Átomo

Estructura atómica

Todo lo que vemos está compuesto de átomos, muchos átomos. Estaba mirando los constituyentes más pequeños de la materia que los científicos han sido capaces de explicar, en el siglo XX, el funcionamiento de todo el universo. Un átomo está constituido por un núcleo alrededor del cual se mueve uno o más electrones. Lo que caracteriza el núcleo es su número de protones (Z) que va de 1 a 110, que es el que determina el elemento, como el hierro (Fe26) tiene 26 protones, 26 es el número atómico. El número de neutrones (N) que varía de 0 a 160, caracteriza los isótopos del elemento, por ejemplo, hidrógeno (H1) tiene un protón y ningún neutrón, deuterio (H2) tiene un protón y un neutrón, el tritio (H3) tiene un protón y dos neutrones. Estas tres formas de hidrógeno tienen sólo un electrón, ya que sólo hay una carga eléctrica, el único protón. Tenga en cuenta que es sólo en el caso del hidrógeno que se da un nombre diferente a los isótopos del elemento, en todos los demás casos, sólo se indica el número de nucleones lo que permite de encontrar de esta manera el número de neutrones. Por ejemplo, el hierro (Fe26) tiene varios isótopos fe56, entendemos que fe56 tiene 30 neutrones, Fe57 tiene 31 neutrones, Fe58 32 neutrones, el número de neutrones diferencia bien los isótopos.
En el átomo son los electrones que dan consistencia a la materia, sin embargo, es muy ligero, su masa es de unos 10^-27 gramos, el protón es 2000 veces más pesado y se concentra la mayor parte de la masa de la átomo (99,99%). Para los átomos estables, la masa es de entre 1.674 × 10^-24 g para el hidrógeno y 3,953 × 10^-22 g para el uranio. Desde 1811, también se conoce el tamaño aproximado de un átomo, Amedeo Avogadro (1776-1856) estima el tamaño de los átomos a 10^-10 metros, es decir, un poco más de 10 millonésimas de milímetro.

En 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) descubrió el núcleo atómico y especifica la estructura del átomo bombardeando una lámina de oro con partículas a partir de la desintegración radiactiva del uranio. Se da un tamaño de núcleo del orden de 10^-14 metros. Hay un poco más de un centenar de átomos diferentes, estos son los elementos como el hidrógeno, el carbono, el oxígeno o el hierro. El físico de Nueva Zelanda tuvo la idea de una representación simple del núcleo atómico. Rutherford representa cada átomo como un mini sistema solar, en el centro el núcleo y en una órbita, como los planetas, los electrones. El núcleo en sí es representado en forma de moras (imagen aquí-contra). Esta representación ilustrada es falsa, pero tiene dos ventajas, se diferencia claramente las dos partículas, el protón y el neutrón, e se entiende que el núcleo, muy compacto, está circunscrita dentro de un volumen definido. Pero desde el advenimiento de la mecánica cuántica en la década de 1920, la imagen del núcleo es preocupante, el núcleo ya no es un sistema de bolas asociados juntos. El núcleo se rige por la mecánica cuántica, en otras palabras, solo existe si es observable pero observar los protones y los neutrones dentro del núcleo, ya que están en la imagen, no es posible porque debería iluminar las partículas con una luz tan intensa que el núcleo se desintegra instantáneamente. Esta representación en granos de moras cubre el concepto cuántico de la materia. Es lo mismo para el electrón, ya no representa el electrón como una partícula que gira en una órbita muy regular alrededor del núcleo. El electrón es tanto una onda y una partícula, la dualidad onda-partícula es la base de la mecánica cuántica. En la mecánica cuántica el electrón no sigue una sola trayectoria, que se encuentra en una región alrededor del núcleo que se llama la nube electrónica o orbital atómica.

Imagen: Representación del núcleo atómico en forma de granos de moras, tiene dos ventajas, una se diferencia las dos partículas, el protón y el neutrón, y está claro que el núcleo, muy compacto, está circunscrito dentro de un volumen definido. Todos los núcleos y todos los isótopos tienen entre 1 y 110 protones y entre 0 y 160 neutrones. Sin embargo, esta representación es falsa porque oculta el concepto cuántico. Desde la década de 1920, el núcleo ya no es un sistema de bolas asociado juntos, es un sistema cuántico mucho más inquietante.

