Partícula Subatómicas
Introducción
Las Partículas Subatómicas son componentes de la materia de tamaño inferior al átomo. En el estudio de la estructura atómica destacan fundamentalmente los protones, neutrones y electrones, que determinan propiedades como la carga eléctrica, la masa y la identidad de los elementos químicos.
Los protones y neutrones se encuentran en el núcleo atómico, mientras que los electrones ocupan regiones alrededor del núcleo descritas mediante orbitales. Conocer el número de estas partículas permite interpretar el número atómico, los isótopos, los iones y la configuración electrónica de los elementos.
¿Qué son las Partículas Subatómicas?
Las partículas subatómicas son las partículas más pequeñas que forman parte de la estructura de los átomos o que intervienen en procesos físicos a escalas inferiores al átomo.
En el nivel de Bachillerato, las tres partículas subatómicas fundamentales para describir la estructura atómica son:
- protones
- neutrones
- electrones.
Los protones y neutrones forman el núcleo y reciben conjuntamente el nombre de: nucleones.
Los electrones forman parte de la estructura electrónica situada alrededor del núcleo.
Estructura Básica del Átomo
Un átomo está formado por dos regiones principales:
- Núcleo → contiene protones y neutrones.
- Nube electrónica → contiene los electrones.
Aunque el núcleo ocupa una fracción extremadamente pequeña del volumen total del átomo, concentra prácticamente toda su masa.
Los electrones poseen una masa mucho menor y se encuentran distribuidos en regiones del espacio descritas mediante orbitales atómicos.
Protones, Neutrones y Electrones
Tabla fundamental:
| Partícula | Símbolo | Carga | Masa aproximada | Localización |
|---|---|---|---|---|
| Protón | p⁺ | +1 e | 1,0073 u | Núcleo |
| Neutrón | n⁰ | 0 | 1,0087 u | Núcleo |
| Electrón | e⁻ | −1 e | 0,0005486 u | Región extranuclear |
En términos relativos:
- Protón → masa ≈ 1
- Neutrón → masa ≈ 1
- Electrón → masa ≈ 1/1836 de la masa del protón.
Por ello, prácticamente toda la masa de un átomo se concentra en su núcleo.
Representación de un Átomo
La notación nuclear puede escribirse como: ᴬZX
donde:
- X = símbolo del elemento.
- A = número másico.
- Z = número atómico.
Por ejemplo: ²³₁₁Na
indica:
- 11 protones.
- 12 neutrones.
- 11 electrones si el átomo es neutro.
El Protón
El protón es una partícula subatómica con carga eléctrica positiva que se encuentra en el núcleo de los átomos. Junto con el neutrón constituye prácticamente toda la masa del núcleo atómico.
Se representa mediante: p⁺
Su carga eléctrica es: +1,602176634 × 10⁻¹⁹ C
Es decir, posee una carga elemental positiva: +e
La magnitud de su carga es exactamente igual a la del electrón, pero de signo contrario.
Masa del Protón
La masa del protón es aproximadamente: 1,673 × 10⁻²⁷ kg
En unidades de masa atómica: ≈ 1,0073 u
Su masa es aproximadamente 1836 veces mayor que la del electrón.
Por ello, aunque los electrones determinan gran parte del comportamiento químico del átomo, prácticamente toda la masa atómica se concentra en el núcleo.
Localización del Protón
Los protones se encuentran en el núcleo atómico junto con los neutrones.
El núcleo ocupa una fracción extremadamente pequeña del volumen total del átomo.
Su tamaño característico es del orden de: 10⁻¹⁵ m
Mientras que el tamaño de un átomo es aproximadamente del orden de: 10⁻¹⁰ m.
Por tanto, el núcleo es mucho más pequeño que el átomo completo, aunque concentra casi toda su masa.
El Número de Protones Determina el Elemento
La propiedad química más importante del protón es que el número de protones del núcleo determina la identidad del elemento.
Este número se denomina: número atómico
y se representa mediante: Z
Por tanto: Z = número de protones.
Z = número de protones.
Ejemplos:
- H → Z = 1 → 1 protón.
- He → Z = 2 → 2 protones.
- C → Z = 6 → 6 protones.
- O → Z = 8 → 8 protones.
- Na → Z = 11 → 11 protones.
Si cambia el número de protones, cambia el elemento químico.
- Un núcleo con 6 protones siempre corresponde al carbono.
- Un núcleo con 7 protones corresponde al nitrógeno.
Por tanto, añadir o eliminar un protón del núcleo no genera simplemente un ion: produce un núcleo de otro elemento.
Protón y Carga Nuclear
Como cada protón posee carga: +e , la carga eléctrica total del núcleo depende del número de protones.
Para un átomo con número atómico Z:
Carga nuclear = +Ze
Por ejemplo, un núcleo de oxígeno posee: Z = 8
Por tanto: carga nuclear = +8e.
Esta carga positiva es responsable de la atracción electrostática ejercida sobre los electrones del átomo.
Protón y Átomo Neutro
Un átomo eléctricamente neutro posee el mismo número de protones que de electrones.
Por ejemplo, un átomo neutro de sodio contiene:
- 11 protones
- 11 electrones.
Las cargas se compensan: 11(+e) + 11(−e) = 0.
Por tanto, la carga total del átomo es cero.
Formación de Iones
Cuando un átomo gana o pierde electrones, cambia su carga eléctrica, pero no cambia su número de protones.
Por ejemplo: Na → Na⁺ + e⁻
Na → Na⁺ + e⁻
El átomo de sodio neutro posee:
- 11 protones
- 11 electrones.
El ion Na⁺ posee:
- 11 protones
- 10 electrones.
Sigue siendo sodio porque conserva: Z = 11.
Por tanto:
- formación de un ion → cambia el número de electrones.
- transformación en otro elemento → requiere cambiar el número de protones.
