Átomo

Átomo de helio
Una ilustración del helio átomo, que representa el núcleo (rosa) y la distribución de las nubes de electrones (negro). El núcleo (superior derecha) es, en realidad, con simetría esférica, aunque para los núcleos más complicados esto no es siempre el caso. La barra de negro es uno Ångström, igual a 10 -10 m o 100 000 fm.
Clasificación
Más pequeña división reconocido de un elemento químico
Propiedades
Rango de masas: 1,67 × 10 -24 a 4,52 × 10 -22 g La carga eléctrica : o cero (neutro) de iones de carga Diámetro gama: 31 pm ( Él ) a 520 pm ( Cs ) ( página de datos) Componentes: Los electrones y un compacto núcleo de protones y neutrones

Un átomo es la partícula más pequeña que consta de un elemento químico . Un átomo consiste en una nube de electrones que rodea un denso núcleo . Este núcleo contiene positivamente cargada protones y eléctricamente neutros neutrones , mientras que la nube circundante se compone de carga negativa electrones . Cuando el número de protones en el núcleo es igual al número de electrones, el átomo es eléctricamente neutro; de lo contrario, es un ion y tiene una carga positiva o negativa neta. Un átomo se clasifica de acuerdo a su número de protones y neutrones: el número de protones determina el elemento químico y el número de neutrones determina el isótopo de ese elemento. El concepto de átomo como componente indivisible de la materia fue propuesto por primera vez por primeros indios y griegos filósofos. En los siglos 17 y 18, los químicos proporcionaron una base física para esta idea mostrando que ciertas sustancias no podían ser divididos por métodos químicos. Durante finales de los siglos 19 y 20, los físicos descubrieron componentes y estructura subatómicas dentro del átomo, lo que demuestra que el 'átomo' no era indivisible. Los principios de la mecánica cuántica , incluyendo la la dualidad onda-partícula de la materia, se utilizaron con éxito modelar el átomo.

En relación con la experiencia cotidiana, los átomos son objetos minúsculos con proporcionalmente pequeñas masas que sólo pueden ser observadas individualmente utilizando instrumentos especiales tales como la microscopio de efecto túnel. Más del 99,9% de la masa de un átomo se concentra en el núcleo, con protones y neutrones que tienen aproximadamente la misma masa. En los átomos con demasiados o muy pocos neutrones en relación con el número de protones, el núcleo es inestable y sujeta a la desintegración radiactiva. Los electrones que rodean el núcleo ocupan un conjunto de estable los niveles de energía, o orbitales, y pueden transición entre estos estados por la absorción o emisión de fotones que responden a las diferencias de energía entre los niveles. Los electrones determinan las propiedades químicas de un elemento, y tienen una gran influencia de un átomo magnéticos propiedades.

Historia

El concepto de que la materia está compuesta de unidades discretas y no puede ser dividido en cantidades arbitrariamente pequeñas ha existido durante miles de años, pero estas ideas se fundó en abstracto, razonamiento filosófico en lugar de la experimentación y la observación empírica. La naturaleza de los átomos en la filosofía varió considerablemente a lo largo del tiempo y entre las culturas y las escuelas, y los elementos espirituales a menudo tenido. Sin embargo, la idea básica del átomo fue adoptado por los científicos miles de años más tarde, ya que explica elegantemente nuevos descubrimientos en el campo de la química.

Las primeras referencias al concepto de átomos se remontan a la antigua India en el siglo sexto BCE. La Nyaya y Escuelas Vaisheshika desarrollaron elaborados teorías de cómo los átomos combinados en objetos más complejos (por primera vez en pares, luego tríos de pares). Las referencias a los átomos en Occidente surgió un siglo después de Leucipo cuya estudiante, Demócrito, sistematizó sus puntos de vista. En aproximadamente el 450 aC, Demócrito acuñó los Átomos plazo ( griego ἄτομος), lo que significaba algo "uncuttable" o "la partícula indivisible más pequeña de la materia", es decir, que no se puede dividir. Aunque los conceptos indios y griegos del átomo se basaron exclusivamente en la filosofía, la ciencia moderna ha conservado el nombre acuñado por Demócrito.

