el modelo atómico aceptada hoy en día.

Enlace químico explicó

Los enlaces químicos entre los átomos de ahora se explicaron, por Gilbert Newton Lewis en 1916, ya que las interacciones entre sus electrones constituyentes. Como las propiedades químicas eran conocidos de los elementos de repetir en gran medida a sí mismos de acuerdo con la ley periódica , en 1919 el químico estadounidense Irving Langmuir sugirió que esto podría explicarse si los electrones en un átomo estaban conectados o agrupados de alguna manera. Se cree que los grupos de electrones para ocupar un conjunto de capas de electrones alrededor del núcleo.

Otros desarrollos de la física cuántica

El experimento de Stern-Gerlach de 1922 proporcionan evidencia adicional de la naturaleza cuántica de propiedades atómicas. Cuando un haz de átomos de plata se pasó a través de un campo magnético de forma especial, el haz se divide de una manera correlacionada con la dirección del momento angular de un átomo, o giro . Como esta dirección de giro es inicialmente al azar, se espera que el haz para desviar en una dirección aleatoria. En lugar de ello, el haz se divide en dos componentes direccionales, correspondiente a la atómica giro estando orientada hacia arriba o hacia abajo con respecto al campo magnético.

En 1925 Werner Heisenberg publicó la primera formulación matemática coherente de la mecánica cuántica ( mecánica matricial ). Un año antes, en 1924, Louis de Broglie propuso que todas las partículas se comportan en una medida como las olas y, en 1926, Erwin Schrödinger utiliza esta idea para desarrollar un modelo matemático del átomo (mecánica ondulatoria) que describe los electrones como de tres dimensionales formas de onda en lugar de partículas puntuales.

Una consecuencia de la utilización de formas de onda para describir partículas es que es matemáticamente imposible obtener valores precisos tanto para la posición y el impulso de una partícula en un punto dado en el tiempo; esto se conoce como la principio de incertidumbre , formulado por Werner Heisenberg en 1927. En este concepto, para una precisión dada en la medición de una posición sólo se podría obtener un rango de valores probables para el impulso, y viceversa. Este modelo fue capaz de explicar las observaciones de comportamiento atómico que los modelos anteriores no podía, tales como ciertos estructurales y espectrales patrones de átomos más grandes que el hidrógeno. Así, el modelo planetario del átomo se descartó en favor de uno que describe orbitales atómicos zonas alrededor del núcleo donde es más probable que se observe un electrón dado.

Descubrimiento del neutrón

El desarrollo del espectrómetro de masas permitió la masa de los átomos para medir con mayor precisión. El dispositivo utiliza un imán para doblar la trayectoria de un haz de iones, y la cantidad de desviación es determinada por la relación de la masa de un átomo a su carga. El químico Francis Aston utiliza este instrumento para demostrar que tenían diferentes isótopos de masas. La masa atómica de estos isótopos variaron por cantidades enteros, llamado el conjunto regla número . La explicación de estas diferentes isótopos esperaba el descubrimiento del neutrón , una partícula no cargada con una masa similar a la de protones , por el físico James Chadwick en 1932. Los isótopos se explica a continuación, como elementos con el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones dentro del núcleo.

La fisión, la física de alta energía y materia condensada

En 1938, el químico alemán Otto Hahn , un estudiante de Rutherford, neutrones dirigido sobre los átomos de uranio esperaba conseguir elementos transuránicos . En cambio, sus experimentos químicos mostraron bario como un producto. Un año más tarde, Lise Meitner y su sobrino Otto Frisch verifican que el resultado de Hahn fueron los primeros experimental de la fisión nuclear . En 1944, Hahn recibió el Premio Nobel en química. A pesar de los esfuerzos de Hahn, no se reconocieron las contribuciones de Meitner y Frisch.

En la década de 1950, el desarrollo de mejores aceleradores de partículas y detectores de partículas permitió a los científicos estudiar los impactos de los átomos se mueven a altas energías. Se encontraron neutrones y protones para ser hadrones , o materiales compuestos de partículas más pequeñas llamadas quarks . El modelo estándar de la física de partículas fue desarrollado que hasta ahora ha explicado con éxito las propiedades del núcleo en términos de estas partículas subatómicas y las fuerzas que gobiernan sus interacciones.

Estructura

Partículas subatómicas

Aunque la palabra átomo originalmente denota una partícula que no puede ser cortada en partículas más pequeñas, en el uso científica moderna el átomo se compone de varias partículas subatómicas . Las partículas constituyentes de un átomo son el electrón , el protón y el neutrón ; los tres son fermiones . Sin embargo, el hidrógeno-1 átomo no tiene neutrones y el ion Hydron no tiene electrones.

El electrón es de lejos el menos masiva de estas partículas a 9,11 × 10 -31  kg , con una negativa carga eléctrica y un tamaño que es demasiado pequeña para ser medida usando técnicas disponibles. Era la partícula más ligero con un resto positivo masa medida, hasta el descubrimiento de los neutrinos masa. En condiciones normales, los electrones están ligados al núcleo cargado positivamente por la atracción creada a partir de cargas eléctricas opuestas. Si un átomo tiene más o menos electrones que su número atómico, entonces se hace, respectivamente, positiva o negativamente cargada en su conjunto; un átomo cargado se llama un ion . Los electrones se conocen desde el siglo 19, sobre todo gracias a JJ Thomson ; ver la historia de la física subatómica para más detalles.