Diferencia entre isótopos e iones
| Característica | Isótopos | Iones |
|---|---|---|
| Protones | Igual | Igual para el mismo elemento |
| Neutrones | Cambian | Normalmente no cambian al ionizar |
| Electrones | Pueden ser iguales si son neutros | Cambian |
| Consecuencia | Diferente número másico | Diferente carga eléctrica |
Protón y Número Másico
Los protones y neutrones reciben conjuntamente el nombre de nucleones.
El número total de nucleones constituye el número másico:
A = Z + N
donde:
- A = número másico;
- Z = número de protones;
- N = número de neutrones.
Por ejemplo, el carbono-12 posee:
- 6 protones
- 6 neutrones.
Por tanto: A = 6 + 6 = 12.
Protones e Isótopos
Los isótopos de un elemento poseen siempre el mismo número de protones.
Lo que cambia es el número de neutrones.
Por ejemplo:
- ¹²C → 6 protones y 6 neutrones.
- ¹³C → 6 protones y 7 neutrones.
- ¹⁴C → 6 protones y 8 neutrones.
Todos son carbono porque: Z = 6.
Por tanto, el número de protones identifica el elemento, mientras que el número de neutrones permite diferenciar sus isótopos.
Repulsión entre Protones
Todos los protones poseen carga positiva.
Por ello, dentro del núcleo experimentan repulsión electrostática entre sí.
Según la interacción electromagnética: cargas del mismo signo → se repelen.
En un núcleo con varios protones, esta repulsión puede ser considerable.
Sin embargo, el núcleo puede mantenerse unido gracias a la interacción nuclear fuerte entre los nucleones.
Interacción Nuclear Fuerte
A distancias nucleares muy pequeñas actúa una interacción atractiva mucho más intensa que la repulsión electromagnética.
Esta interacción permite mantener unidos protones y neutrones dentro del núcleo.
Por tanto, la estabilidad nuclear resulta del equilibrio entre diferentes efectos, principalmente:
- repulsión electrostática entre protones;
- interacción nuclear fuerte entre nucleones.
En núcleos muy pesados, el gran número de protones aumenta la repulsión eléctrica y puede contribuir a la inestabilidad nuclear.
El Protón no es una Partícula Elemental
Aunque en química básica el protón suele tratarse como una de las partículas fundamentales del átomo, en física de partículas sabemos que posee estructura interna.
El protón es un hadrón y, más concretamente, un barión.
Está formado por quarks y gluones.
Composición en quarks
La composición de quarks de valencia del protón es:
uud
Es decir:
- dos quarks up
- un quark down.
Las cargas son:
- up → +2/3 e
- up → +2/3 e
- down → −1/3 e
Sumando: +2/3 + 2/3 − 1/3 = +1
Por tanto: carga total del protón = +e.
Estructura Interna Real del Protón
Decir que el protón está formado simplemente por tres quarks es una simplificación.
Los tres quarks: uud , son sus quarks de valencia.
En realidad, el interior del protón es un sistema cuántico dinámico que contiene:
- quarks de valencia
- gluones
- pares quark-antiquark transitorios
- campos asociados a la interacción fuerte.
Por tanto, no debe imaginarse al protón como tres pequeñas esferas estáticas unidas entre sí.
Gluones
Los quarks del protón interaccionan mediante la interacción fuerte.
Las partículas mediadoras de esta interacción son los gluones.
Los gluones mantienen confinados a los quarks dentro del protón.
La teoría que describe estas interacciones se denomina: Cromodinámica Cuántica o QCD.
Confinamiento
Los quarks no se observan normalmente de manera aislada.
Permanecen confinados dentro de partículas compuestas como protones y neutrones.
Al intentar separarlos, la energía almacenada en el campo de interacción fuerte aumenta considerablemente.
Por ello, en lugar de obtener quarks libres, pueden generarse nuevas partículas compuestas.
Origen de la Masa del Protón
La masa del protón no procede simplemente de sumar las masas de sus tres quarks de valencia.
Las masas propias de los quarks up y down representan solo una pequeña parte de la masa total del protón.
Una parte muy importante procede de:
- energía del movimiento de quarks y gluones
- energía de los campos de gluones
- interacción fuerte.
Mediante la equivalencia:
E = mc²
esa energía contribuye a la masa observada del protón.
Estabilidad del Protón
El protón libre se considera extraordinariamente estable.
Hasta el momento no se ha observado experimentalmente una desintegración espontánea del protón.
Algunas teorías más allá del Modelo Estándar predicen que podría desintegrarse con una vida media extremadamente grande, pero no existe evidencia experimental confirmada de este proceso.
Dentro del Modelo Estándar ordinario, el protón es estable.
Protón y Neutrón
Protón y neutrón tienen masas muy similares, pero presentan diferencias importantes.
Protón: carga = +1e
composición de valencia = uud.
Neutrón: carga = 0
composición de valencia = udd.
El neutrón posee una masa ligeramente superior a la del protón.
Esta diferencia permite que un neutrón libre pueda desintegrarse mediante interacción débil: n → p + e⁻ + antineutrino electrónico.
n → p + e⁻ + antineutrino electrónico.
El Protón en el Átomo de Hidrógeno
El ejemplo más sencillo es el átomo de hidrógeno común, ¹H.
Su núcleo contiene únicamente: 1 protón.
No contiene neutrones.
El átomo neutro posee además: 1 electrón.
Por tanto: ¹H → 1 protón + 1 electrón.
Este es el átomo más sencillo de todos.
Importancia del Protón en Química
El protón desempeña varias funciones fundamentales.
Determina:
- identidad del elemento
- número atómico
- carga nuclear
- posición en la tabla periódica.
Indirectamente, al determinar la carga nuclear, también influye sobre:
- estructura electrónica
- tamaño atómico
- energía de ionización
- electronegatividad
- comportamiento químico.
Por tanto, aunque las reacciones químicas ordinarias implican principalmente electrones, el número de protones determina qué elemento posee esos electrones.