Nube electrónica o orbital atómica

Desde 1924, toda la materia está dotado de una onda asociada es la hipótesis de Louis de Broglie (1892-1987). Con este hipótesis, él generaliza a todas las partículas de la materia, la dualidad onda-partícula introducida para la luz por Max Planck (1858-1947) en el siglo 20. Por consiguiente, todas las partículas subatómicas tienen una longitud de onda. La longitud de onda λ de una partícula subatómica y la cantidad de movimiento p están relacionados por la ecuación : λ = h / p, donde h es la constante de Planck, el p la cantidad de movimiento ie el producto de la masa por el vector de velocidad (p = mv). Se ha conocido, gracias a la famosa fórmula de Einstein de que toda la materia tiene una energía asociada (E = MC2). En otras palabras, más la longitud de onda es pequeña, más la energía es alta (E = h / λ). Esta energía va a cambiar la forma de los átomos. Los fundamentos de la mecánica cuántica están entonces planteado.
En pocas palabras, la materia está compuesta de partículas realmente muy pequeñas, fermiones (electrones, neutrinos, quarks) que tienen una masa, una carga, una energía, una dimensión, una onda, un espín. Pero lo que se parecen estas partículas en el mundo de lo infinitamente pequeño?
En 2013 todavía no podemos ver las partículas del núcleo atómico, pero sólo la capa exterior del átomo, es decir, la nube de electrones. La nube de electrones ocupa toda la extensión espacial del átomo, ya que está a unos 10 000 veces mayor que su núcleo. En la mecánica cuántica, una partícula está representado por una función de onda, pero es muy difícil de representar el concepto fundamental de la mecánica cuántica o el estado cuántico de un sistema. En 1927, Max Born (1882-1970) dio una interpretación de la función de onda o el cuadrado de la función de onda representa la probabilidad cuando se hace una medición, para encontrar la partícula en una ubicación específica. Una función de onda es una amplitud de probabilidad o una densidad de probabilidad de presencia del sistema en una posición dada en un instante dado. Esta función tiene un valor complejo. Si un número real o un valor real es, por ejemplo, la longitud de un segmento en una recta, un valor complejo está representado por un vector en un plano, este vector tiene una longitud no sólo en el espacio sino también una fase que corresponde a la dirección del vector.

Si ya no representa el electrón como una partícula puntual en una órbita regular alrededor de un núcleo, ¿cómo se puede hacer una imagen?
Bueno, aquí, el electrón no sigue un camino único en torno al núcleo, que está en algún lugar en una vasta región que se llama la nube de electrones o orbital atómico. El estado de un electrón se muestra por el volumen del espacio alrededor del núcleo en el que se transfiere. El estado fundamental del hidrógeno es de aproximadamente un angstrom es 10^-10 metros. Para representar el electrón en esta región sólo imaginar un grano de arroz de alrededor de 5 mm a moverse en una esfera de unos 50 metros de diámetro. Además, la forma de esta región del espacio atómico depende de la energía del electrón y su momento cinético es lo que vemos en la imagen aquí. Así, los orbitales de los electrones pueden adoptar diversas formas características dependiendo de la naturaleza del átomo, por ejemplo, el orbital del átomo de hidrógeno en la primera fila en la parte superior tiene una forma esférica, el orbital en la segunda fila tiene la forma de dos gotas de agua, el orbital en la tercera fila tiene la forma de cuatro gotas de agua. En resumen, el orbital corresponde a la región del espacio donde el electrón se deslocaliza, el estado de electrones está en una superposición de todas las posiciones posibles dentro del orbital atómico cuya forma varía. La forma del orbital cambia cuando se excita el átomo, como en la primera fila. Si se excita más el átomo, la forma del orbital cambia de nuevo como en la segunda fila o capa electrónica. En un estado muy excitado llamado "estado de Rydberg" los electrones están deslocalizados en un toro de "gran radio" que puede llegar a medir hasta 1000 angstroms, el número cuántico principal n (número de la capa) es muy alta entre 50 y 100.

N.B.: un electrón atraído por la carga positiva del núcleo, no puede "pegarse al núcleo", ya que significaría que la extensión espacial de la función de onda se reduce a un punto. La ecuación de Schrödinger dice que un electrón en la vecindad del núcleo es en una geometría orbital determinado por los números cuánticos que satisfacen esta ecuación. En resumen, un electrón se limita en la vecindad del núcleo por el pozo de potencial electrostático. Cuando la energía potencial es crecente, se dice que la partícula se mueve en un pozo de potencial.

Imagen: Representación de los primeros orbitales electrónicos de hidrógeno, dependiendo de la energía del electrón y su momento angular, el nivel de energía se incrementa de arriba a abajo (n = 1 , 2 , 3) y el momento cinético aumenta de izquierda a derecha , (I = s , p , d, f , g). Esta imagen muestra la densidad de probabilidad de encontrar el electrón, el color negro representa la densidad 0, es decir, el área en la que el electrón nunca se aventura. El color blanco representa la densidad máxima, es decir, el área donde el electrón pasa con más frecuencia. Entre blanco y negro en la zona de color rojo anaranjado, la densidad de probabilidad aumenta. Números cuánticos están representadas por letras , n es el número cuántico principal, que define el nivel de energía del electrón. I es el número cuántico orbital, o secundaria, ya que define las capas de electrones, s (Sharp) para l = 0, p (Principal ) para l = 1, d (Difusa) para l = 2, f (Fundamental) para I = 3, a continuación, (para los estados excitados) g , h, i ,... el número cuántico m es el número cuántico magnético o terciaria.
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