Los protones tienen una carga positiva y una masa 1.836 veces mayor que la del electrón, en 1.6726 × 10 -27  kg . El número de protones de un átomo se llama su número atómico . Ernest Rutherford (1919) observó que el nitrógeno bajo el bombardeo de partículas alfa expulsa lo que parecía ser núcleos de hidrógeno. Por 1920 había aceptado que el núcleo de hidrógeno es una partícula distinta dentro del átomo y la llamó protones .

Los neutrones no tienen carga eléctrica y tienen una masa libre de 1.839 veces la masa del electrón, o 1.6929 × 10 -27  kg , el más pesado de los tres partículas constituyentes, pero puede ser reducida por la energía de enlace nuclear . Los neutrones y protones (colectivamente conocidos como nucleones ) tienen dimensiones-del orden de comparables 2,5 × 10 -15  m -aunque la 'superficie' de estas partículas no se define bruscamente. El neutrón fue descubierto en 1932 por el físico Inglés James Chadwick .

En el modelo estándar de la física, los electrones son realmente partículas elementales sin estructura interna. Sin embargo, ambos protones y los neutrones son partículas compuestas compuestas de partículas elementales llamadas quarks . Hay dos tipos de quarks en átomos, que tienen cada uno una carga eléctrica fraccionaria. Los protones se componen de dos quarks arriba (cada uno con carga + 2 / 3 ) y un quark abajo (con una carga de - 1 / 3 ). Neutrones consisten en un quark up y dos quarks abajo. Esta distinción representa la diferencia en masa y carga entre las dos partículas.

Los quarks se mantienen unidos por la interacción fuerte (o fuerza fuerte), que está mediada por gluones . Los protones y los neutrones, a su vez, se llevan a cabo entre sí en el núcleo por la fuerza nuclear , que es un residuo de la fuerza fuerte que tiene algo diferentes de rango propiedades (ver el artículo sobre la fuerza nuclear para más). El gluón es un miembro de la familia de bosones gauge , que son partículas elementales que median las fuerzas físicas.

Núcleo

La energía de enlace necesario para una nucleon para escapar del núcleo, para diversos isótopos

Todos los protones y neutrones unidos en un átomo conforman un pequeño núcleo atómico , y se denominan colectivamente nucleones . El radio de un núcleo es aproximadamente igual a 1,07  3A  fm , donde A es el número total de nucleones. Esto es mucho menor que el radio del átomo, que es del orden de 10 5  fm. Los nucleones están unidos por un atractivo potencial de corto alcance llamada la fuerza fuerte residual . A distancias menores a 2,5 fm esta fuerza es mucho más poderosa que la fuerza electrostática que causa protones cargados positivamente para repeler entre sí.

Los átomos del mismo elemento tienen el mismo número de protones, llamado el número atómico . Dentro de un único elemento, el número de neutrones puede variar, la determinación del isótopo de ese elemento. El número total de protones y neutrones determinar el núclido . El número de neutrones con respecto a los protones determina la estabilidad del núcleo, con ciertos isótopos sometidos a la desintegración radiactiva .

El protón, el electrón y el neutrón se clasifican como fermiones . Los fermiones obedecen al principio de exclusión de Pauli que prohíbe idénticos fermiones, tales como múltiples protones, de ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Por lo tanto, todos los protones en el núcleo debe ocupar un estado cuántico diferente de todos los otros protones, y lo mismo se aplica a todos los neutrones del núcleo y a todos los electrones de la nube de electrones.

Un núcleo que tiene un número diferente de protones que neutrones puede potencialmente caer a un estado de menor energía a través de una desintegración radiactiva que hace que el número de protones y neutrones para que coincida más estrechamente. Como resultado, los átomos con números de protones y neutrones a juego son más estables contra la caries. Sin embargo, al aumentar el número atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción creciente de neutrones para mantener la estabilidad del núcleo, que modifica ligeramente esta tendencia de números iguales de protones a neutrones.

Ilustración de un proceso de fusión nuclear que forma un núcleo de deuterio, que consiste en un protón y un neutrón, a partir de dos protones. Un positrón (e + ) -an antimateria electrones se emite junto con un electrón neutrino .

El número de protones y neutrones en el núcleo atómico se puede modificar, aunque esto puede requerir energías muy altas debido a la fuerza fuerte. La fusión nuclear se produce cuando múltiples partículas atómicas se unen para formar un núcleo más pesado, tal como a través de la colisión energética de dos núcleos. Por ejemplo, en el núcleo de los protones Sun requieren energías de 3-10 keV para superar su mutua repulsión la barrera de Coulomb -y se fusionan en un solo núcleo. La fisión nuclear es el proceso opuesto, causando un núcleo para dividir en dos núcleos, generalmente más pequeños a través de la desintegración radiactiva. El núcleo también se puede modificar a través de bombardeo de partículas o fotones subatómicas de alta energía. Si esto modifica el número de protones en un núcleo, el átomo cambia a un elemento químico diferente.

Si la masa del núcleo después de una reacción de fusión es menor que la suma de las masas de las partículas separadas, entonces la diferencia entre estos dos valores puede ser emitida como un tipo de energía utilizable (tal como un rayo gamma , o la energía cinética de una partícula beta ), como se describe por Albert Einstein 's masa-energía equivalencia fórmula, e  =  mc 2 , donde m es la pérdida de masa y c es la velocidad de la luz . Este déficit es parte de la energía de unión del nuevo núcleo, y es la pérdida no recuperable de la energía que hace que las partículas fusionadas a permanecer juntos en un estado que requiere esta energía para separar.