El término Protón en Química Ácido-Base
En química también se utiliza frecuentemente la palabra protón para referirse al ion: H⁺.
Un átomo de hidrógeno ordinario contiene un protón y un electrón.
Si pierde su electrón: H → H⁺ + e⁻ , queda esencialmente su núcleo, que en el caso del isótopo ¹H es un único protón.
Por ello, en las teorías ácido-base se habla de:
- donación de protones
- aceptación de protones.
Sin embargo, en disolución acuosa un protón no permanece libre de forma aislada, sino fuertemente asociado a moléculas de agua, formando especies como H₃O⁺ y estructuras hidratadas más complejas.
El Neutrón
El neutrón es una partícula subatómica eléctricamente neutra que se encuentra en el núcleo atómico junto con los protones. Forma parte de los nucleones y contribuye de manera esencial a la masa y a la estabilidad del núcleo.
Se representa mediante: n⁰
Su carga eléctrica es: 0
Su masa es aproximadamente: 1,675 × 10⁻²⁷ kg
o: 1,0087 u
Por tanto, su masa es ligeramente mayor que la del protón.
Localización del Neutrón
Los neutrones se encuentran en el núcleo atómico.
Junto con los protones forman prácticamente toda la masa del átomo.
La nube electrónica ocupa la mayor parte del volumen atómico, pero los electrones poseen una masa muy pequeña comparada con la de protones y neutrones.
Por ello: masa del átomo ≈ masa del núcleo.
El Neutrón y el Número Másico
Los protones y neutrones se denominan conjuntamente nucleones.
El número total de nucleones de un núcleo corresponde al número másico: A = Z + N
donde:
- A = número másico
- Z = número de protones
- N = número de neutrones.
Por tanto:
N = A − Z
Esta relación permite calcular directamente el número de neutrones de un isótopo.
Ejemplo:
Para el sodio-23: ²³Na
sabemos que:
- A = 23
- Z = 11
Por tanto:
N = 23 − 11
N = 12
El núcleo contiene:
- 11 protones
- 12 neutrones.
Neutrones e Isótopos
Los isótopos son átomos del mismo elemento que tienen el mismo número de protones, pero distinto número de neutrones.
Por ejemplo, el carbono presenta:
- ¹²C → 6 protones y 6 neutrones.
- ¹³C → 6 protones y 7 neutrones.
- ¹⁴C → 6 protones y 8 neutrones.
Todos son carbono porque poseen: Z = 6 , pero presentan diferentes números másicos porque contienen distinto número de neutrones.
pero presentan diferentes números másicos porque contienen distinto número de neutrones.
El neutrón no determina la Identidad del Elemento
La identidad química de un elemento depende exclusivamente del número de protones.
Cambiar el número de neutrones:
- no cambia el elemento
- pero sí cambia el isótopo.
Por ejemplo: ¹H, ²H y ³H , son todos hidrógeno porque poseen un protón.
Sin embargo, contienen respectivamente:
- 0 neutrones
- 1 neutrón
- 2 neutrones.
El neutrón y la Estabilidad Nuclear
Los neutrones desempeñan un papel fundamental en la estabilidad del núcleo.
Los protones poseen carga positiva y, por tanto, se repelen electrostáticamente entre sí.
Los neutrones no añaden repulsión eléctrica porque carecen de carga.
Sin embargo, participan en la interacción nuclear fuerte que mantiene unidos los nucleones.
Por ello, los neutrones contribuyen a estabilizar núcleos que contienen varios protones.
Relación Neutrones/Protones
La estabilidad de un núcleo depende en parte de la relación entre el número de neutrones y el número de protones.
En núcleos ligeros estables: N suele ser aproximadamente igual a Z.
A medida que aumenta el número de protones, suelen ser necesarios más neutrones que protones para conseguir estabilidad.
Esto ocurre porque al aumentar Z también aumenta la repulsión electrostática entre protones.
Los neutrones adicionales pueden aportar interacción nuclear atractiva sin aumentar esa repulsión eléctrica.
Exceso o defecto de neutrones
Si un núcleo posee una relación entre neutrones y protones poco favorable, puede resultar inestable.
En ese caso puede experimentar procesos de desintegración radiactiva.
Por ejemplo, un exceso de neutrones puede favorecer una desintegración beta negativa.
De forma simplificada:
n → p + e⁻ + antineutrino electrónico
En el interior de un núcleo, este proceso transforma un neutrón en un protón y modifica:
- Z → aumenta en 1.
- A → permanece constante.
Neutrón Libre
Un neutrón aislado fuera de un núcleo no es estable.
Puede desintegrarse mediante interacción débil:
n → p + e⁻ + ν̅ₑ
donde:
- p = protón;
- e⁻ = electrón;
- ν̅ₑ = antineutrino electrónico.
El neutrón libre tiene una vida media del orden de unos 15 minutos antes de desintegrarse.
Neutrones ligados en núcleos
Dentro de un núcleo, la situación puede ser diferente.
Un neutrón puede permanecer estable si la configuración energética del núcleo impide que su transformación reduzca la energía total del sistema.
Por tanto:
- neutrón libre → inestable;
- neutrón ligado → puede ser estable dependiendo del núcleo.
El Neutrón no es una Partícula Elemental
Al igual que el protón, el neutrón no es una partícula elemental.
Es un hadrón y, más concretamente, un barión.
Posee estructura interna.
Composición en quarks
La composición de quarks de valencia del neutrón es: udd
Es decir:
- un quark up
- dos quarks down.
Las cargas son:
- up → +2/3 e
- down → −1/3 e
- down → −1/3 e
Sumando: +2/3 − 1/3 − 1/3 = 0
Por tanto: carga total del neutrón = 0.
Estructura interna Real del Neutrón
La descripción: udd , indica únicamente los quarks de valencia.
