Tema 1

ESTRUCTURA ATÓMICA

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ESTRUCTURA ATÓMICA

1.1 Átomos y moléculas

El átomo es la parte más pequeña de la materia que puede participar en las reacciones químicas. Aunque durante mucho tiempo se consideró una partícula indivisible, hoy se puede afirmar todo lo contrario.

Las moléculas son el resultado de la unión de átomos, iguales o diferentes entre sí, con unas propiedades definidas y distintas a las de los átomos que la forman. Por ejemplo, la molécula de nitrógeno N2 está constituida por la unión de dos átomos idénticos de nitrógeno N, pero no tiene las mismas propiedades que los átomos aislados de nitrógeno.

A estas sustancias formadas por la unión de átomos del mismo tipo se les denomina elementos.

El amoníaco (NH3) está formado por la unión de tres átomos de hidrógeno y uno de nitrógeno; esta molécula tiene unas propiedades definidas y diferentes a las del nitrógeno y el hidrógeno que lo constituyen. A estas sustancias, que se forman por la combinación de átomos de distintos elementos, se les conoce como compuestos.

El oxígeno O2 es un elemento, como lo es también el hidrógeno H2, el aluminio Al, el plomo Pb, etc. Sin embargo, se hace referencia a compuestos en el caso del agua, H2O, el bromuro de plata, BrAg, etc.

Cuando se produce una reacción química, las moléculas iniciales se rompen y los átomos se combinan de manera distinta, originando sustancias diferentes con propiedades diferentes. Se produce la ruptura de las moléculas pero no de los átomos, que permanecen inalterables.

1.2 Estructura atómica

Los átomos tienen una estructura compleja, pero, de forma simplificada, se considera que están constituidos por una parte central muy pequeña en donde se acumula casi toda la masa atómica, denominada núcleo atómico, y por una parte externa, denominada corteza atómica. El tamaño del átomo es pequeño, del orden de 10-10 m.

1.2.1 Núcleo atómico

El núcleo esta formado por unas partículas más simples, denominadas nucleones, que presentan características diferentes. Estas partículas que constituyen el núcleo son:

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-Protones. Partículas con carga eléctrica positiva, cuyo valor es 1,69 x 10-19 culombios.-Neutrones: partículas que carecen de carga eléctrica, y dan estabilidad al núcleo.

Y cuyas masas son aproximadamente iguales:

mp = 1,6725 l0-27 kg mn = 1,6748 10-27 kg

Un nucleido queda definido por el número de protones existentes en su núcleo, que recibe el nombre de número atómico y se representa con la letra Z. Éste es característico de cada elemento y define sus propiedades químicas.

El número total de nucleones (suma de protones y neutrones) se denomina número másico y se representa con la letra A. Por tanto, el número de neutrones de cualquier átomo será (A - Z).

De esta forma todos los nucleidos se pueden representar esquemáticamente como:

Z XA

Siendo X el elemento químico correspondiente.

Con el término isótopos se referencia a aquellos átomos que tienen el mismo número atómico (Z), pero diferente número másico (A); corresponden pues a un mismo elemento y se comportarán químicamente igual, pero se diferenciaran en sus propiedades nucleares. Es el caso de:

612C 13

6 C 146 C

11H 2

1H 31H

1.2.2 Corteza atómica

Alrededor del núcleo atómico se encuentran girando los electrones; en su movimiento describen órbitas circulares y elípticas (figura 1.1). Los electrones son mucho más ligeros que los nucleones, ya que su masa es unas 2.000 veces menor que la del protón o la del neutrón. Su carga eléctrica es negativa, con un valor de 1,69 x 10-19 C (igual, en valor absoluto, a la del protón pero con signo opuesto).

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Los átomos son eléctricamente neutros ya que tienen en el núcleo el mismo número de protones (cargas +) que electrones (cargas -) en la corteza.

El número atómico Z de un átomo nos indica pues el número de electrones que hay en la corteza. Las propiedades químicas de un elemento vienen determinadas por la distribución de los electrones que hay en la corteza.

Las órbitas que describen los electrones en un átomo se agrupan en diferentes capas, que se designan con las letras K, L, M, N..., en orden de menor a mayor distancia al núcleo. A cada capa le corresponde un valor de energía definido, que va aumentando a medida que nos alejamos del núcleo (EK < EL < EM... ). Los electrones van ocupando siempre los niveles de energía más bajos (es la situación más estable) (figura 1.2).

El número máximo de electrones que hay en cada capa viene dado por la expresión 2n2, donde n es el número de la capa.

Valor de n Capa Nº máximo de e-

123

KLM

2818

Se define la energía de ligadura o energía de enlace como aquella energía que hay que suministrar a un electrón para desplazarlo de su capa. Esta energía es mayor para aquellos electrones que se encuentran en las capas más próximas al núcleo (por que se trata de fuerzas de atracción de las cargas positivas del núcleo con la carga negativa del electrón); la energía de enlace de un electrón de la capa K es mayor que la energía de enlace del electrón de la capa M.

