desde el principio de los tiempos, los seres humanos han buscado entender de qué está compuesto el universo y todo lo que hay dentro de él. Y mientras los antiguos magos y filósofos concebían un mundo compuesto de cuatro o cinco elementos – tierra, aire, agua, fuego (y metal, o conciencia) – por la antigüedad clásica, los filósofos comenzaron a teorizar que toda la materia estaba realmente compuesta de átomos diminutos, invisibles e indivisibles.

desde entonces, los científicos se han involucrado en un proceso de descubrimiento continuo con el átomo, con la esperanza de descubrir su verdadera naturaleza y composición., En el siglo 20, nuestra comprensión se perfeccionó hasta el punto de que fuimos capaces de construir un modelo preciso de la misma. Y en la última década, nuestra comprensión ha avanzado aún más, hasta el punto de que hemos llegado a confirmar la existencia de casi todas sus partes teorizadas.

hoy en día, la investigación atómica se centra en el estudio de la estructura y la función de la materia a nivel subatómico. Esto no solo consiste en identificar todas las partículas subatómicas que se cree que forman un átomo, sino investigar las fuerzas que las gobiernan., Estos incluyen fuerzas nucleares fuertes, fuerzas nucleares débiles, electromagnetismo y gravedad. Aquí hay un desglose de todo lo que hemos aprendido sobre el átomo hasta ahora

estructura del átomo:

nuestro modelo actual del átomo se puede dividir en tres partes constituyentes: protones, neutrones y electrones. Cada una de estas partes tiene una carga asociada, con protones que llevan una carga positiva, electrones que tienen una carga negativa, y neutrones que no poseen carga neta., De acuerdo con el modelo estándar de física de partículas, los protones y neutrones constituyen el núcleo del átomo, mientras que los electrones lo orbitan en una «nube».

Los electrones en un átomo son atraídos a los protones en el núcleo por la fuerza electromagnética. Los electrones pueden escapar de su órbita, pero solo en respuesta a una fuente externa de energía que se aplica., Cuanto más cerca esté la órbita del electrón del núcleo, mayor será la fuerza de atracción; por lo tanto, más fuerte será la fuerza externa necesaria para hacer que un electrón escape.

Los electrones orbitan el núcleo en múltiples órbitas, cada una de las cuales corresponde a un nivel de energía particular del electrón. El electrón puede cambiar su estado a un nivel de energía más alto absorbiendo un fotón con suficiente energía para impulsarlo al nuevo estado cuántico. Del mismo modo, un electrón en un estado de energía superior puede caer a un estado de energía inferior mientras irradia el exceso de energía como un fotón.,

los Átomos son eléctricamente neutros si tienen igual número de protones y electrones. Los átomos que tienen un déficit o un excedente de electrones se llaman iones. Los electrones que están más lejos del núcleo pueden ser transferidos a otros átomos cercanos o compartidos entre átomos. Por este mecanismo, los átomos son capaces de unirse a moléculas y otros tipos de compuestos químicos.

estas tres partículas subatómicas son fermiones, una clase de partícula asociada con la materia que es elemental (electrones) o compuesta (protones y neutrones) en la naturaleza., Esto significa que los electrones no tienen una estructura interna conocida, mientras que los protones y neutrones se componen de otras partículas subatómicas. llamados quarks. Hay dos tipos de quarks en los átomos, que tienen una carga eléctrica fraccionada.

los protones se componen de dos quarks «up» (cada uno con una carga de +2/3) y un quark «down» (-1/3), mientras que los neutrones consisten en un quark up y dos quarks down., Esta distinción explica la diferencia de carga entre las dos partículas, que resulta en una carga de +1 y 0 respectivamente, mientras que los electrones tienen una carga de -1.

otras partículas subatómicas incluyen leptones, que se combinan con fermiones para formar los bloques de construcción de la materia. Hay seis leptones en el modelo atómico actual: las partículas electrón, muón y tau, y sus neutrinos asociados., Las diferentes variedades de las partículas de leptón, comúnmente llamadas «sabores», se diferencian por sus tamaños y cargas, lo que afecta el nivel de sus interacciones electromagnéticas.

entonces, hay bosones de calibre, que se conocen como «portadores de fuerza», ya que median fuerzas físicas. Por ejemplo, los gluones son responsables de la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a los quarks, mientras que los bosones W Y Z (todavía hipotéticos) se cree que son responsables de la fuerza nuclear débil detrás del electromagnetismo., Los fotones son la partícula elemental que compone la luz, mientras que el bosón de Higgs es responsable de dar su masa a los bosones W Y Z.