En realidad, el neutrón contiene una estructura cuántica dinámica formada por:
- quarks de valencia
- gluones
- pares quark-antiquark
- campos asociados a la interacción fuerte.
Por tanto, no debe imaginarse como tres partículas fijas dentro de una esfera.
Gluones e Interacción Fuerte
Los quarks del neutrón permanecen confinados por la interacción fuerte.
Esta interacción está mediada por gluones.
La teoría que describe estas interacciones es la Cromodinámica Cuántica: QCD.
La interacción entre quarks y gluones es también responsable de gran parte de la masa del neutrón.
Origen de la Masa del Neutrón
La masa del neutrón no es simplemente la suma de las masas de sus tres quarks de valencia.
Como ocurre con el protón, una parte muy importante procede de la energía asociada a:
- movimiento de los quarks
- campos de gluones
- interacción fuerte.
Gracias a:
E = mc²
esa energía contribuye a la masa total de la partícula.
Comparación con el Protón
El neutrón es ligeramente más masivo que el protón.
Aproximadamente:
- masa del protón ≈ 1,0073 u
- masa del neutrón ≈ 1,0087 u
Esta pequeña diferencia es fundamental.
Hace posible que un neutrón libre pueda transformarse en un protón mediante desintegración beta.
El Neutrón y la Masa Atómica
El número de neutrones afecta directamente a la masa de un isótopo.
Por ejemplo:
- ¹²C
- ¹⁴C
tienen el mismo número de protones, pero el segundo contiene dos neutrones más.
Por tanto, tiene mayor masa.
Sin embargo, la masa exacta de un núcleo no es simplemente la suma aritmética de las masas de todos sus protones y neutrones.
Existe el llamado defecto de masa.
Defecto de masa
Cuando protones y neutrones se unen para formar un núcleo, la masa del núcleo resultante es menor que la suma de las masas de los nucleones separados.
La diferencia corresponde a la energía de enlace nuclear:
E = Δmc²
Esta energía es la responsable de mantener unido el núcleo.
Por tanto, la masa nuclear refleja también la energía interna del sistema.
Descubrimiento del Neutrón
El neutrón fue descubierto experimentalmente por James Chadwick en 1932.
Antes de su descubrimiento se sabía que el núcleo contenía carga positiva, pero existían dificultades para explicar correctamente:
- las masas nucleares
- los isótopos
- la estructura del núcleo.
Chadwick demostró la existencia de una partícula neutra con una masa similar a la del protón.
Este descubrimiento completó la imagen básica del núcleo formado por:
- protones
- neutrones.
Importancia Histórica
El descubrimiento del neutrón permitió explicar mucho mejor:
- existencia de isótopos
- masas nucleares
- estabilidad del núcleo
- reacciones nucleares
- radiactividad
- fisión nuclear.
También abrió el camino al desarrollo de la física nuclear moderna.
Neutrones y Reacciones Nucleares
Debido a que no poseen carga eléctrica, los neutrones pueden penetrar en los núcleos con mayor facilidad que las partículas cargadas.
No experimentan repulsión electrostática frente a la carga positiva del núcleo.
Por ello son especialmente importantes en procesos como:
- captura neutrónica
- activación nuclear
- fisión nuclear
- nucleosíntesis.
Importancia Química
En química, el neutrón es importante principalmente porque determina:
- el isótopo de un elemento
- la masa nuclear
- la estabilidad nuclear.
Sin embargo, el número de neutrones suele tener una influencia mucho menor que el número de electrones sobre el comportamiento químico ordinario.
Esto se debe a que las reacciones químicas implican principalmente reorganizaciones de electrones.
Efecto Isotópico
Aunque los isótopos de un elemento tienen propiedades químicas muy semejantes, no son necesariamente idénticas.
La diferencia de masa puede producir pequeñas variaciones en:
- velocidades de reacción
- frecuencias vibracionales
- equilibrios químicos.
Estas diferencias se conocen como efectos isotópicos.
Son especialmente importantes cuando la diferencia relativa de masa es grande, como ocurre entre:
- ¹H
- ²H
- ³H.
El Electrón
El electrón es una partícula subatómica con carga eléctrica negativa que forma parte de todos los átomos. Se encuentra asociado a la región externa del átomo, denominada nube electrónica, y desempeña un papel fundamental en prácticamente todas las propiedades químicas de los elementos.
Se representa mediante: e⁻
Su carga eléctrica es exactamente: −1,602176634 × 10⁻¹⁹ C
Es decir: −e , donde e es la carga elemental.
La magnitud de la carga del electrón es igual a la del protón, pero tiene signo contrario.
Masa del Electrón
La masa del electrón es aproximadamente: 9,109 × 10⁻³¹ kg
En unidades de masa atómica: ≈ 0,0005486 u
Su masa es aproximadamente 1836 veces menor que la del protón.
Por ello, aunque los electrones son esenciales para determinar el comportamiento químico de los átomos, contribuyen muy poco a su masa total.
Prácticamente toda la masa de un átomo se encuentra concentrada en el núcleo, formado por protones y neutrones.
Localización del Electrón
Los electrones se encuentran asociados a la región exterior del núcleo.
Sin embargo, no debe imaginarse que giran alrededor de este siguiendo órbitas circulares bien definidas, como en los modelos planetarios antiguos.
Según la mecánica cuántica, el electrón se describe mediante una función de onda.
A partir de ella puede determinarse una distribución de probabilidad asociada a su presencia en distintas regiones del espacio.
Por ello, se utiliza el concepto de: orbital atómico.
Orbital Atómico
Un orbital atómico es una función cuántica asociada a un electrón y permite describir su distribución espacial dentro del átomo.
Los orbitales se agrupan en diferentes tipos:
- s
- p
- d
- f
Cada uno presenta determinadas características energéticas y espaciales.
Por ejemplo:
- orbitales s → distribución con simetría esférica;
- orbitales p → dos regiones principales de densidad electrónica;
- orbitales d y f → distribuciones espaciales más complejas.
