Radioquímica!

EL ÁTOMO

Hoy, estimado lector, una nueva entrada para la serie de Radioquímica, "El átomo" donde discutiremos "aspectos clave" para el; Aparentemente sabemos todo sobre el átomo o la mayoría, después de todo... Que tan complejo puede ser un arreglo de pelotitas microscópicas? Bueno pues más de lo que parece, mucho más. En ellos y las partículas que lo componen están escondidos los más grandes secretos del Universo en su totalidad (Dividido en más de una entrada).

Antes de que fuera descubierto el fenómeno de la radiactividad, los elementos químico eran vistos como inalterables y se consideraba mantenían su identidad en todos los procesos físicos y químico. Este punto de vista resulto insostenible cuando se reconoció que la desintegración radioactiva involucra la transformación de un elemento a otro. Como en los experimentos de Joseph John Thomson (1856-1940, premio Nobel de física en 1906), mediante la descarga eléctrica en gases a baja presion, realizo una serie de trabajos, con lo cual logro realmente identificar una partícula subatómica que denomino electrón.

Si se coloca un campo magnético cerca del tubo de descarga, los electrones son desviados en una dirección, lo que demuestra que tienen carga negativa. Conociendo la fuerza del campo magnético y midiendo la deflexion de los electrones, Thomson fue capaz de determinar la relación carga- masa de un electrón, es decir, e/m. El valor que obtuvo fue -1.76x108 coulomb/gramo. En forma paralela, el científico Robert Andrews Milikan (1868-1953), obtuvo información sobre la carga del electrón en un experimento que se concentraba en el movimiento de gotas de aceite cargadas eléctricamente. A partir de esos datos, calculo la carga de un electrón individual como -1.60x10-19 coulomb. Con ese dato, mas el obtenido por Thomson, se tiene el valor de la masa de un electrón:

m=9.11x10^-28 electron/g.

Si juntamos los cálculos de Militan, de la carga, junto con los cálculos de Thomson, de la masa, se obtiene la descripción básica del electrón: es una partícula con una carga eléctrica negativa de -1.60x10^-19 coulombs y una masa de 9.11x10^-28 gramos. Debido a que el electrón tiene una carga eléctrica mas pequeña conocida, se ha usado como referencia para todas las otras partículas cargadas. Por conveniencia, se dice que la carga del electrón es -1. Por ejemplo, cuando una partícula tiene una carga de +4 significa que la carga es +4x1.6x10^-19 coulombs. El símbolo + indica que es de signo opuesto a la carga del electrón y el cuatro significa que es 4 veces mas grande. La masa de un electrón en la escala de masa atómica es 0.0054874 átomo-gramo. Esta masa es tan pequeña que, a menos que se requiera una alta precisión, se le asigna el valor cero.

Como resultado del descubrimiento del electrón por J.J. Thomson en 1897, era claro que los átomos, hasta entonces considerados como parte indivisible de la materia, Debian tener alguna estructura. A partir de los experimentos sobre la dispersión de los rayos X y de los electrones por la materia, Thomson y otros investigadores concluyeron que el numero de electrones por átomo era mas o menos igual al peso atómico, (actualmente se sabe que es aproximadamente la mitad del peso atómico, esto fue establecido por C.G. Barkla en 1911). Esta conclusión, junto con la determinación de la masa del electrón por Thomson, era 1/2000 veces la masa de un átomo de hidrógeno, lo que lo llevo a la suposición de que la mayoría de la masa de un átomo debería de estar concentrada en una parte cargada positivamente.

Ahora tocaremos un tema de gran interés para el estudio como antecedente, hablaremos del famoso "Modelo Atómico de Rutherford".

La teoría atómica fue establecida primeramente en Manchester, en 1906, cuando John Dalton avanzo la idea de que los átomos son las piezas fundamentales con que se construye la materia. Dalton propuso que los átomos eran indivisibles, pero actualmente se sabe que no es así, y que en realidad son bastante complicados, estando compuestos por cierto numero de partículas llamadas fundamentales.