Nuevos avances en la comprensión de los átomos no se produjo hasta la ciencia de la química comenzó a desarrollarse. En 1661, la filósofo natural Robert Boyle publicó El Químico Escéptico en el que sostenía que la materia estaba compuesta de varias combinaciones de diferentes "corpúsculos" o átomos, en lugar de la elementos clásicos de aire, tierra, fuego y agua. En 1789 el elemento término fue definido por el noble francés e investigador científico Antoine Lavoisier en el sentido de las sustancias básicas que no podía ser más desagregadas por los métodos de la química.

Varios átomos y moléculas como se muestran en John Dalton Un nuevo sistema de filosofía química (1808)

En 1803, el inglés John Dalton , un instructor y filósofo natural, utiliza el concepto de átomos para explicar por qué los elementos siempre reaccionaron en una proporción de pequeños números enteros -la la ley de las proporciones múltiples, y por qué ciertos gases disueltos en el agua mejor que otros. Se propone que cada elemento consta de átomos de un único, tipo único, y que estos átomos pueden unirse entre sí, para formar compuestos químicos.

Validación adicional de la teoría de partículas (y, por extensión, teoría atómica) se produjo en 1827 cuando el botánico Robert Brown utilizó un microscopio para mirar a los granos de polvo que flotan en el agua y descubrió que se movían erráticamente-un fenómeno que se conoció como " El movimiento browniano ". J. Desaulx sugirió en 1877 que el fenómeno fue causado por el movimiento térmico de las moléculas de agua, y en 1905 Albert Einstein produjo el primer análisis matemático del movimiento, lo que confirma la hipótesis.

El físico JJ Thomson , a través de su trabajo en los rayos catódicos en 1897, descubrió el electrón y su naturaleza subatómica, que destruyó el concepto de átomos como unidades indivisibles. Thomson cree que los electrones se distribuyen por todo el átomo, con su carga equilibrada por la presencia de un mar uniforme de carga positiva (la Modelo atómico de Thomson).

Un modelo de Bohr del átomo de hidrógeno, que muestra un electrón saltando entre órbitas fijas y emitiendo un fotón de energía con una frecuencia específica

Sin embargo, en 1909, los investigadores bajo la dirección del físico Ernest Rutherford bombardeó una hoja de lámina de oro con iones de helio y descubrieron que un pequeño porcentaje se desvía a través de ángulos mucho más grandes de lo que se prevé utilizar la propuesta de Thomson. Rutherford interpretó la experimento de la lámina de oro como lo que sugiere que la carga positiva de un átomo y la mayor parte de su masa se concentró en un núcleo en el centro del átomo (la Modelo de Rutherford), con los electrones que orbitan alrededor de ella como planetas alrededor de un sol. Iones de helio cargados positivamente pasan cerca de este núcleo denso entonces serían desviados lejos en ángulos mucho más nítidas.

Mientras se experimenta con los productos de desintegración radiactiva, en 1913 radiochemist Frederick Soddy descubrieron que no parecía haber más de un tipo de átomo en cada posición en la tabla periódica. El término isótopo fue acuñado por Margaret Todd como un nombre adecuado para diferentes átomos que pertenecen al mismo elemento. JJ Thomson creó una técnica para separar tipos de átomos a través de su trabajo en gases ionizados, que posteriormente condujeron al descubrimiento de los isótopos estables.

Mientras tanto, en 1913, el físico Niels Bohr revisó el modelo de Rutherford, al sugerir que los electrones estaban confinados en órbitas bien definidas, y podrían saltar entre ellos, pero no podían salirse libremente hacia adentro o hacia afuera en los estados intermedios. Un electrón debe absorber o emitir cantidades específicas de energía para la transición entre estas órbitas fijas. Cuando la luz a partir de un material calentado se pasa a través de una prisma, produjo un multicolor espectro. La aparición de fijo líneas en este espectro se explicó con éxito por las transiciones orbitales.

En 1926, Erwin Schrödinger, utilizando 1924 La propuesta de Louis de Broglie de que las partículas actuar en gran medida como las olas, desarrolló un modelo matemático del átomo que describe los electrones como en tres dimensiones formas de onda, en lugar de partículas puntuales. Una consecuencia de la utilización de formas de onda para describir electrones es que es matemáticamente imposible obtener valores precisos tanto para el posición y el impulso de una partícula al mismo tiempo; esto se conoce como la principio de incertidumbre. En este concepto, para cada medición de una posición sólo se podría obtener un rango de valores probables de impulso, y viceversa. Aunque este modelo era difícil de conceptualizar visualmente, era capaz de explicar las observaciones del comportamiento atómico que los modelos anteriores no podía, tal como cierta estructural y patrones espectrales de átomos más grandes que el hidrógeno. Así, el modelo planetario del átomo se descartó en favor de uno que describe zonas orbital alrededor del núcleo, donde es más probable que exista un electrón dado.