- Un orbital puede contener como máximo dos electrones.
Niveles de Energía
Los electrones de un átomo no pueden poseer cualquier energía.
Sus estados energéticos están cuantizados.
Esto significa que solo determinados valores de energía están permitidos.
Los electrones se distribuyen en niveles principales caracterizados por el número cuántico principal: n = 1, 2, 3, 4…
En general:
n mayor → estado electrónico de mayor extensión espacial y, habitualmente, mayor energía dentro de un mismo átomo.
Los niveles se subdividen en subniveles: s, p, d y f.
Configuración Electrónica
La configuración electrónica describe cómo están distribuidos los electrones entre los diferentes orbitales de un átomo.
Por ejemplo, el oxígeno posee:
Z = 8 , y, en estado neutro, tiene 8 electrones.
Su configuración electrónica fundamental es: 1s² 2s² 2p⁴
La configuración electrónica permite comprender gran parte del comportamiento químico de los elementos.
Electrones de Valencia
Los electrones de valencia son los electrones que participan de forma más directa en la formación de enlaces químicos y en muchas reacciones.
Se encuentran asociados a las regiones electrónicas externas relevantes del átomo.
Por ejemplo, el sodio presenta: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
Su electrón 3s es su electrón de valencia principal.
El sodio puede perderlo: Na → Na⁺ + e⁻ , y formar el catión Na⁺.
Electrones y Número Atómico
El número atómico Z indica el número de protones del núcleo.
En un átomo eléctricamente neutro: Número de electrones = número de protones = Z
Por ejemplo:
- C → Z = 6 → 6 electrones.
- O → Z = 8 → 8 electrones.
- Cl → Z = 17 → 17 electrones.
Esta igualdad deja de cumplirse cuando se forman iones.
Formación de Cationes
Cuando un átomo pierde uno o varios electrones, adquiere carga positiva.
Se forma un catión.
Por ejemplo: Na → Na⁺ + e⁻
El sodio neutro tiene:
- 11 protones
- 11 electrones.
Na⁺ tiene:
- 11 protones
- 10 electrones.
Por tanto: protones > electrones → carga positiva.
Formación de Aniones
Cuando un átomo gana electrones, adquiere carga negativa.
Se forma un anión.
Por ejemplo: Cl + e⁻ → Cl⁻
El cloro neutro tiene:
- 17 protones
- 17 electrones.
Cl⁻ tiene:
- 17 protones
- 18 electrones.
Por tanto: electrones > protones → carga negativa.
El Electrón y el Enlace Químico
Los enlaces químicos se deben principalmente a las interacciones de los electrones, especialmente los electrones de valencia.
En un enlace covalente: los átomos comparten densidad electrónica.
En un enlace iónico: la descripción habitual implica transferencia de electrones y posterior atracción entre iones.
En el enlace metálico: los electrones de valencia presentan un grado importante de deslocalización a través de la estructura metálica.
Por ello, el electrón es la partícula subatómica directamente implicada en la mayor parte de la química.
Espín del Electrón
El espín es una propiedad cuántica intrínseca de las partículas, comparable al momento angular, pero que no corresponde a una rotación física de la partícula sobre sí misma.
Se representa mediante el número cuántico de espín, s. Por ejemplo, electrones, protones y neutrones tienen espín s = 1/2.
En el caso del electrón, al medir una componente del espín solo pueden obtenerse dos orientaciones posibles, normalmente representadas como:
- mₛ = +1/2 → espín «arriba» (↑)
- mₛ = −1/2 → espín «abajo» (↓)
El espín es fundamental para explicar la estructura electrónica de los átomos, el principio de exclusión de Pauli y muchas propiedades magnéticas de la materia.
Su número cuántico de espín es: s = 1/2
Por ello, el electrón pertenece a la familia de los fermiones.
Al medir una determinada componente del espín pueden obtenerse dos valores posibles, representados habitualmente como:
- +1/2
- −1/2
o esquemáticamente:
- ↑
- ↓
Principio de Exclusión de Pauli
El espín resulta fundamental para comprender la estructura electrónica.
El principio de exclusión de Pauli establece que dos electrones de un mismo átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos idénticos.
Como consecuencia, en un mismo orbital pueden existir como máximo: 2 electrones
y deben presentar espines opuestos: ↑↓
Esta regla es esencial para explicar la configuración electrónica de los elementos y la estructura de la tabla periódica.
Regla de Hund
Cuando existen varios orbitales de igual energía, como los tres orbitales p de un mismo subnivel, los electrones tienden a ocuparlos inicialmente de forma individual antes de aparearse.
Por ejemplo, para un subnivel p³: ↑ ↑ ↑
en lugar de: ↑↓ ↑ _
Esta disposición se conoce como regla de Hund.
Dualidad Onda-Partícula
El electrón presenta propiedades tanto de partícula como de onda.
Puede producir efectos propios de partículas, como transferencias localizadas de energía y momento.
Pero también presenta fenómenos ondulatorios, como:
- interferencia
- difracción.
Por ello, el electrón no puede describirse adecuadamente mediante una imagen clásica exclusivamente corpuscular.
El electrón no sigue una trayectoria definida
En mecánica cuántica no se asigna al electrón una trayectoria exacta alrededor del núcleo comparable a la órbita de un planeta.
La descripción se realiza mediante estados cuánticos y distribuciones de probabilidad.
Por ello, representaciones como:
- electrones girando en círculos alrededor del núcleo
- son útiles únicamente como esquemas históricos o muy simplificados.
El modelo actual utiliza:
- orbitales
- funciones de onda
- densidad electrónica
- probabilidad.
Principio de Incertidumbre
El comportamiento del electrón está sujeto al principio de incertidumbre de Heisenberg.
No es posible conocer simultáneamente con precisión arbitraria determinadas parejas de magnitudes, como posición y momento.