La fusión de dos núcleos que crean núcleos más grandes con menores números atómicos que el hierro y el níquel -a número total de nucleones de aproximadamente 60-es generalmente un proceso exotérmico que libera más energía que se requiere para reunirlas. Es este proceso de liberación de energía que hace que la fusión nuclear en estrellas una reacción autosostenida. Para núcleos más pesados, la energía de enlace por nucleón en el núcleo comienza a disminuir. Eso significa que los procesos de fusión que producen núcleos que tienen números atómicos mayores que aproximadamente 26, y masas atómicas mayores que aproximadamente 60, es un proceso endotérmico . Estos núcleos más masivos no pueden someterse a una reacción de fusión de producción de energía que puede sostener el equilibrio hidrostático de una estrella.

Nube de electrones

Un pozo de potencial, que muestra, de acuerdo con la mecánica clásica , la energía mínima V ( x ) necesario para alcanzar cada posición x . Clásicamente, una partícula con energía E está limitado a un rango de posiciones entre x 1 y x 2 .

Los electrones en un átomo son atraídos por los protones en el núcleo por la fuerza electromagnética . Esta fuerza se une a los electrones dentro de un electrostática pozo de potencial que rodea el núcleo más pequeño, lo que significa que se necesita una fuente externa de energía para el electrón se escape. Cuanto más cerca está un electrón al núcleo, mayor es la fuerza de atracción. Por lo tanto electrones ligados cerca del centro del pozo de potencial requieren más energía para escapar que los de mayores separaciones.

Los electrones, al igual que otras partículas, tienen propiedades tanto de una partícula y una onda . La nube de electrones es una región en el interior del pozo de potencial donde cada electrón forma un tipo de tres dimensiones de onda estacionaria forma de onda -a que no se mueve en relación con el núcleo. Este comportamiento se define por un orbital atómica , una función matemática que caracteriza a la probabilidad de que un electrón parece estar en un lugar en particular cuando se mide su posición. Sólo una discreta (o cuantizada existe conjunto) de estos orbitales alrededor del núcleo, como otros patrones posible onda decaen rápidamente en una forma más estable. Los orbitales pueden tener una o más estructuras de anillo o de nodo, y difieren entre sí en tamaño, forma y orientación.

Funciones de onda de los primeros cinco orbitales atómicos. Los tres orbitales 2p cada uno mostrar una sola angular nodo que tiene una orientación y un mínimo en el centro.
Cómo los átomos se construyen a partir de orbitales electrónicos y enlace a la tabla periódica.

Cada atómicos orbitales corresponde a un determinado nivel de energía del electrón. El electrón puede cambiar su estado a un nivel superior de energía mediante la absorción de un fotón con la energía suficiente para impulsar en el nuevo estado cuántico. Del mismo modo, a través de la emisión espontánea , un electrón en un estado de energía más alto puede caer a un estado de energía inferior, mientras que irradia el exceso de energía en forma de un fotón. Estos valores energéticos característicos, definidos por las diferencias en las energías de los estados cuánticos, son responsables de las líneas espectrales atómicas .

La cantidad de energía necesaria para quitar o añadir un-electrón energía de enlace de electrones -es mucho menor que la energía de enlace de nucleones . Por ejemplo, se requiere sólo 13,6 eV para despojar a un estado fundamental de electrones de un átomo de hidrógeno, en comparación a 2,23  millones de eV para dividir un deuterio núcleo. Los átomos son eléctricamente neutral si tienen un número igual de protones y electrones. Los átomos que tienen ya sea un déficit o un exceso de electrones se llaman iones . Los electrones que se encuentran más alejados del núcleo pueden ser transferidos a otros átomos cercanos, o compartidos entre los átomos. Por este mecanismo, los átomos son capaces de unirse en moléculas y otros tipos de compuestos químicos como iónicos y covalentes red cristales .

propiedades

propiedades nucleares

Por definición, cualquier par de átomos con un número idéntico de protones en sus núcleos pertenecen al mismo elemento químico . Los átomos con el mismo número de protones pero un número diferente de neutrones son diferentes isótopos del mismo elemento. Por ejemplo, todos los átomos de hidrógeno admiten exactamente un protón, pero existen isótopos sin neutrones ( hidrógeno-1 , con mucho, la forma más común, también llamado Protium), un neutrón ( deuterio ), dos neutrones ( tritio ) y más de dos neutrones . Los elementos conocidos forman un conjunto de números atómicos, desde el único elemento de protones de hidrógeno hasta el elemento 118-protón oganesson . Todos los isótopos conocidos de elementos con números atómicos mayores que 82 son radiactivos, aunque la radiactividad del elemento 83 ( bismuto ) es tan pequeña como para ser prácticamente despreciable.

Sobre 339 nucleidos producen de forma natural en la Tierra , de las cuales 254 (aproximadamente 75%) no se han observado a la caries, y se denominan como " isótopos estables ". Sin embargo, sólo 90 de estos nucleidos son estables a todos decaimiento, incluso en teoría . Otra 164 (para un total de 254) no se han observado a las caries, aunque en teoría es energéticamente posible. Estos también se clasifican formalmente como "estable". Otros 34 nucleidos radiactivos adicionales tienen una vida media más larga que 80 millones de años, y son de larga vida lo suficiente como para estar presente desde el nacimiento del sistema solar . Esta colección de 288 nucleidos son conocidos como nucleidos primordiales . Por último, un adicional de 51 nucleidos de corta vida se sabe que ocurren de forma natural, como productos hija de decaimiento nucleido primordial (tales como el radio de uranio ), o bien como productos de procesos energéticos naturales en la Tierra, tales como bombardeo de rayos cósmicos (por ejemplo, carbono-14).