Masa Atómica:

La mayoría de los átomos de la masa proviene de los protones y neutrones que componen su núcleo. Los electrones son la menos masiva de las partículas constituyentes de un átomo, con una masa de 9,11 x 10-31 kg y un tamaño demasiado pequeño para ser medido por las técnicas actuales. Los protones tienen una masa que es 1.836 veces la del electrón, en 1,6726×10-27 kg, mientras que los neutrones son los más masivos de los tres, en 1.,6929×10-27 kg (1.839 veces la masa del electrón).

El número total de protones y neutrones en el núcleo de un átomo (llamados «nucleones») se llama el número de masa. Por ejemplo, el elemento carbono-12 es llamado así porque tiene un número de masa de 12-derivado de sus 12 nucleones (seis protones y seis neutrones)., Sin embargo, los elementos también están dispuestos en función de sus números atómicos, que es el mismo que el número de protones que se encuentran en el núcleo. En este caso, el carbono tiene un número atómico de 6.

la masa real de un átomo en reposo es muy difícil de medir, ya que incluso los átomos más masivos son demasiado ligeros para expresarse en unidades convencionales. Como tal, los científicos a menudo utilizan la unidad de masa atómica unificada (u), también llamada dalton (Da), que se define como una duodécima de la masa de un átomo neutro libre de carbono – 12, que es Aproximadamente 1.66×10-27 kg.,

Los químicos también usan moles, una unidad definida como un mol de cualquier elemento que siempre tenga el mismo número de átomos (aproximadamente 6.022×1023). Este número fue elegido de modo que si un elemento tiene una masa atómica de 1 u, un mol de átomos de ese elemento tiene una masa cercana a un gramo. Debido a la definición de la unidad de masa atómica unificada, cada átomo de carbono-12 tiene una masa atómica de exactamente 12 u, por lo que un mol de átomos de carbono-12 pesa exactamente 0.012 kg.

desintegración radiactiva:

dos átomos cualesquiera que tengan el mismo número de protones pertenecen al mismo elemento químico., Pero los átomos con un número igual de protones pueden tener un número diferente de neutrones, que se definen como isótopos diferentes del mismo elemento. Estos isótopos son a menudo inestables, y todos aquellos con un número atómico mayor de 82 son conocidos por ser radiactivos.

Cuando un elemento sufre decaimiento, su núcleo pierde energía al emitir radiación, que puede consistir en partículas alfa (átomos de helio), partículas beta (positrones), rayos gamma (energía electromagnética de alta frecuencia) y electrones de conversión. La velocidad a la que un elemento inestable decae se conoce como su «vida media», que es la cantidad de tiempo requerido para que el elemento caiga a la mitad de su valor inicial.

la estabilidad de un isótopo se ve afectada por la relación de protones a neutrones., De los 339 tipos diferentes de elementos que ocurren naturalmente en la Tierra, 254 (aproximadamente el 75%) han sido etiquetados como «isótopos estables», es decir, no sujetos a desintegración. Otros 34 elementos radiactivos tienen vidas medias superiores a los 80 millones de años, y también han estado en existencia desde el sistema Solar temprano (de ahí por qué se les llama «elementos primordiales»).

finalmente, se sabe que otros 51 elementos de corta vida ocurren naturalmente, como «elementos hija» (es decir, subproductos nucleares) de la desintegración de otros elementos (como el radio del uranio)., Además, los elementos radiactivos de corta vida pueden ser el resultado de procesos energéticos naturales en la Tierra, como el bombardeo de rayos cósmicos (por ejemplo, carbono-14, que ocurre en nuestra atmósfera).

historia del estudio:

los primeros ejemplos conocidos de teoría atómica provienen de la antigua Grecia e India, donde filósofos como Demócrito postularon que toda la materia estaba compuesta de unidades minúsculas, indivisibles e indestructibles. El término «átomo «fue acuñado en la antigua Grecia y dio lugar a la escuela de pensamiento conocida como»atomismo»., Sin embargo, esta teoría era más un concepto filosófico que científico.

no fue hasta el siglo XIX que la teoría de los átomos se articuló como un asunto científico, con los primeros experimentos basados en la evidencia que se llevaron a cabo., Por ejemplo, a principios de 1800, el científico inglés John Dalton usó el concepto del átomo para explicar por qué los elementos químicos reaccionaron de ciertas maneras observables y predecibles.