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1.3 Unidades de masa y energía en física atómica

La unidad de masa utilizada en física atómica para expresar las masas de los átomos se denomina unidad de masa atómica y se define como la doceava parte de la masa del átomo de 12C, que es el más abundante en la naturaleza. Su equivalencia con la unidad de masa del Sistema Internacional es:

1 uma = 1,66 . l0-27 Kg

y las masas de las partículas que constituyen los átomos expresadas en uma serán:

La unidad de energía en física atómica es el "electrón-voltio" (eV), que se define como la energía cinética que adquiere un electrón, inicialmente en reposo, cuando se acelera al aplicarle una diferencia de potencial de 1 voltio. La equivalencia con la unidad de energía utilizada en el sistema internacional es:

1 eV = 1,6 x l0-19 juliossus múltiples más utilizados son:

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KeV = 103 eVMeV = 106 eVGeV = 109 eV

1.4 Radiación electromagnética

1.4.1 Naturaleza de la radiación electromagnética

Una carga eléctrica en reposo produce en cada punto del espacio que la rodea un campo eléctrico estacionario, que disminuye a medida que aumenta la distancia entre la carga y el punto que consideremos.

Se observa que una corriente eléctrica, partículas cargadas en movimiento, produce en cada punto del espacio un campo eléctrico y un campo magnético que varían con el tiempo. Ambos campos se propagan en el espacio perpendicularmente con movimiento ondulatorio, generando una onda electromagnética (figura 1.3).

La radiación electromagnética constituye una propagación de energía a través del espacio, sin necesidad de un soporte material. Engloba una gama muy amplia, desde las ondas de radio, radiaciones IR, visible, UV, rayos X, rayos , etc. Todas las ondas, independientemente de su nombre, se caracterizan por su longitud de onda y su frecuencia.

La longitud de onda () es la distancia mínima entre dos puntos que se encuentran en la misma fase, se mide en unidades de longitud. La frecuencia () es el número de oscilaciones por segundo que experimenta la onda; se mide en unidades de Hz o en ciclos por segundo.

La velocidad con la que se desplaza una onda viene dada por el producto de su longitud de onda por su frecuencia.

V = .

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Todas las ondas electromagnéticas que se propagan en el vacío lo hacen con la misma velocidad, la velocidad de propagación de la luz, cuyo valor es

c = 3 . 108 metros/segundoc = .

Si el medio no es el vacío, la velocidad de propagación de la onda disminuye, dado que hay que considerar el índice de refracción del medio (n), según la

expresión:

v = c / n

1.4.2 Espectro de la radiación electromagnética

Todas las radiaciones electromagnéticas se pueden clasificar en función de su frecuencia o de su longitud de onda (ya que son magnitudes inversamente dependientes).

Variando cualquiera de estas dos magnitudes obtenemos el espectro de radiación electromagnética que se extiende desde las ondas de radio hasta los rayos X y los , pasando por la luz visible (figura 1.4).

Cuando se intentaron explicar ciertos fenómenos que la radiación luminosa producía al incidir sobre algunos materiales, hubo que tener en cuenta la naturaleza ondulatorio de la radiación. En base a ello, Planck y Einstein dedujeron que cuando las ondas electromagnéticas interaccionaban con medios materiales, cedían su energía en forma de pequeños cuantos de radiación o fotones. Una radiación electromagnética de una determinada , solo puede ceder la energía que transporta en paquetes de energía de un valor determinado, que es un múltiplo entero de su frecuencia.

La energía de un fotón será:

E = h. = h c /

donde h es la constante de Planck (h = 6,62 . 10-34 J/s).

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Figura 1.4 Espectro de radiación electromagnética

El fotón, que no existe en reposo, se puede considerar como una cierta cantidad de energía que se transporta desde el punto donde se produce hasta el que se deposita sin necesidad de un soporte material; no es una partícula, y por lo tanto carece de carga eléctrica.

Las diferentes radiaciones electromagnéticas, no sólo los rayos X, tienen su aplicación específica en medicina, como se comenta a continuación:

- Las ondas de radiofrecuencia, alta frecuencia u "onda corta" (inferior a 30 m) se emplean para producir el calentamiento de los tejidos profundos.- Las microondas se emplean con el mismo fin que la onda corta, pero son de mayor eficacia en el calentamiento de los tejidos.- Los rayos infrarrojos (IR) se utilizan para producir un calentamiento superficial y como importante medio diagnóstico (termografía).

1.5 Ionización y excitación

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A medida que los electrones van llenando la corteza electrónica del átomo ocupan los niveles de energía más bajos, es decir las capas más próximas al núcleo, estando el átomo en su estado fundamental, de mínima energía.

Si, por la acción de cualquier mecanismo, logramos que los electrones pasen de su nivel fundamental a una capa de energía superior (paso de la capa K a L, K a M ... ), se está provocando el fenómeno de la excitación. En esta situación los átomos no son estables, por lo que tienden a desexcitarse espontáneamente y los electrones vuelven a su nivel fundamental. En el fenómeno de la excitación-desexcitación se va a producir siempre un movimiento de electrones, pero nunca su pérdida.

Al producirse la desexcitación se liberará un fotón, con una cierta energía (consecuencia de que el electrón pasa de un nivel de mayor energía a un nivel de menor energía) que vendrá expresada como se indica en la figura 1.5 por:

h = E2 – E1 = E

Según los niveles atómicos entre los que se produzca la transición electrónica, la radiación obtenida puede ser de energía muy variable.

Si a un átomo en su estado fundamental, todos los electrones en sus niveles de menor energía, se le suministra energía suficiente para arrancar un electrón de su corteza, el átomo quedará cargado positivamente. El átomo, en ese estado, se dice que está ionizado y el proceso se denomina ionización.

Para poder ionizar un átomo hay que suministrar una energía mayor que la energía de ligadura del electrón a esa capa. Las ionizaciones (figura 1.6) se producen

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fundamentalmente en la capa más externa, de valencia, ya que es en ésta donde los electrones tienen menor energía de ligadura.

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