Para 80 de los elementos químicos, al menos un isótopo estable existe. Como regla general, sólo hay un puñado de isótopos estables para cada uno de estos elementos, siendo el promedio de 3.2 isótopos estables por elemento. Veintiséis elementos tienen sólo un único isótopo estable, mientras que el mayor número de isótopos estables observados para cualquier elemento es de diez, para el elemento de estaño . Elementos 43 , 61 , y todos los elementos numerados 83 o superior no tienen isótopos estables.

Estabilidad de los isótopos se ve afectada por la relación de protones a los neutrones, y también por la presencia de ciertos "números mágicos" de neutrones o protones que representan cerrada y cáscaras cuántica llenos. Estas cáscaras cuánticos corresponden a un conjunto de niveles de energía dentro del modelo de capas del núcleo; conchas rellenas, tales como la concha llena de 50 protones para el estaño, confiere estabilidad inusual en el nucleido. De los 254 núclidos estables conocidos, sólo cuatro tienen tanto un número impar de protones y número impar de neutrones: hidrógeno-2 ( deuterio ), litio-6 , boro-10 y nitrógeno-14 . Además, sólo cuatro de origen natural, radiactivos nucleidos odd-impares tienen una vida media más de un mil millones de años: potasio-40 , vanadio-50 , lantano-138 y tántalo-180m . La mayoría de los núcleos y pico impares son altamente inestable con respecto a la desintegración beta , debido a que los productos de desintegración son par-par, y por lo tanto están más fuertemente ligados, debido a los efectos de emparejamiento nucleares .

Masa

La gran mayoría de la masa de un átomo viene de los protones y neutrones que lo componen. El número total de estas partículas (llamados "nucleones") en un átomo dado se llama el número de masa . Es un entero positivo y sin dimensiones (en lugar de tener dimensión de la masa), porque expresa un recuento. Un ejemplo de uso de un número de masa es "carbono-12", que tiene 12 nucleones (seis protones y seis neutrones).

El actual masa de un átomo en reposo se expresa a menudo mediante el unidad de masa atómica unificada (u), también llamado dalton (Da). Esta unidad se define como un doceavo de la masa de un átomo neutro libre de carbono-12 , que es aproximadamente 1,66 × 10 -27  kg . El hidrógeno-1 (el isótopo más ligero de hidrógeno que es también el núclido con la masa más baja) tiene un peso atómico de 1,007825 u. El valor de este número se llama la masa atómica . Un átomo dado tiene una masa atómica aproximadamente igual (dentro de 1%) a sus tiempos de número de masa de la unidad de masa atómica (por ejemplo la masa de un átomo de nitrógeno-14 es aproximadamente 14 u). Sin embargo, este número no será exactamente un número entero, excepto en el caso del carbono-12 (ver más abajo). El más pesado átomo estable es el plomo-208, con una masa de 207.976 6.521  u .

Ya que incluso los átomos más masivos son demasiado luz para trabajar en forma directa, los químicos en lugar de utilizar la unidad de lunares . Un mol de átomos de cualquier elemento siempre tiene el mismo número de átomos (aproximadamente 6,022 × 10 23 ). Se eligió este número de manera que si un elemento tiene una masa atómica de 1 u, un mol de átomos de ese elemento tiene una masa cerca de un gramo. Debido a la definición de la unidad de masa atómica unificada , cada átomo de carbono-12 tiene una masa atómica de exactamente 12 u, y por lo que un mol de carbono-12 átomos de pesa exactamente 0.012 kg.

Forma y tamaño

Los átomos carecen de un límite externo bien definido, por lo que sus dimensiones se describen generalmente en términos de un radio atómico . Esta es una medida de la distancia a que la nube de electrones se extiende desde el núcleo. Sin embargo, esto supone el átomo a exhibir una forma esférica, que sólo se obedecida para los átomos en el vacío o espacio libre. Radios atómicos se pueden derivar de las distancias entre dos núcleos cuando los dos átomos se unen en un enlace químico . El radio varía con la ubicación de un átomo en la tabla atómica, el tipo de enlace químico, el número de átomos vecinos ( número de coordinación ) y un mecánico cuántico propiedad conocida como giro . En la tabla periódica de los elementos, el tamaño átomo tiende a aumentar cuando se mueve hacia abajo columnas, pero disminuirá cuando se mueve a través de filas (izquierda a derecha). En consecuencia, el átomo más pequeño es el helio con un radio de 32  pm , mientras que uno de los mayores es de cesio en 225 pm.

Cuando se somete a fuerzas externas, como campos eléctricos , la forma de un átomo puede desviarse de simetría esférica . La deformación depende de la magnitud de campo y el tipo orbital de electrones de la capa exterior, como se muestra por grupos teórico consideraciones. Desviaciones asféricas pueden ser provocados por ejemplo, en cristales , donde se pueden producir grandes campos de cristal-eléctrica en baja simetría sitios de celosía. Significativas elipsoidales deformaciones se han demostrado que se producen para los iones de azufre y de calcógeno iones en pirita compuestos de tipo.

Dimensiones atómicas son miles de veces más pequeñas que las longitudes de onda de la luz (400-700  nm ) para que no puedan ser vistos usando un microscopio óptico . Sin embargo, los átomos individuales pueden ser observadas utilizando un microscopio de efecto túnel . Para visualizar el minuciosidad del átomo, considere que un pelo humano típico es aproximadamente 1 millón de átomos de carbono en anchura. Una sola gota de agua contiene aproximadamente 2  sextillion ( 2 × 10 21 ) átomos de oxígeno, y dos veces el número de átomos de hidrógeno. Una sola quilates de diamantes con una masa de 2 × 10 -4  kg contiene alrededor de 10 trillones (10 22 ) átomos de carbono . Si una manzana se magnifica con el tamaño de la Tierra, entonces los átomos de la manzana sería de aproximadamente el tamaño de la original de Apple.