Dalton comenzó con la pregunta de por qué los elementos reaccionaron en proporciones de números enteros pequeños, y concluyó que estas reacciones ocurrieron en múltiplos de números enteros de unidades discretas, en otras palabras, átomos. A través de una serie de experimentos con gases, Dalton desarrolló lo que se conoce como la teoría atómica de Dalton, que sigue siendo una de las piedras angulares de la física y la química modernas.,

la teoría se reduce a cinco premisas: los elementos, en su estado más puro, consisten en partículas llamadas átomos; los átomos de un elemento específico son todos iguales, hasta el último átomo; los átomos de diferentes elementos pueden distinguirse por sus pesos atómicos; los átomos de elementos se unen para formar compuestos químicos; los átomos no pueden ser creados o destruidos en reacción química, solo la agrupación cambia siempre.

a finales del siglo XIX, los científicos comenzaron a teorizar que el átomo estaba formado por más de una unidad fundamental., Sin embargo, la mayoría de los científicos se aventuraron a que esta unidad sería del tamaño del átomo más pequeño conocido: el hidrógeno. Y luego en 1897, a través de una serie de experimentos usando rayos catódicos, el físico J. J. Thompson anunció que había descubierto una unidad que era 1000 veces más pequeña y 1800 veces más ligera que un átomo de hidrógeno.

sus experimentos también mostraron que eran idénticas a partículas emitidas por el efecto fotoeléctrico y por materiales radiactivos. Experimentos posteriores revelaron que esta partícula transportaba corriente eléctrica a través de cables metálicos y cargas eléctricas negativas dentro de los átomos. Por lo tanto, la partícula – que originalmente fue llamada «corpúsculo» – fue cambiada más tarde a «electrón», después de la partícula que George Johnstone Stoney predijo en 1874.,

Sin embargo, Thomson también postuló que los electrones estaban distribuidos por todo el átomo, que era un mar uniforme de carga positiva. Esto se conoció como el» modelo de pudín de ciruela», que más tarde se probaría que era incorrecto. Esto tuvo lugar en 1909, cuando los físicos Hans Gieger y Ernest Marsden (bajo la dirección de Ernest Rutherfod) llevaron a cabo su experimento utilizando láminas de metal y partículas alfa.

consistente con el modelo atómico de Dalton, creían que las partículas alfa pasarían directamente a través de la lámina con poca desviación., Sin embargo, muchas de las partículas fueron desviadas en ángulos mayores de 90°. Para explicar esto, Rutherford propuso que la carga positiva del átomo se concentra en un pequeño núcleo en el centro.

en 1913, el físico Niels Bohr propuso un modelo donde los electrones orbitaban el núcleo, pero solo podían hacerlo en un conjunto finito de órbitas. También propuso que los electrones podrían saltar entre órbitas, pero solo en cambios discretos de energía correspondientes a la absorción o radiación de un fotón., Esto no solo refinó el modelo propuesto por Rutherford, sino que también dio lugar al concepto de un átomo cuantizado, donde la materia se comportaba en paquetes discretos.

El desarrollo del espectrómetro de masas – que utiliza un imán para doblar la trayectoria de un haz de iones – permitió medir la masa de átomos con mayor precisión. El químico Francis William Aston usó este instrumento para demostrar que los isótopos tenían masas diferentes., Esto a su vez fue seguido por el físico James Chadwick, quien en 1932 propuso el neutrón como una forma de explicar la existencia de isótopos.

a lo largo de principios del siglo XX, la naturaleza cuántica de los átomos se desarrolló aún más. En 1922, los físicos alemanes Otto Stern y Walther Gerlach llevaron a cabo un experimento en el que un haz de átomos de plata se dirigía a través de un campo magnético, que estaba destinado a dividir el haz entre la dirección del Momento angular de los átomos (o espín).,

conocido como el experimento Stern–Gerlach, los resultados fueron que el haz se dividió en dos partes, dependiendo de si el espín de los átomos estaba orientado hacia arriba o hacia abajo. En 1926, el físico Erwin Schrodinger utilizó la idea de que las partículas se comportaban como ondas para desarrollar un modelo matemático que describía a los electrones como formas de onda tridimensionales en lugar de meras partículas.