Diagrama esquemático de un espectrómetro de masas sencillo

El desarrollo del espectrómetro de masas permitió la masa exacta de átomos a medir. El dispositivo utiliza un imán para doblar la trayectoria de un haz de iones, y la cantidad de deflexión se determina por la relación de la masa de un átomo a su carga. El químico Francis William Aston utiliza este instrumento para demostrar que los isótopos tienen diferentes masas. La masa de estos isótopos variaron por cantidades enteros, llamado regla número entero. La explicación de estas diferentes isótopos atómicos esperaba el descubrimiento del neutrón , una partícula neutra cargada con una masa similar a la de protones , por el físico James Chadwick en 1932. Los isótopos se explicó entonces como elementos con el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones en el núcleo.

En la década de 1950, el desarrollo de la mejora acelerador de partículas y detectores de partículas permite a los científicos estudiar los impactos de los átomos que se mueven a altas energías. Se encontraron neutrones y protones para ser hadrones, o compuestos de partículas más pequeñas llamadas quarks . Se desarrollaron modelos estándar de la física nuclear que explica satisfactoriamente las propiedades del núcleo en términos de estas partículas subatómicas y las fuerzas que rigen sus interacciones.

Alrededor de 1985, Steven Chu y compañeros de trabajo en Bell Labs desarrollado una técnica para la reducción de las temperaturas de los átomos utilizando láseres . En el mismo año, un equipo dirigido por William D. Phillips logró contener átomos de sodio en un trampa magnética. La combinación de estas dos técnicas y un método basado en el Efecto Doppler, desarrollado por Claude Cohen-Tannoudji y su grupo, permite a un pequeño número de átomos a enfriar a varios microkelvin . Esto permite que los átomos a ser estudiados con gran precisión, y más tarde condujeron al descubrimiento de La condensación de Bose-Einstein.

Históricamente, los átomos individuales han sido excesivamente pequeño para aplicaciones científicas. Recientemente, se han construido dispositivos que utilizan un único átomo de metal conectado a través orgánica ligandos para construir una transistor solo electrón. Los experimentos se han llevado a cabo por la captura y ralentizar átomos individuales utilizando enfriamiento en una cavidad láser para obtener una mejor comprensión física de la materia.

Componentes

Partículas subatómicas

Aunque la palabra átomo originalmente denota una partícula que no puede ser cortada en partículas más pequeñas, en el uso científica moderna el átomo se compone de varios partículas subatómicas. Las partículas constituyentes de un átomo consisten en el electrón , el protón y, por átomos distintos de hidrógeno-1 , el neutrones .

El electrón es por lejos el menos masiva de estas partículas a 9,11 × 10 ^-28 g, con una negativa carga eléctrica y un tamaño que es demasiado pequeña para ser medida usando técnicas disponibles. Los protones tienen una carga positiva y una masa 1836 veces la del electrón, a 1,6726 × 10 ^-24 g, aunque esto puede ser reducido por los cambios a la atómica energía de unión. Los neutrones no tienen carga eléctrica y tienen una masa libre de 1.839 veces la masa de los electrones, o 1,6929 × 10 ^-24 g. Los neutrones y protones tienen dimensiones, del orden de 2,5 × 10 ^-15 comparables m-aunque la "superficie" de estas partículas no está claramente definida.

En el Modelo Estándar de la física, tanto los protones y los neutrones están compuestos de partículas elementales llamadas quarks . El quark es un tipo de fermión, uno de los dos componentes básicos de la materia -el otro es el lepton, de los cuales el electrón es un ejemplo. Hay seis tipos de quarks, y cada uno tiene una carga eléctrica fraccionaria de +2/3 o -1/3. Los protones se componen de dos quarks up y un quark abajo, mientras que un neutrón consiste en un quark up y dos quarks abajo. Esta distinción representa la diferencia en la masa y la carga entre las dos partículas. Los quarks se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte, que está mediada por gluones. El gluón es un miembro de la familia de bosones, que son partículas elementales que median físicas fuerzas .