Desintegración radioactiva

Este diagrama muestra la semivida (T ½ ) de varios isótopos con Z protones y N neutrones.

Cada elemento tiene uno o más isótopos que tienen núcleos inestables que están sujetas a la desintegración radiactiva, haciendo que el núcleo para emitir partículas o radiación electromagnética. La radiactividad se puede producir cuando el radio de un núcleo es grande en comparación con el radio de la fuerza fuerte, que sólo actúa a través de distancias del orden de 1 fm.

Las formas más comunes de desintegración radiactiva son:

  • La desintegración alfa : este proceso se produce cuando el núcleo emite una partícula alfa, que es un núcleo de helio que consiste en dos protones y dos neutrones. El resultado de la emisión es un elemento nuevo con un menor número atómico .
  • Desintegración beta (y de captura de electrones ): estos procesos están regulados por la fuerza débil , y el resultado de una transformación de un neutrón en un protón, o un protón en un neutrón. El neutrón a la transición de protones está acompañada por la emisión de un electrón y un antineutrino , mientras que de protones a la transición de neutrones (excepto en la captura de electrones) provoca la emisión de un positrón y un neutrino . Las emisiones de electrones o positrones son llamados partículas beta. Desintegración beta aumenta o disminuye el número atómico del núcleo por uno. La captura de electrones es más común de emisión de positrones, porque requiere menos energía. En este tipo de decadencia, un electrón es absorbida por el núcleo, en lugar de un positrón emitida desde el núcleo. Un neutrino todavía se emite en este proceso, y un protón en un neutrón cambia.
  • Decaimiento Gamma : Este proceso resulta de un cambio en el nivel de energía del núcleo a un estado inferior, lo que resulta en la emisión de radiación electromagnética. El estado excitado de un núcleo que da lugar a la emisión gamma por lo general se produce después de la emisión de una alfa o una partícula beta. Por lo tanto, el decaimiento gamma por lo general sigue alfa o beta decadencia.

Otros tipos más raros de desintegración radiactiva incluyen eyección de neutrones o protones o grupos de nucleones de un núcleo, o más de una partícula beta . Un análogo de la emisión gamma que permite a los núcleos excitados a perder energía de una manera diferente, es la conversión interna -un proceso que produce electrones de alta velocidad que no son rayos beta, seguido por la producción de fotones de alta energía que no son los rayos gamma. Unos núcleos grandes explotan en dos o más fragmentos cargados de diferentes masas más varios neutrones, en un decaimiento espontáneo llamado fisión nuclear .

Cada isótopo radiactivo tiene una característica de tiempo de decaimiento período de la vida media -que se determina por la cantidad de tiempo necesario para un medio de una muestra a la caries. Este es un decaimiento exponencial proceso que disminuye de forma constante la proporción de los isótopos restantes en un 50% cada media vida. Por lo tanto después de dos vidas medias han pasado sólo el 25% del isótopo está presente, y así sucesivamente.

Momento magnético

Las partículas elementales poseen una propiedad mecánica cuántica intrínseca conocida como giro . Esto es análogo a la cantidad de movimiento angular de un objeto que está girando alrededor de su centro de masa , aunque se cree que estrictamente hablando estas partículas a ser puntual y no se puede decir para ser giratorio. Vuelta se mide en unidades de la reducción constante de Planck (h), con los electrones, protones y neutrones que tienen todos espín ½ h, o "spin-½". En un átomo, los electrones en movimiento alrededor del núcleo poseen orbital momento angular además de su giro, mientras que el propio núcleo posee momento angular debido a su espín nuclear.

El campo magnético producido por un átomo de-su momento magnético -está determinada por estas diversas formas de impulso angular, tal como un objeto cargado de rotación clásicamente produce un campo magnético. Sin embargo, la contribución más dominante proviene de espín electrónico. Debido a la naturaleza de los electrones para obedecer el principio de exclusión de Pauli , en el que no hay dos electrones pueden encontrarse en el mismo estado cuántico , con destino electrones se emparejan uno con el otro, con un miembro de cada par en un estado de espín y el otro en todo lo contrario, de girar estado. Así, estos giros se anulan entre sí, lo que reduce el momento dipolar magnético total a cero en algunos átomos con número par de electrones.

En ferromagnéticos elementos tales como hierro, cobalto y níquel, un número impar de electrones conduce a un electrón desapareado y un momento magnético neto global. Los orbitales de los átomos vecinos se superponen y se logra un estado de energía más baja cuando los espines de electrones desapareados están alineados uno con el otro, un proceso espontáneo conocido como una interacción de intercambio . Cuando los momentos magnéticos de átomos ferromagnéticos están alineados, el material puede producir un campo macroscópico mensurable. Los materiales paramagnéticos tienen átomos con momentos magnéticos que se alinean en direcciones al azar cuando no hay campo magnético está presente, pero los momentos magnéticos de los átomos individuales se alinean en la presencia de un campo.

El núcleo de un átomo no tendrá ningún giro cuando tiene números pares de dos neutrones y protones, pero para otros casos de los números impares, el núcleo puede tener una vuelta. Normalmente núcleos con espín están alineadas en direcciones al azar a causa de equilibrio térmico . Sin embargo, para ciertos elementos (tales como xenon-129 ) es posible polarizar una proporción significativa de los estados de espín nuclear de manera que se alinean en la misma dirección, una condición llamada hiperpolarización . Esto tiene importantes aplicaciones en la resonancia magnética .

