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Nucleos atómicos y estabilidad de isótopos.

Modelos atómicos.

En cursos anteriores hemos visto cómo al interior de la materia, los átomos, se le daban diferentes interpretaciones y distintos modelos para poder explicar cómo estaba conformada.

1. Modelo de Demócrito (450 a.C.):

Propuesto por el filósofo griego Demócrito, este modelo considera al átomo como una partícula indivisible, maciza, indestructible e inmutable.
No se tenía una idea clara de su estructura interna ni de su comportamiento.

Betaball.gif
CC BY-SA 3.0, Wikipedia

2. Modelo de Dalton (1803):

Propuesto por el químico inglés John Dalton, este modelo propone que el átomo es una esfera maciza e indivisible, como una bola de billar.
Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos en tamaño y masa.
Los átomos de diferentes elementos se diferencian por su tamaño y masa.
Los átomos se combinan en proporciones fijas y definidas para formar compuestos.

A New System of Chemical Philosophy fp.jpg
Wikipedia

3. Modelo de Thomson (1904):

Propuesto por el físico inglés Joseph John Thomson, este modelo, también conocido como modelo de pastel de pasas, propone que el átomo es una esfera positiva con electrones negativos incrustados en ella, como pasas en un pan.
Los electrones son partículas mucho más pequeñas que la esfera positiva.
La carga positiva del átomo es neutralizada por la carga negativa de los electrones.

Plum pudding atom.svg
 Wikipedia

4. Modelo de Rutherford (1911):

Propuesto por el físico neozelandés Ernest Rutherford, este modelo, también conocido como modelo atómico nuclear, propone que el átomo está formado por un núcleo central positivo, en el que se encuentran la mayor parte de la masa y toda la carga positiva, y electrones orbitando alrededor del núcleo en órbitas circulares.
El núcleo está compuesto por protones y neutrones.
Los protones tienen carga positiva, mientras que los neutrones no tienen carga.
Los electrones son mucho más pequeños y ligeros que los protones y neutrones.
La mayoría del espacio del átomo está vacío.

El modelo de Rutherford fue un gran avance en la comprensión del átomo, ya que demostró que no era una partícula indivisible y que tenía una estructura interna compleja. Sin embargo, este modelo presentaba algunas limitaciones, como la inestabilidad de las órbitas de los electrones, que no podía explicarse con las leyes de la física clásica.

Estos modelos atómicos, junto con los posteriores desarrollos en la física cuántica, han permitido comprender mejor la estructura y el comportamiento del átomo, sentando las bases para el desarrollo de la química, la física y otras áreas de la ciencia.

Rutherford atom.svg
CC BY-SA 3.0, Wikipedia

Partículas subatómicas. Características del átomo.

A partir del modelo de Rutherford ya se tiene información sobre las distintas partículas que forman el átomo y la propia estructura del átomo.

PARTÍCULA SÍMBOLO LUGAR DEL ÁTOMO CARGA (C) MASA (kg)
Protón p Núcleo $1,6\cdot 10^{-19}$ $1,673 \cdot 10^{-27}$
Neutrón n Núcleo 0 $1,675 \cdot 10^{-27}$
Electrón e Corteza $-1,6\cdot 10^{-19}$ $9,1 \cdot 10^{-31}$

Otras características de los átomos son:

Tamaño del núcleo $\rightarrow \frac{1}{100000}$  del tamaño del átomo. Del orden de $10^{-15}$ m.

Densidad $\rightarrow 1,5\cdot 10^{18} kg/m^3$

Tipos de núcleos.

    • A los distintos tipos de núcleos de átomos que podemos observar los denominamos nucledio o núclido.
    • Un nucleón es la suma de protones y neutrones, es decir, las partículas del núcleo.
    • Se van a diferenciar según los valores del número atómico, Z, y el número másico, A.
    • Con esto podemos diferenciar los siguientes tipos de átomos:
      • Isótopos: mismo Z y distinto A. Ejemplo: $_{6}^{12}\textrm{C}$, $_{6}^{14}\textrm{C}$
      • Isóbaros: distinto Z y mismo A. Ejemplo: $_{30}^{60}\textrm{Zn}$, $_{29}^{60}\textrm{Cu}$
      • Isótonos: mismo N. Ejemplo: $_{26}^{57}\textrm{Fe}$, $_{27}^{58}\textrm{Co}$
      • Isómeros: mismos Z,N y A. Sólo cambia su estructura interior debido a una distribución distinta de su energía.
      Pentane isomers.PNGDominio público, Wikipedia

Estabilidad de isótopos.

  • Hasta la física relativista no podíamos explicar que si sumábamos la masa de las partículas que componen  el núcleo o medimos la masa del núcleo por separado estas no coincidían.
  • Esta diferencia se estudió en relatividad por primera vez y se le llamó defecto de masa($\Delta m$).
    $$\Delta m = \sum m_{nucleones}- \sum m_{núclido} $$

  • Gracias a Einstein se supo que esta diferencia de masa se convierte en energía en la formación del núcleo atómico. La llamó energía de enlace "la cantidad de energía que se desprende al formarse un núcleo atómico es proporcional al defecto de masa".
    $$ E_{enlace} = \Delta m \cdot c^2 $$
    • Para entender mejor esta energía podemos representar la masa de los distintos isótopos o átomos por nucleón, $E_n = \frac{E_{enlace}}{A}$.

      Energía por nucleón.png
      CC BY-SA 3.0, Wikipedia

    • Del H al Fe se produce fusión nuclear y del U al Fe fisión nuclear.

Fuerzas nucleares

Las fuerzas nucleares son interacciones fundamentales que actúan a nivel subatómico, específicamente en los núcleos atómicos. Hay dos tipos principales de fuerzas nucleares:

Fuerza Nuclear Fuerte: También conocida como interacción nuclear fuerte, esta fuerza es la más poderosa de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas. Su función principal es mantener unidos los componentes básicos de la materia para formar partículas más grandes y complejas. En el Modelo Estándar de la física de partículas, los quarks (partículas elementales) se unen mediante fuerzas nucleares fuertes para formar hadrones como protones y neutrones. Además, la fuerza nuclear fuerte también mantiene unidos los quarks dentro de los hadrones.

Fuerza Nuclear Débil: Aunque a veces se le llama fuerza nuclear débil, es preferible utilizar simplemente fuerza o interacción débil. A diferencia de la fuerza nuclear fuerte, la fuerza débil no se limita solo a los núcleos atómicos. Puede afectar partículas más allá de los núcleos, como los electrones. Esta fuerza es responsable de ciertos procesos de decaimiento y es crucial para la producción de radiación en el Universo1.
En resumen, la fuerza nuclear fuerte mantiene unidos los componentes del núcleo atómico, mientras que la fuerza nuclear débil interviene en procesos de decaimiento y otras interacciones subatómicas1.

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