Núcleo

Todos los protones y los neutrones unidos en un átomo forman una pequeña núcleo atómico , y se llaman colectivamente nucleones. El radio de un núcleo es aproximadamente igual a fm, donde A es el número total de nucleones. Esto es mucho menor que el radio del átomo, que es del orden de 10 ⁵ fm. Los nucleones están unidos por una de corto alcance potencial atractivo llaman la fuerza fuerte residual. A distancias menores a 2.5 fm, esta fuerza es mucho más poderosa que la fuerza electrostática que causa protones cargados positivamente para repeler entre sí.

Los átomos del mismo elemento tienen el mismo número de protones, llamado el número atómico . Dentro de un único elemento, el número de neutrones puede variar, la determinación de la isótopos de ese elemento. El número de neutrones relativos a los protones determina la estabilidad del núcleo, con ciertos isótopos de someterse la desintegración radiactiva.

El neutrón y el protón son los diferentes tipos de fermiones. La Principio de exclusión de Pauli es un mecánico cuántico efecto que prohíbe fermiones idénticos (tales como múltiples protones) de ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Así, cada protón en el núcleo debe ocupar un estado diferente, con su propio nivel de energía, y la misma regla se aplica a todos los neutrones. (Esta prohibición no se aplica a un protón y el neutrón ocupar el mismo estado cuántico.)

Un núcleo que tiene un número diferente de protones que neutrones potencialmente puede caer a un estado de menor energía a través de una desintegración radiactiva que hace que el número de protones y neutrones para que coincida más estrechamente. Como resultado, los átomos con número de protones y neutrones juego son más estables frente a la caries. Sin embargo, al aumentar el número atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una creciente proporción de neutrones para mantener la estabilidad del núcleo, que modifica ligeramente esta tendencia por igual número de protones a neutrones.

Este diagrama ilustra un proceso de fusión nuclear que forma un núcleo de deuterio, que consiste en un protón y un neutrón, a partir de dos protones. La positrón (e ⁺⁾ -una -electrón se emite antimateria junto con un electrón neutrino.

El número de protones y neutrones en el núcleo atómico se puede modificar, aunque esto puede requerir energías muy altas, debido a la fuerza fuerte. La fusión nuclear se produce cuando múltiples partículas atómicas se unen para formar un núcleo más pesado, tales como a través de la colisión energética de dos núcleos. En el núcleo del Sol, protones requieren energías de 3-10 keV para superar su mutua repulsión-la coulomb barrera y se fusionan en un solo núcleo. La fisión nuclear es el proceso opuesto, causando un núcleo de divide en dos núcleos más pequeños por lo general a través de la desintegración radiactiva. El núcleo también se puede modificar a través de bombardeo de partículas o fotones subatómicas de alta energía. En tales procesos que cambian el número de protones en un núcleo, el átomo se convierte en un átomo de un elemento químico diferente.

La masa del núcleo después de una reacción de fusión es menor que la suma de las masas de las partículas separadas. La diferencia entre estos dos valores se emite en forma de energía, según lo descrito por Albert Einstein 's fórmula de equivalencia masa-energía, E = mc ², donde m es la pérdida de masa y c es la velocidad de la luz . Este déficit es el energía de enlace del núcleo.

La fusión de dos núcleos que tienen números atómicos más bajos que el hierro y el níquel es un proceso exotérmico que libera más energía que se requiere para reunirlos. Es este proceso de liberación de energía que hace que la fusión nuclear en estrellas una reacción auto-sostenible. Para núcleos más pesados, la energía de unión total comienza a disminuir. Eso significa que los procesos de fusión con núcleos que tienen números atómicos mayores es una proceso endotérmico. Estos núcleos más masivos no pueden someterse a una reacción de fusión de producción de energía que puede sostener la equilibrio hidrostático de una estrella.

Electron nube

Este es un ejemplo de un pozo de potencial, que muestra la energía mínima V (x) necesario para alcanzar cada posición x. Una partícula con energía E está limitado a un rango de posiciones entre x ₁ y x _2.

Los electrones en un átomo se sienten atraídos por los protones en el núcleo por la fuerza electromagnética . Esta fuerza se une a los electrones dentro de una electrostático pozo de potencial que rodea el núcleo más pequeño, lo que significa que se necesita una fuente externa de energía para que el electrón se escape. Cuanto más cerca de un electrón es el núcleo, mayor es la fuerza de atracción. Por lo tanto electrones ligados cerca del centro del pozo de potencial requieren más energía para escapar de los situados en el exterior.