Niveles de energía

Estos niveles de energía del electrón (no a escala) son suficientes para estados fundamentales de los átomos hasta cadmio (5s 2 4d 10 ) inclusive. No hay que olvidar que incluso la parte superior del diagrama es inferior a un estado de electrones no unido.

La energía potencial de un electrón en un átomo es negativo , su dependencia de su posición alcanza el mínimo (el más valor absoluto ) dentro del núcleo, y se desvanece cuando la distancia desde el núcleo tiende a infinito , más o menos en una proporción inversa a la distancia . En el modelo de la mecánica cuántica, un electrón ligado sólo puede ocupar un conjunto de estados centrados en el núcleo, y cada estado corresponde a un específico nivel de energía ; ver ecuación de Schrödinger independiente del tiempo para la explicación teórica. Un nivel de energía se puede medir por la cantidad de energía necesaria para desenlazar el electrón del átomo, y normalmente se da en unidades de electronvoltios (eV). El estado de energía más bajo de un electrón ligado se llama el estado fundamental, es decir, estado estacionario , mientras que una transición de electrones para un resultado de más alto nivel en un estado excitado. La energía del electrón plantea cuando n aumenta debido a que el (promedio) distancia a los aumentos de núcleo. Dependencia de la energía en es causado no por la potencial electrostático del núcleo, pero por la interacción entre los electrones.

Para un electrón a la transición entre dos estados diferentes , por ejemplo a tierra estado de primer nivel excitado ( ionización ), debe absorber o emitir un fotón a una energía a juego la diferencia en la energía potencial de esos niveles, de acuerdo con Niels Bohr modelo, lo que puede calcularse precisamente por la ecuación de Schrödinger . Electrones saltan entre los orbitales de una manera similar a las partículas. Por ejemplo, si un solo fotón golpea los electrones, sólo un único electrón cambia de estado en respuesta a la fotón; ver propiedades Electron .

La energía de un fotón emitido es proporcional a su frecuencia , por lo que estos niveles de energía específicas aparecen como bandas distintas en el espectro electromagnético . Cada elemento tiene un espectro característico que puede depender de la carga nuclear, subcapas llenado por electrones, las interacciones electromagnéticas entre los electrones y otros factores.

Un ejemplo de líneas de absorción en un espectro

Cuando un continuo espectro de energía se hace pasar a través de un gas o plasma, algunos de los fotones son absorbidos por átomos, provocando que los electrones cambian su nivel de energía. Esos electrones excitados que permanecen unidos a su átomo emiten espontáneamente esta energía como un fotón, viajando en una dirección aleatoria, y así caen de nuevo a niveles de energía más bajos. Así, los átomos se comportan como un filtro que forma una serie de oscuras bandas de absorción en la producción de energía. (Un observador de ver los átomos de una vista que no incluye el espectro continuo en el fondo, en vez ve una serie de líneas de emisión de los fotones emitidos por los átomos.) Espectroscópicos mediciones de la fuerza y la anchura de las líneas espectrales atómicas permiten la composición y las propiedades físicas de una sustancia a ser determinados.

Un examen detallado de las líneas espectrales revela que algunos muestran una estructura fina división. Esto ocurre a causa de acoplamiento spin-órbita , que es una interacción entre el giro y el movimiento del electrón más exterior. Cuando un átomo está en un campo magnético externo, las líneas espectrales se convierten dividido en tres o más componentes; un fenómeno llamado el efecto Zeeman . Esto es causado por la interacción del campo magnético con el momento magnético del átomo y sus electrones. Algunos átomos pueden tener múltiples configuraciones electrónicas con el mismo nivel de energía, que de este modo aparecen como una única línea espectral. La interacción del campo magnético con el átomo cambia estas configuraciones electrónicas a ligeramente diferentes niveles de energía, resultando en múltiples líneas espectrales. La presencia de un externo campo eléctrico puede causar una escisión y el desplazamiento de las líneas espectrales comparable mediante la modificación de los niveles de energía de electrones, un fenómeno llamado efecto Stark .

Si un electrón ligado está en un estado excitado, un fotón que interactúan con la energía apropiada puede causar la emisión estimulada de un fotón con un nivel de energía correspondiente. Para que esto ocurra, el electrón debe caer a un estado de energía más bajo que tiene una diferencia de energía que coincide con el de la energía del fotón que interactúan. El fotón emitido y el fotón que interactúa entonces se mueven fuera en paralelo y con fases de juego. Es decir, los patrones de ondas de los dos fotones están sincronizados. Esta propiedad física se utiliza para hacer los láseres , que pueden emitir un haz coherente de energía de la luz en una banda de frecuencia estrecha.

Valencia y el comportamiento de unión

La valencia es el poder de combinación de un elemento. Es igual al número de átomos de hidrógeno que átomo puede combinar o desplazar en la formación de compuestos. La capa electrónica más externa de un átomo en su estado no combinado se conoce como la capa de valencia , y los electrones en que la cáscara se denominan electrones de valencia . El número de electrones de valencia determina la unión comportamiento con otros átomos. Los átomos tienden a reaccionar químicamente entre sí de una manera que llena (o vacía) sus capas de valencia exteriores. Por ejemplo, una transferencia de un solo electrón entre los átomos es una aproximación útil para los bonos que se forman entre átomos con un electrón más de una concha llena, y otros que son de un electrón corto de una concha llena, tal como ocurre en el compuesto de cloruro de sodio y otras sales iónicas químicos. Sin embargo, muchos elementos de visualización múltiples valencias, o tendencias para compartir número de electrones en diferentes compuestos diferentes. Por lo tanto, la unión química entre estos elementos toma muchas formas de electrones compartido que son más que las transferencias de electrones simples. Los ejemplos incluyen el elemento carbono y los compuestos orgánicos .

