1. El documento describe la estructura atómica, incluyendo el núcleo atómico compuesto de protones y neutrones, y la corteza atómica donde se encuentran los electrones en órbitas. 2. Explica que los átomos están constituidos por un núcleo central y una corteza externa de electrones, y que las moléculas se forman por la unión de átomos. 3. Detalla las unidades de masa y energía utilizadas en física atómica como la unidad de mas

1. Tema 1
ESTRUCTURA ATÓMICA
Tema 1
1

2. 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:
-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:
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3. 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:
XA
Z
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:
12 13 14
C C C
6 6 6
1 2 3
H H H
1 1 1
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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4. 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.
Nº máximo de e-
Valor de n Capa
1 K 2
2 L 8
3 M 18
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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5. 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 quot;electrón-voltioquot; (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 julios
sus múltiples más utilizados son:
KeV = 103 eV
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6. MeV = 106 eV
GeV = 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 γ, etc. Todas las ondas,
independientemente de su nombre, se caracterizan por su longitud de onda y su frecuencia.
La longitud de onda (λ) es la distancia mínima entre dos puntos que se encuentran en la
misma fase, se mide en unidades de longitud. La frecuencia (ν) 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=λ.ν
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
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7. c = 3 . 108 metros/segundo
c=λ.ν
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 γ, 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 ν, 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.ν = h c / λ
donde h es la constante de Planck (h = 6,62 . 10-34 J/s).
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8. 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 quot;onda cortaquot; (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
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
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9. 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 ν = 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
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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