Los electrones, al igual que otras partículas, tienen propiedades tanto de un partícula y una onda. La nube de electrones es una región en el interior del pozo de potencial donde cada electrón forma un tipo de tres dimensiones de onda-a de pie de forma de onda que no se mueve en relación con el núcleo. Este comportamiento se define por una orbital atómico, una función matemática que caracteriza la probabilidad de que un electrón se parecen estar en un lugar en particular cuando se mide su posición. Sólo una discreta (o existe cuantizada) conjunto de estos orbitales alrededor del núcleo, como otros posibles patrones de onda decaerán rápidamente en una forma más estable. Orbitales pueden tener una o más estructuras de anillo o de nodo, y difieren entre sí en tamaño, forma y orientación.

Esta ilustración muestra las funciones de onda de los primeros cinco orbitales atómicos. Tenga en cuenta cómo cada uno de los tres orbitales 2p mostrar un solo angular nodo que tiene una orientación y un mínimo en el centro.

Cada una corresponde orbitales atómicos a un particular, nivel de energía del electrón. El electrón puede cambiar su estado a un nivel superior de energía mediante la absorción de un fotón con la energía suficiente para impulsar en el nuevo estado cuántico. Asimismo, a través emisión espontánea, un electrón en un estado de energía más alto puede caer a un estado de energía inferior, mientras que el exceso de energía que irradia como un fotón. Estos valores característicos de energía, que se define por las diferencias en las energías de los estados cuánticos, son responsables de las líneas espectrales atómicas .

La cantidad de energía necesaria para eliminar o añadir un electrón (el energía de enlace de electrones) es mucho menor que la energía de enlace de nucleones. Por ejemplo, se requiere sólo 13,6 eV para despojar a una electrón del estado fundamental de un átomo de hidrógeno. Los átomos son eléctricamente neutral si tienen un número igual de protones y electrones. Los átomos que tienen ya sea un déficit o un superávit de electrones se llaman iones . Los electrones que son más alejado del núcleo pueden ser transferidos a otros átomos cercanos o compartidos entre los átomos. Por este mecanismo, los átomos son capaces de unirse a moléculas y otros tipos de compuestos químicos como iónica y red covalente cristales.

Propiedades

Por definición, cualquier par de átomos con un número idéntico de protones en sus núcleos pertenecen al mismo elemento químico . Los átomos con el mismo número de protones pero un número diferente de neutrones son diferentes isótopos de un mismo elemento. Los átomos de hidrógeno, por ejemplo, siempre tienen solamente un solo protón, pero existen isótopos sin neutrones ( hidrógeno-1, a veces llamada Protium, con mucho, la forma más común), un neutrón ( de deuterio) y dos neutrones ( tritio). Los elementos conocidos forman un rango continuo de números atómicos de hidrógeno con un solo protón hasta el 118-protón elemento ununoctium . Todos los isótopos conocidos de elementos con números atómicos mayores que 82 son radiactivos.

Masa

Debido a que la gran mayoría de la masa de un átomo proviene de los protones y los neutrones, el número total de estas partículas en un átomo se llama número de masa. La masa de un átomo en reposo se expresa a menudo mediante el unidad de masa atómica unificada (u), que también se llama una Dalton (Da). Esta unidad se define como un doceavo de la masa de un átomo neutro libre de carbono-12, que es aproximadamente 1,66 × 10 ^-24 g. hidrógeno-1, el isótopo más ligero de hidrógeno y el átomo con la masa más bajo, tiene un peso atómico de 1,007825 u. Un átomo tiene una masa aproximadamente igual a la cantidad de veces la masa por la unidad de masa atómica. El más pesado átomo estable es el plomo-208, con una masa de 207.9766521 u.

Como incluso los átomos más masivas son demasiado ligero para trabajar con directamente, los químicos en lugar de utilizar la unidad de lunares. El topo se define de tal manera que un mol de cualquier elemento siempre tendrá el mismo número de átomos (alrededor de 6.022 × 10 ²³ ). Este número fue elegido de manera que si un elemento tiene una masa atómica de 1 u, un mol de átomos de ese elemento tendrá una masa de 1 g. de carbono , por ejemplo, tiene una masa atómica de 12 u, por lo que un mol de carbono átomos pesa 12 g.