De forma simplificada: Δx · Δp ≥ ħ/2
Esto constituye una característica fundamental de la naturaleza cuántica, no una simple limitación de los instrumentos de medida.
El Electrón es una Partícula Elemental
A diferencia de protones y neutrones, el electrón no presenta una estructura interna conocida.
Según el Modelo Estándar de la física de partículas, es una partícula elemental.
Pertenece a la familia de los: leptones
Por tanto:
- protón → partícula compuesta por quarks.
- neutrón → partícula compuesta por quarks.
- electrón → partícula elemental.
Los Leptones
Existen seis leptones conocidos:
- electrón
- muón
- tau
- neutrino electrónico
- neutrino muónico
- neutrino tauónico.
El electrón es el leptón cargado más ligero y es estable.
Es el que forma parte de la materia ordinaria.
Electrón e Interacción Electromagnética
El electrón posee carga eléctrica y, por tanto, participa en la interacción electromagnética.
La atracción entre:
- núcleo positivo
- electrones negativos
es fundamental para la existencia de los átomos.
La interacción electromagnética también es responsable, en última instancia, de gran parte de los fenómenos químicos:
- enlaces
- polaridad
- interacciones intermoleculares
- conductividad
- propiedades electrónicas de los materiales.
Energía de Ionización
Para separar un electrón de un átomo aislado es necesario aportar energía.
Esta energía está relacionada con la energía de ionización.
Por ejemplo:
Na(g) → Na⁺(g) + e⁻
La energía necesaria depende de factores como:
- carga nuclear efectiva
- distancia del electrón al núcleo
- apantallamiento
- configuración electrónica.
Los electrones externos suelen ser más fáciles de extraer que los electrones internos.
Afinidad Electrónica
Un átomo también puede captar un electrón: X(g) + e⁻ → X⁻(g)
La variación energética asociada está relacionada con la afinidad electrónica.
Por tanto, la facilidad con la que los átomos pierden o ganan electrones resulta esencial para comprender la formación de iones y la reactividad química.
Excitación Electrónica
Un electrón puede absorber energía y pasar desde un estado de menor energía a otro de mayor energía.
Este proceso se denomina excitación.
Si posteriormente regresa a un estado de menor energía, puede liberarse energía, frecuentemente en forma de radiación electromagnética.
Las diferencias entre niveles electrónicos explican los espectros atómicos.
Densidad Electrónica
En química resulta frecuente hablar de densidad electrónica.
Esta expresión indica cómo está distribuida la carga negativa asociada a los electrones en el espacio.
La densidad electrónica es especialmente importante para comprender:
- enlaces químicos
- polaridad
- geometría molecular
- reactividad
- interacciones intermoleculares.
Los electrones no tienen que estar repartidos uniformemente entre los átomos de una molécula.
Partículas Elementales
El Modelo Estándar de la física de partículas incluye diferentes tipos de partículas elementales.
Entre ellas:
Quarks
- Up.
- Down.
- Charm.
- Strange.
- Top.
- Bottom.
Leptones
- Electrón.
- Muón.
- Tau.
- Neutrinos correspondientes.
Además existen partículas mediadoras de las interacciones fundamentales.
Partículas Subatómicas y Tabla Periódica
La posición de un elemento en la Tabla Periódica está directamente relacionada con su número atómico.
Como: Z = número de protones
La Tabla Periódica está ordenada por número creciente de protones.
Ejemplos:
- H → Z = 1.
- He → Z = 2.
- Li → Z = 3.
- C → Z = 6.
- O → Z = 8.
- Cl → Z = 17.
Errores Frecuentes sobre las Partículas Subatómicas
- Confundir número atómico con número másico.
- Pensar que Z representa protones más neutrones.
- Calcular neutrones como A + Z.
- Cambiar el número de protones cuando se forma un ion.
- Pensar que un catión ha ganado electrones.
- Pensar que un anión ha perdido electrones.
- Confundir isótopos con iones.
- Pensar que todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de neutrones.
- Confundir número másico con masa atómica de la Tabla Periódica.
- Pensar que protones, neutrones y electrones tienen la misma masa.
- Considerar al electrón situado en una órbita planetaria perfectamente definida.
- Pensar que protones y neutrones son partículas elementales.
- Utilizar la masa atómica decimal de la Tabla Periódica como número másico de un átomo concreto.
Curiosidades sobre las Partículas Subatómicas
- El electrón tiene una masa aproximadamente 1836 veces menor que la del protón.
- Un átomo es eléctricamente neutro cuando posee igual número de protones y electrones.
- Cambiar el número de protones significa cambiar de elemento químico.
- Cambiar el número de neutrones puede producir otro isótopo del mismo elemento.
- Cambiar el número de electrones puede producir un ion.
- El hidrógeno-1 es un caso particular: su núcleo contiene un protón y ningún neutrón.
- Prácticamente toda la masa del átomo está concentrada en su núcleo.
- Protones y neutrones están constituidos por quarks.
- El electrón, según el Modelo Estándar actual, se considera una partícula elemental.
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Historia del Descubrimiento de las Partículas Subatómicas
Durante gran parte del siglo XIX, el átomo se consideraba la unidad más pequeña de la materia. La propia palabra átomo procede del griego átomos, «indivisible». Sin embargo, una serie de experimentos realizados entre finales del siglo XIX y las primeras décadas del XX demostró que el átomo poseía una estructura interna.
El descubrimiento progresivo del electrón, del protón y del neutrón permitió establecer la imagen básica del átomo que todavía constituye el punto de partida de la estructura atómica.
El Átomo antes del Descubrimiento de las Partículas Subatómicas
A comienzos del siglo XIX, John Dalton formuló su teoría atómica.
Dalton propuso que:
- la materia estaba formada por átomos
- los átomos de un mismo elemento presentaban propiedades características
- los compuestos se formaban mediante combinaciones de átomos en proporciones definidas.