Es sorprendente que fue también en Manchester, de 1906 a 1913, donde se desarrollo la primera teoría de la estructura atómica que tuvo éxito. En 1906 Ernest Rutherford encontró que cuando se bombardeaba una lamina metálica delgada con partículas alfa (iones He++), la mayoría de estas partículas penetraban la materia y sufrían solamente una pequeña desviación en su recorrido. Aprovechando una sugerencia de Rutherford, H. Geiger y E. Mariden realizaron, en 1909, un experimento para ver si las partículas se desviaban en un gran ángulo mediante una lamina de oro. Descubrieron que algunas de las partículas se desviaban realmente hasta 90o, y un corto numero todavía mas. Por tanto, concluyeron:

“Si se tiene en cuenta la elevada velocidad y la masa de la partícula, parece sorprendente que algunas de las partículas alfa, puedan girar en el interior de una lamina de oro de 1x10^-5 cm. Un ángulo igual o mayor a 90º. Para producir el mismo efecto en un campo magnético, este debería de tener el enorme valor de 109 unidades absolutas”.

Rutherford hizo incidir sobre las laminas muy delgadas de metales (oro, platino, cobre, plata) un haz de partículas alfa, tratando de observar si eran capaces de atravesar aquellas laminas, o bien si eran rechazadas, ya fueran todas o solamente una porción. Si el átomo es un todo homogeneo de masa, macizo, no podrá ser atravesado por esas partículas y, en consecuencia, saldrán rechazadas. Si por el contrario, existe alguna zona donde este concentrada la mayor parte de su masa y el resto se comporta como casi vacío, entonces algunas de esas partículas lo atravesaran. Las posibles partículas que atraviesen pueden detectarse mediante una pantalla de sulfuro de zinc, que produce fluorescencia al recibir el choque de las partículas.

Con laminas metálicas de oro de un espesor de 4x10^3, el resultado fue que solo una de 100 000 partículas salio rechazada, atravesando todas las restantes la capa de átomos, en linea recta o desviadas.

Los datos que se obtuvieron con este tipo de experimentos demostraron deducciones importantes sobre la estructura atómica. La mayoría de las partículas alfa pasaban directamente a través de la lamina de oro y producían un punto brillante sobre la pantalla fluorescente.

Cálculos basados en el tamaño de los átomos de oro mostraron que esta lamina tenia un espesor de aproximadamente 1 000 átomos. Puesto que las partículas alfa penetraban aparentemente una pared de átomos sin golpear ninguno, Rutherford concluyo que los átomos deberían ser principalmente espacio abierto. Sin embargo, aproximadamente una de cada cien mil partículas alfa eran desviadas de su trayectoria original. La colisión con un simple electrón o un protón no podían causar tal desviación. Las partículas alfa son mucho mas grandes que los protones o electrones y una colisión entre ellos seria como la de una bola de billar golpeando a una pelota de ping-pong. Puesto que la mayoría de las partículas alfa pasan a través de la lamina y existe algo con la suficiente masa como para desviar una partícula alfa, parecía de la mayoría de la masa del átomo debería de estar concentrada en un lugar.

Esta concentración de masa repelía a las partículas alfa deflectandolas e indicando que la masa del átomo concentrada tenia carga positiva. Rutherford dio pronto una expoliación para sus experimentos y los de sus estudiantes. Sugirió que los átomos consisten en un núcleo cargado positivamente, rodeado por un sistema de electrones. El átomo se mantiene unido mediante las fuerzas de atracción electrostaticas. El volumen efectivo del núcleo es extremadamente pequeño en comparación con el átomo y casi toda la masa de este esta concentrada en el núcleo. En este primer modelo del átomo con núcleo y electrones, Rutherford explico que la mayoría de las partículas alfa pasaban a través de la lamina delgada por que la mayor parte del átomo es espacio vaciío, pero al pasar una partícula cerca del núcleo cargado positivamente era fuertemente desviada a causa de la gran fuerza repulsiva de Coulomb.

Y por ultimo para que quede ilustrado que es en escencia lo que hizo Rutherford, he aquí una representación:

Por hoy lo dejaremos aquí pero en la próxima de las entradas, continuaremos con "El átomo" y algunas de sus propiedades.