una consecuencia del uso de formas de onda para describir partículas es que es matemáticamente imposible obtener valores precisos tanto para la posición como para el momento de una partícula en un momento dado., Ese mismo año, Werner Heisenberg formuló este problema y lo llamó el «principio de incertidumbre». Según Heisenberg, para una medición precisa de la posición, solo se puede obtener un rango de valores probables para el momento, y viceversa.

en la década de 1930, los físicos descubrieron la fisión nuclear, gracias a los experimentos de Otto Hahn, Lise Meitner y Otto Frisch., Hahn experimentos consistían en dirigir los neutrones en los átomos de uranio en la esperanza de crear un transuránicos elemento. En cambio, el proceso convirtió su muestra de uranio-92 (Ur92) en dos nuevos elementos: bario (B56) y criptón (Kr27).

Meitner y Frisch verificaron el experimento y lo atribuyeron a la división de los átomos de uranio para formar dos elementos con el mismo peso atómico total, un proceso que también liberó una cantidad considerable de energía al romper los enlaces atómicos. En los años que siguieron, comenzó la investigación sobre la posible militarización de este proceso (i. e., armas nucleares) y condujo a la construcción de las primeras bombas atómicas en los Estados Unidos en 1945.

en la década de 1950, el desarrollo de aceleradores de partículas mejorados y detectores de partículas permitió a los científicos estudiar los impactos de los átomos que se mueven a altas energías. A partir de esto, se desarrolló el modelo estándar de física de partículas, que hasta ahora ha explicado con éxito las propiedades del núcleo, la existencia de partículas subatómicas teorizadas y las fuerzas que gobiernan sus interacciones.,

experimentos modernos:

desde la segunda mitad del siglo 20, muchos nuevos y emocionantes descubrimientos han sido con respecto a la teoría atómica y la mecánica cuántica. Por ejemplo, en 2012, la larga búsqueda del bosón de Higgs llevó a un gran avance donde investigadores que trabajan en la Organización Europea para la investigación Nuclear (CERN) en Suiza anunciaron su descubrimiento.

en las últimas décadas, los físicos han dedicado una gran cantidad de tiempo y energía al desarrollo de una teoría de campos unificada (aka. Gran teoría unificadora o Teoría del todo). En esencia, desde que se propuso por primera vez el modelo estándar, los científicos han tratado de entender cómo las cuatro fuerzas fundamentales del universo (gravedad, fuerzas nucleares fuertes y débiles, y electromagnetismo) trabajan juntas.,

mientras que la gravedad se puede entender usando las teorías de la relatividad de Einstein, y las fuerzas nucleares y el electromagnetismo se pueden entender usando la teoría cuántica, ninguna teoría puede explicar las cuatro fuerzas trabajando juntas. Los intentos de resolver esto han llevado a una serie de teorías propuestas a lo largo de los años, que van desde la teoría de cuerdas hasta la gravedad cuántica de bucles. Hasta la fecha, ninguna de estas teorías ha conducido a un avance.,

nuestra comprensión del átomo ha recorrido un largo camino, desde modelos clásicos que lo veían como un sólido inerte que interactuaba mecánicamente con otros átomos, hasta teorías modernas donde los átomos están compuestos de partículas energéticas que se comportan de manera impredecible. Si bien ha tomado varios miles de años, nuestro conocimiento de la estructura fundamental de toda la materia ha avanzado considerablemente.

y, sin embargo, quedan muchos misterios por resolver. Con el tiempo y los esfuerzos continuos, finalmente podemos desbloquear los últimos secretos restantes del átomo., Por otra parte, podría muy bien ser que cualquier nuevo descubrimiento que hagamos solo dará lugar a más preguntas – ¡y podrían ser aún más confusas que las que vinieron antes!

hemos escrito muchos artículos sobre el átomo para el universo hoy. Aquí hay un artículo sobre el modelo atómico de John Dalton, el modelo atómico de Neils Bohr, ¿quién era Demócrito? y cuántos Átomos Hay En El Universo?

si desea obtener más información sobre el átomo, consulte el artículo de la NASA sobre el análisis de muestras pequeñas, y aquí hay un enlace al artículo de la NASA sobre átomos, elementos e isótopos.,

También hemos grabado un episodio entero de Astronomy Cast all about the Atom. Escuche aquí, Episodio 164: Inside The Atom, Episodio 263: Radioactive Decay, y Episodio 394: The Standard Model, Bosons.