Los elementos químicos son a menudo muestran en una tabla periódica que se presenta para mostrar las propiedades químicas recurrentes, y los elementos con el mismo número de electrones de valencia forman un grupo que está alineado en la misma columna de la tabla. (Las filas horizontales corresponden al relleno de una cáscara cuántica de los electrones.) Los elementos en el extremo derecho de la tabla tienen su capa exterior completamente llena de electrones, lo que resulta en elementos químicamente inertes conocidos como los gases nobles .

Unidos

Gráfico que ilustra la formación de un condensado de Bose-Einstein

Las cantidades de átomos se encuentran en diferentes estados de la materia que dependen de las condiciones físicas, tales como la temperatura y la presión . Mediante la variación de las condiciones, los materiales pueden transición entre sólidos , líquidos , gases de y plasmas . Dentro de un estado, un material que también puede existir en diferentes alótropos . Un ejemplo de esto es el carbono sólido, que puede existir como grafito o diamante . Existen así alótropos gaseosos, como el dioxígeno y ozono .

A temperaturas cercanas al cero absoluto , los átomos pueden formar un condensado de Bose-Einstein , en cuyo punto cuántico efectos mecánicos, que normalmente sólo se observan en la escala atómica, se ponen de manifiesto en una escala macroscópica. Esta colección super-enfriada de átomos se comporta entonces como un solo átomo de súper , que puede permitir que los controles fundamentales del comportamiento mecánico cuántico.

Identificación

Microscopio de efecto túnel imagen que muestra los átomos individuales que constituyen este oro ( 100 ) de superficie. Los átomos de la superficie desvían de la mayor estructura cristalina y ordenar en columnas varios átomos de ancho con los huecos de entre ellos (véase reconstrucción de la superficie ).

El microscopio de efecto túnel es un dispositivo para la visualización de las superficies a nivel atómico. Se utiliza el túnel cuántico fenómeno, que permite que las partículas pasan a través de una barrera que normalmente sería insuperable. Los electrones túnel a través del vacío entre dos electrodos de metal planas, en cada uno de los cuales es un adsorbida átomo, proporcionando una densidad-túnel corriente que se puede medir. Escaneado de un átomo (tomado como la punta) ya que se mueve más allá de la otra (la muestra) permite el trazado de desplazamiento de la punta frente a la separación lateral para una corriente constante. El cálculo muestra el grado en el que las imágenes de efecto túnel-microscopio de un átomo individual son visibles. Se confirma que para un bajo sesgo, las imágenes del microscopio de las dimensiones promedio de espacio de los orbitales de electrones a través de los niveles de-la energía estrechamente empaquetadas nivel de Fermi densidad local de estados .

Un átomo puede ser ionizado mediante la eliminación de uno de sus electrones. La carga eléctrica hace que la trayectoria de un átomo de doblar cuando pasa a través de un campo magnético . El radio por el que la trayectoria de un ion en movimiento se gira por el campo magnético está determinada por la masa del átomo. El espectrómetro de masas utiliza este principio para medir la proporción de masa a carga de los iones. Si una muestra contiene varios isótopos, el espectrómetro de masas puede determinar la proporción de cada isótopo en la muestra mediante la medición de la intensidad de los diferentes haces de iones. Técnicas para vaporizar átomos incluyen espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente y acoplado inductivamente espectrometría de masas de plasma , ya que ambos utilizan un plasma para vaporizar muestras para el análisis.

Un método más área-selectivo es la espectroscopia de pérdida de energía de electrones , que mide la pérdida de energía de un haz de electrones dentro de un microscopio electrónico de transmisión cuando interactúa con una porción de una muestra. El tomógrafo átomo-sonda tiene una resolución sub-nanométrica en 3-D y puede identificar químicamente átomos individuales utilizando espectrometría de masas de tiempo de vuelo.

Los espectros de estados excitados se puede utilizar para analizar la composición atómica de lejanas estrellas . Luz específicas longitudes de onda contenidas en la luz observada de las estrellas pueden separarse y relacionadas con las transiciones cuantificados en los átomos de gas libre. Estos colores pueden ser replicados usando una lámpara de descarga de gas que contiene el mismo elemento. El helio fue descubierto de esta manera en el espectro del Sol 23 años antes de que se encontró en la Tierra.

Origen y estado actual

Átomos forman aproximadamente el 4% de la densidad de energía total del Universo observable , con una densidad media de aproximadamente 0,25 átomos / m 3 . Dentro de una galaxia como la Vía Láctea , los átomos tienen una concentración mucho mayor, con la densidad de materia en el medio interestelar (ISM) que varía de 10 5 a 10 9 átomos / m 3 . El Sol se cree que es el interior de la Burbuja Local , una región de gas altamente ionizado, por lo que la densidad en la vecindad solar es de sólo 10 3 átomos / m 3 . Las estrellas se forman a partir de nubes densas en el ISM y los procesos evolutivos de las estrellas dan como resultado el enriquecimiento constante de la ISM con elementos de mayor masa que el hidrógeno y el helio. Hasta el 95% de los átomos de la Vía Láctea se concentran dentro de las estrellas y la masa total de átomos de forma aproximadamente el 10% de la masa de la galaxia. (El resto de la masa es una incógnita la materia oscura .)

Formación

Se cree que los electrones de existir en el Universo desde las primeras etapas de la Gran Explosión . Formas núcleos atómicos en nucleosíntesis reacciones. En unos tres minutos nucleosíntesis del Big Bang produjo la mayor parte del helio , litio y deuterio en el Universo, y tal vez algunos de los berilio y boro .