En el modelo de Dalton, el átomo era esencialmente una partícula indivisible.
Sin embargo, durante el siglo XIX los estudios sobre electricidad, electrólisis y descargas eléctricas en gases comenzaron a indicar que la materia podía contener componentes con carga eléctrica.
Faraday y la Relación entre Electricidad y Materia
Michael Faraday estudió durante la década de 1830 los procesos de electrólisis.
Demostró que la cantidad de sustancia transformada durante una electrólisis estaba relacionada con la cantidad de electricidad que atravesaba el sistema.
Estos experimentos sugerían una conexión profunda entre:
- materia
- carga eléctrica.
Faraday introdujo además términos como:
- ion
- catión
- anión
- electrodo.
Sin embargo, todavía no se conocía la naturaleza microscópica de la carga eléctrica.
George Johnstone Stoney y el Término Electrón
Durante el siglo XIX se fue consolidando la idea de que la electricidad podía estar formada por unidades elementales de carga.
El físico irlandés George Johnstone Stoney propuso que debía existir una cantidad elemental de electricidad.
En 1891 introdujo el término: electron , para denominar esa unidad fundamental de carga.
En ese momento, sin embargo, el electrón todavía no había sido identificado experimentalmente como una partícula material.
Descubrimiento del Electrón
Estudios de los rayos catódicos
Durante la segunda mitad del siglo XIX, numerosos investigadores estudiaron tubos de vidrio que contenían gases a muy baja presión.
Al aplicar una elevada diferencia de potencial entre dos electrodos aparecía una radiación procedente del cátodo.
Se denominó:rayos catódicos.
Los investigadores observaron que estos rayos:
- se propagaban desde el cátodo
- producían fluorescencia
- podían generar sombras
- eran desviados por campos magnéticos.
Existía una discusión sobre si eran ondas o partículas.
William Crookes
William Crookes perfeccionó los tubos de descarga y estudió detalladamente los rayos catódicos.
Sus experimentos apoyaban la idea de que los rayos estaban constituidos por algún tipo de partículas emitidas desde el cátodo.
Sin embargo, todavía no se conocían su masa ni su naturaleza exacta.
J. J. Thomson
En 1897, Joseph John Thomson realizó experimentos decisivos en el Laboratorio Cavendish de Cambridge.
Thomson estudió la desviación de los rayos catódicos mediante:
- campos eléctricos
- campos magnéticos.
Demostró que los rayos catódicos estaban formados por partículas con carga negativa.
Además, determinó la relación entre su carga y su masa: e/m.
El valor obtenido indicaba que estas partículas tenían una masa muchísimo menor que la de cualquier átomo conocido.
Una partícula universal
Thomson realizó experimentos utilizando diferentes:
- gases;
- materiales de los electrodos;
- condiciones experimentales.
La relación carga/masa era esencialmente la misma.
Por ello concluyó que aquellas partículas formaban parte de todos los átomos.
Había demostrado que el átomo no era indivisible.
Estas partículas recibieron finalmente el nombre de: electrones.
Consecuencia fundamental
El descubrimiento del electrón en 1897 significó que: átomo ≠ partícula indivisible.
El átomo debía poseer una estructura interna.
Como los electrones tenían carga negativa y los átomos ordinarios eran eléctricamente neutros, debía existir además alguna forma de carga positiva dentro del átomo.
Modelo atómico de Thomson
Para explicar esta neutralidad, Thomson propuso posteriormente un modelo en el que:
- la carga positiva ocupaba el volumen del átomo
- los electrones estaban incrustados en ella.
Este modelo se conoce habitualmente como: modelo del pudin de pasas.
Los electrones serían las «pasas» distribuidas dentro de una región de carga positiva.
Determinación de la carga del electrón
Thomson había determinado principalmente: e/m.
Todavía era necesario conocer por separado la carga e.
Robert Andrews Millikan realizó entre 1909 y 1911 sus famosos experimentos de la gota de aceite.
Estudiando pequeñas gotas cargadas sometidas a campos eléctricos, pudo determinar la carga elemental.
Actualmente su valor exacto se define como: e = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ C.
Conociendo:
- e
- e/m
Pudo determinarse la masa del electrón.
Actualmente: mₑ ≈ 9,109 × 10⁻³¹ kg.
Descubrimiento del Núcleo Atómico
El siguiente paso fundamental fue descubrir dónde se encontraba la carga positiva del átomo.
Rutherford, Geiger y Marsden
Entre 1909 y 1911, Ernest Rutherford interpretó los experimentos realizados principalmente por Hans Geiger y Ernest Marsden sobre la dispersión de partículas alfa.
El experimento consistía en bombardear una lámina metálica muy fina, especialmente de oro, con partículas alfa.
La mayoría atravesaba la lámina prácticamente sin desviarse.
Sin embargo:
- algunas se desviaban considerablemente
- una pequeña fracción incluso regresaba hacia atrás.
Consecuencia
Estos resultados no podían explicarse mediante el modelo de Thomson.
Rutherford concluyó en 1911 que:
- la mayor parte del átomo es espacio prácticamente vacío;
- la carga positiva está concentrada en una región extremadamente pequeña;
- esa región contiene además casi toda la masa del átomo.
Esta región recibió el nombre de: núcleo atómico.
A partir de entonces se sabía que:
- electrones → región externa.
- carga positiva → núcleo.
Todavía quedaba identificar la naturaleza de esa carga positiva.
Descubrimiento del Protón
El núcleo del hidrógeno
Rutherford continuó estudiando las transformaciones nucleares mediante partículas alfa.
En experimentos realizados alrededor de 1917, publicados posteriormente, observó que al bombardear nitrógeno con partículas alfa aparecían núcleos de hidrógeno.
De forma simplificada, había provocado una reacción nuclear en la que se liberaban núcleos de hidrógeno.
Rutherford interpretó que el núcleo de hidrógeno debía constituir una unidad fundamental presente en otros núcleos.
