Comprendiendo los Átomos: Una Exploración de su Estructura Oculta

Descripción de la imagen: Representación de la estructura atómica del átomo de helio-4. Por razones de legibilidad, la imagen anterior no está a escala. El núcleo atómico aparece en rosa en el centro y, en degradado de gris alrededor, la nube electrónica u orbital atómica. El núcleo de helio-4 está esquemáticamente ampliado, mostrando los dos protones y los dos neutrones en rojo y violeta, su tamaño es de 1 femtómetro o 10^-15 metros. En realidad, el núcleo (y la función de onda de cada uno de los nucleones) también es esférico, como los electrones del átomo. Fuente de la imagen: dominio público.

Estructura del átomo

Todo lo que vemos está compuesto de átomos, de muchos átomos de la palabra griega "atomos" (indivisible). Hace mucho tiempo, en el siglo IV a.C., los filósofos griegos Leucipo y Demócrito emitieron la hipótesis de que toda la materia está compuesta de partículas minúsculas en movimiento perpetuo, muy sólidas y eternas. Hoy tenemos una idea un poco más precisa del átomo porque no es indivisible.

Conocemos su tamaño aproximado desde 1811, Amedeo Avogadro estimó el tamaño de los átomos en 10^-10 metros. En 1911, Ernest Rutherford precisó la estructura del átomo y dio un tamaño al núcleo atómico del orden de 10^-14 metros.

En cuanto al tamaño de los átomos, hablamos de orbitales atómicas, es decir, de la nube electrónica que rodea el núcleo. Esta nube tiene un diámetro teórico comprendido entre 62 pm (picómetros) para el átomo de helio y 596 pm para el átomo de cesio. Nada es simple en la naturaleza de la materia y esta minúscula distancia varía en función de la naturaleza química de los átomos circundantes.

Aunque el núcleo concentra la mayor parte de la masa del átomo (99,99%), también conocemos su masa, para los átomos estables, está comprendida entre 1,674×10^-24 g para el hidrógeno y 3,953×10^-22 g para el uranio.

También conocemos su composición, en su interior vemos un núcleo y una nube electrónica que ocupa toda la extensión espacial del átomo, ya que es más de 10.000 veces más grande que su núcleo. Aún más sorprendente, incluso conocemos el número de átomos en el universo, este número es extraordinariamente grande, si tuviéramos que escribirlo, tendríamos que escribir un 1 seguido de 72 ceros.

Estabilidad de los átomos

La estabilidad del átomo no se explica por la física clásica porque en la física clásica, el electrón corpuscular cargado negativamente y el protón cargado positivamente plantean una paradoja.

En la física clásica, la materia debería desaparecer, aniquilarse porque un electrón que irradia alrededor de un núcleo pierde energía (teoría de Maxwell) y, por lo tanto, debería caer sobre el núcleo. Esto significa que la estabilidad de un átomo es incomprensible dentro del marco de la teoría clásica.

Los genios científicos del siglo XX resolvieron esta paradoja en 1924, gracias a la mecánica ondulatoria de Louis de Broglie (1892-1987) generalizada en 1926 por Erwin Schrödinger (1887-1961), Premio Nobel de Física en 1933 con Paul Dirac (1902-1984) por la ecuación de onda llamada ecuación de Schrödinger.

En la mecánica cuántica, no es posible conocer exactamente el valor de un parámetro sin medirlo. La teoría matemática describe un estado, no por un par velocidad y posición precisamente, sino por una función de onda (vector de estado), que permite calcular la probabilidad de encontrar la partícula en un punto. De ahí el carácter probabilístico de la mecánica cuántica, que predice que las partículas también son ondas y ya no solo puntos materiales.

Los electrones ocupan orbitales atómicas en interacción con el núcleo a través de la fuerza electromagnética, mientras que los nucleones se mantienen unidos dentro del núcleo por el enlace nuclear.

La nube electrónica está estratificada en niveles de energía cuantificados alrededor del núcleo, definiendo capas y subcapas electrónicas. Los nucleones también se distribuyen en capas nucleares, aunque un modelo bastante conveniente populariza la estructura nuclear según el modelo de la gota líquida.

Varios átomos pueden establecer enlaces químicos entre sí a través de sus electrones y, en general, las propiedades químicas de los átomos están determinadas por su configuración electrónica, que a su vez depende del número de protones en su núcleo. Este número, llamado número atómico, define un elemento químico.

Átomos de oro visibles

Lo más cerca de la materia, la superficie de una lámina de oro puro (Au 100) se detalla aquí mediante un microscopio de efecto túnel. Los átomos de oro visibles en esta imagen están regularmente espaciados en la estructura cristalina del oro. Esta imagen atómica fue realizada con un STM Omicron de baja temperatura por Erwin Rossen, Universidad Tecnológica de Eindhoven, en 2006.

Tamaño de los átomos

Radio atómico teórico (calculado) de ciertos átomos (el tamaño está en picómetros (10^-12 metros). El radio atómico es la mitad de la distancia que separa los núcleos de dos átomos contiguos. Los valores indicados en esta tabla son solo indicativos.