Ubicuidad y la estabilidad de los átomos se basa en su energía de enlace , lo que significa que un átomo tiene una energía más baja que un sistema no unido del núcleo y electrones. Cuando la temperatura es mucho mayor que el potencial de ionización , existe la materia en forma de plasma de gas -a de iones cargados positivamente (posiblemente, núcleos desnudos) y electrones. Cuando la temperatura cae por debajo del potencial de ionización, los átomos se vuelven estadísticamente favorable. Átomos (completos con electrones ligados) se convirtieron a dominar sobre cargada partículas de 380.000 años después del Big Bang-una época llamado recombinación , cuando el Universo en expansión se enfrió lo suficiente para permitir que los electrones que se adhieren a los núcleos.

Dado que el Big Bang, que no produjo carbono o elementos más pesados , los núcleos atómicos se han combinado en estrellas a través del proceso de fusión nuclear para producir más del elemento de helio , y (a través del proceso de triple alfa ) la secuencia de elementos de carbono hasta hierro ; ver nucleosíntesis estelar para más detalles.

Los isótopos tales como litio-6, así como algunos de berilio y boro se generan en el espacio a través de espalación de rayos cósmicos . Esto ocurre cuando un protón de alta energía choca con un núcleo atómico, causando un gran número de nucleones para ser expulsado.

Los elementos más pesados que el hierro se produjeron en supernovas a través de la r-proceso y en AGB estrellas a través de la s-proceso , ambos de los cuales implican la captura de neutrones por los núcleos atómicos. Los elementos tales como el plomo formados en gran parte a través de la desintegración radiactiva de elementos más pesados.

Tierra

La mayoría de los átomos que componen la Tierra y sus habitantes estaban presentes en su forma actual en la nebulosa que se derrumbó fuera de una nube molecular para formar el sistema solar . El resto son el resultado de la desintegración radiactiva, y su proporción relativa se puede utilizar para determinar la edad de la tierra a través de la datación radiométrica . La mayor parte del helio en la corteza de la Tierra (alrededor del 99% del helio de pozos de gas, como se muestra por su menor abundancia de helio-3 ) es un producto de la desintegración alfa .

Hay unos pocos átomos de traza en la Tierra que no estaban presentes en el principio (es decir, no "primordial"), ni son el resultado de la desintegración radiactiva. Carbon-14 se genera de forma continua por los rayos cósmicos en la atmósfera. Algunos átomos en la Tierra se han generado artificialmente ya sea deliberadamente o como subproductos de los reactores nucleares o explosiones. De los elementos transuránicos -aquellos con números atómicos mayores de 92 sólo plutonio y neptunio se producen de forma natural en la Tierra. Elementos transuránicos tienen tiempos de vida radiactivos más cortas que la edad actual de la Tierra y cantidades así identificables de estos elementos desde hace mucho tiempo han cariados, con la excepción de trazas de plutonio-244 posiblemente depositados por polvo cósmico. Depósitos naturales de plutonio y neptunio son producidos por captura de neutrones en el mineral de uranio.

La Tierra contiene aproximadamente 1,33 × 10 50 átomos. Aunque un pequeño número de átomos independientes de gases nobles existen, tal como argón , neón y helio , el 99% de la atmósfera está ligada en forma de moléculas, incluyendo el dióxido de carbono y diatómica de oxígeno y nitrógeno . En la superficie de la Tierra, una abrumadora mayoría de los átomos se combinan para formar varios compuestos, incluyendo agua , sal , silicatos y óxidos . Los átomos también se pueden combinar para crear materiales que no constan de moléculas discretas, incluyendo cristales y líquidos o sólidos metales . Esta materia atómica forma arreglos en red que carecen de la tipo particular de pequeña escala orden asociada con la materia molecular interrumpido.

Las formas raras y teóricas

elementos superpesados

Mientras que los isótopos con números atómicos mayores que el plomo se conocen (82) para ser radiactivo, una " isla de estabilidad " se ha propuesto para algunos elementos con números atómicos por encima de 103. Estos elementos superpesados pueden tener un núcleo que es relativamente estable frente a la desintegración radiactiva. El candidato más probable para un átomo superpesado estable, unbihexium , cuenta con 126 protones y 184 neutrones.

materia exótica

Cada partícula de materia tiene una correspondiente antimateria partícula con la carga eléctrica opuesta. Por lo tanto, el de positrones es una carga positiva antielectrón y el antiprotón es un equivalente de carga negativa de un protón . Cuando una materia y correspondientes cumplen partícula de antimateria, se aniquilan entre sí. Debido a esto, junto con un desequilibrio entre el número de partículas de materia y antimateria, los últimos son raros en el universo. Las primeras causas de este desequilibrio aún no se entienden completamente, aunque las teorías de bariogénesis pueden ofrecer una explicación. Como resultado, no hay átomos de antimateria se han descubierto en la naturaleza. Sin embargo, en 1996 la contraparte antimateria del átomo de hidrógeno ( anti-hidrógeno ) se sintetizó en el CERN laboratorio en Ginebra .

Otros átomos exóticas han sido creado mediante la sustitución de uno de los protones, neutrones o electrones con otras partículas que tienen la misma carga. Por ejemplo, un electrón puede ser reemplazado por un más masivo muon , formando un átomo de muonic . Estos tipos de átomos se pueden utilizar para poner a prueba las predicciones fundamentales de la física.

Ver también

notas

referencias

Fuentes

Otras lecturas

enlaces externos