El protón
El núcleo del isótopo más común del hidrógeno contiene únicamente una partícula con carga positiva: el protón.
Durante los años siguientes, Rutherford consolidó esta interpretación y en 1920 utilizó el término: protón , para referirse al núcleo de hidrógeno como partícula fundamental de los núcleos.
El término protón procede del griego πρῶτος (prôtos), que significa «primero».
Rutherford eligió este término porque consideraba al núcleo de hidrógeno como una de las unidades fundamentales o «primeras» constituyentes de la materia nuclear.
Por tanto, es más preciso distinguir:
- 1917-1919 → identificación experimental del núcleo de hidrógeno como componente nuclear.
- 1920 → consolidación del término protón.
Propiedades básicas
El protón posee:
- carga = +e
- masa ≈ 1,673 × 10⁻²⁷ kg.
La carga positiva del protón tiene exactamente la misma magnitud que la del electrón, pero signo contrario.
El Problema de la Masa Nuclear
Una vez conocidos:
- electrones
- protones
parecía que el átomo podía explicarse utilizando únicamente estas dos partículas.
Sin embargo, surgió un problema.
La masa de muchos núcleos era demasiado grande para explicarse únicamente mediante el número de protones necesario para proporcionar su carga.
Por ejemplo, el núcleo del helio tenía:
- carga +2
- pero una masa próxima a 4 unidades de masa atómica.
Debía existir algún componente adicional sin carga eléctrica.
Hipótesis de una partícula neutra
Rutherford sugirió en 1920 que podría existir en el núcleo una partícula eléctricamente neutra con una masa aproximadamente igual a la del protón.
Encontrar esta partícula era difícil precisamente porque: no tenía carga eléctrica.
Por ello no podía detectarse fácilmente mediante desviaciones en campos eléctricos o magnéticos.
Descubrimiento del Neutrón
Experimentos con berilio
A comienzos de la década de 1930 se observó que, al bombardear determinados materiales como el berilio con partículas alfa, se emitía una radiación muy penetrante y eléctricamente neutra.
Inicialmente se pensó que podía tratarse de radiación gamma.
Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot estudiaron esta radiación y observaron que podía expulsar protones de sustancias ricas en hidrógeno, como la parafina.
James Chadwick
En 1932, James Chadwick analizó cuidadosamente estos resultados.
Demostró que no podían explicarse satisfactoriamente suponiendo únicamente radiación electromagnética.
Propuso que la radiación estaba formada por partículas:
- sin carga eléctrica
- con una masa aproximadamente igual a la del protón.
Estas partículas eran: neutrones.
Propiedades básicas
El neutrón posee:
- carga = 0
- masa ≈ 1,675 × 10⁻²⁷ kg.
- Su masa es ligeramente superior a la del protón.
El descubrimiento del neutrón permitió explicar correctamente:
- las masas de los núcleos
- los isótopos
- la estructura nuclear
- muchas reacciones nucleares.
El Modelo Nuclear después de Chadwick
A partir de 1932 quedó establecida la estructura básica del átomo:
Núcleo: protones + neutrones.
Región extranuclear: electrones.
Los protones y neutrones recibieron conjuntamente el nombre de: nucleones
La relación fundamental pasó a ser: A = Z + N
donde:
- A = número másico
- Z = número de protones
- N = número de neutrones.
Desarrollo posterior: Protones y Neutrones tampoco eran Elementales
Durante un tiempo se consideró que:
- electrón
- protón
- neutrón
Eran partículas fundamentales.
Posteriormente se descubrió que protones y neutrones poseen estructura interna.
Quarks
En 1964, Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron independientemente que los hadrones podían estar formados por partículas más fundamentales.
Estas partículas recibieron el nombre de: quarks
El nombre procede de la novela Finnegans Wake (1939), de James Joyce, donde aparece la frase:
“Three quarks for Muster Mark!”
Gell-Mann ya tenía en mente una palabra con un sonido parecido a «kwork» para estas partículas y, al encontrar «quark» en la obra de Joyce, adoptó esa grafía. Además, la expresión «Three quarks» resultaba especialmente apropiada porque, en el modelo original, protones y neutrones se describían como combinaciones de tres quarks.
Actualmente sabemos que:
- protón → uud
- neutrón → udd.
Es decir:
- protón → dos quarks up + un quark down.
- neutrón → un quark up + dos quarks down.
Evidencia experimental
Durante finales de la década de 1960, experimentos de dispersión profunda de electrones sobre protones realizados en el Stanford Linear Accelerator Center mostraron que el protón contenía constituyentes puntuales internos.
Estas observaciones proporcionaron evidencia experimental decisiva para la estructura interna de protones y neutrones.
Gluones
Posteriormente se desarrolló la Cromodinámica Cuántica, QCD, que describe la interacción fuerte entre quarks.
Los quarks permanecen unidos mediante: gluones
Por tanto, la descripción moderna es:
- protón y neutrón → partículas compuestas.
- electrón → partícula elemental conocida.
Importancia del descubrimiento de las partículas subatómicas
Estos descubrimientos transformaron completamente el concepto de átomo.
Primero:
- Dalton → átomo indivisible.
Después:
- Thomson → el átomo contiene electrones.
- Rutherford → existe un núcleo positivo.
- Rutherford → identifica el protón.
- Chadwick → descubre el neutrón.
Finalmente:
- física de partículas → protones y neutrones contienen quarks y gluones.
La visión moderna muestra, por tanto, que el átomo posee varios niveles de estructura:
Átomo:
- → núcleo + electrones
- → protones + neutrones
- → quarks + gluones.
El descubrimiento sucesivo del electrón, el protón y el neutrón fue fundamental para establecer la estructura atómica moderna y proporcionó la base para comprender posteriormente la configuración electrónica, los isótopos, la radiactividad, los enlaces químicos y las propiedades de los elementos.