Tamaño

Los átomos carecen de un límite exterior bien definida, por lo que las dimensiones se describen generalmente en términos de las distancias entre dos núcleos cuando los dos átomos se unen en un enlace químico . El radio varía con la ubicación de un átomo en la tabla atómica, el tipo de enlace químico, el número de átomos vecinos ( número de coordinación) y una mecánica cuántica propiedad conocida como giro. En la tabla periódica de los elementos, el tamaño átomo tiende a aumentar cuando se mueve hacia abajo columnas, pero disminuyen cuando se mueve a través de las filas (izquierda a derecha). En consecuencia, el átomo más pequeño es el helio con un radio de 32 pm, mientras que uno de los más grandes es de cesio a 225 pm. Estas dimensiones son miles de veces más pequeñas que las longitudes de onda de la luz (400-700 nm) por lo que no se pueden ver con un microscopio óptico . Sin embargo, los átomos individuales pueden ser observadas usando una microscopio de efecto túnel.

Algunos ejemplos demostrarán la pequeñez del átomo. Un cabello humano típico es de aproximadamente 1 millón de átomos de carbono de ancho. Una sola gota de agua contiene aproximadamente 2 sextillion (2 × 10 ²¹⁾ átomos de oxígeno, y dos veces el número de átomos de hidrógeno. Un único quilates de diamante con una masa de 0,2 g contiene aproximadamente 10 sextillones átomos de carbono . Si una manzana fue magnificada con el tamaño de la Tierra, entonces los átomos de la manzana sería de aproximadamente el tamaño de la manzana originales.

La desintegración radiactiva

Este diagrama muestra la vida media (T _½) en segundos de varios isótopos con Z protones y N neutrones.

Cada elemento tiene uno o más isótopos que tienen núcleos inestables que están sujetas a la desintegración radiactiva, haciendo que el núcleo para emitir partículas o radiación electromagnética. La radiactividad puede ocurrir cuando el radio de un núcleo es grande en comparación con el radio de la fuerza fuerte, que sólo actúa en distancias del orden de 1 fm.

Existen tres formas primarias de la desintegración radiactiva:

• La desintegración alfa se produce cuando el núcleo emite una partícula alfa, que es un núcleo de helio que consiste en dos protones y dos neutrones. El resultado de la emisión es un nuevo elemento con un menor número atómico .
• Desintegración beta está regulada por la fuerza débil, y los resultados de la transformación de un neutrón en un protón o un protón en un neutrón. El primero es acompañada por la emisión de un electrón y un antineutrino, mientras que el segundo hace que la emisión de una positrón y una neutrino. Las emisiones de electrones o positrones son llamados partículas beta. Desintegración beta aumenta o disminuye el número atómico del núcleo por uno.
• Gamma de desintegración resultados de un cambio en el nivel de energía del núcleo a un estado inferior, lo que resulta en la emisión de radiación electromagnética. Esto puede ocurrir después de la emisión de una alfa o una partícula beta de desintegración radiactiva.

Cada isótopo radiactivo tiene un tiempo de decaimiento-el período característico vida media -que se determina por la cantidad de tiempo necesario para la media de una muestra a la caries. Esto es un proceso de decaimiento exponencial que disminuye de forma constante la proporción de los isótopos restantes en un 50% cada media vida. Por lo tanto después de dos vidas medias han pasado sólo el 25% del isótopo estará presente, y así sucesivamente.

Momento magnético

Las partículas elementales poseen una propiedad mecánica cuántica intrínseca conocido como giro. Esto es análogo al momento angular de un objeto que está girando alrededor de su centro de masa , aunque estrictamente hablando estas partículas se creen para ser puntual y no se puede decir que estar rotando. Centrifugado se mide en unidades de la reducida Constante de Planck ( ), Con electrones, protones y neutrones que tienen todas espín ½ , O "spin-½". En un átomo, los electrones en movimiento alrededor del núcleo poseen momento angular orbital además de su giro, mientras que el propio núcleo posee momento angular debido a su espín nuclear.

La campo magnético producido por un átomo de su- momento-es magnético determinado por estas diversas formas de momento angular, al igual que un objeto cargado de rotación clásicamente produce un campo magnético. Sin embargo, la contribución más dominante viene de vuelta. Debido a la naturaleza de los electrones para obedecer la Principio de exclusión de Pauli, en el que no hay dos electrones se pueden encontrar en el mismo estado cuántico, electrones ligados se emparejan entre sí, con un miembro de cada par en un estado de espín hacia arriba y el otro en la frente, de girar estado. Así, estos giros se anulan entre sí, reduciendo el momento dipolar magnético total a cero en algunos átomos con número par de electrones.

En elementos ferromagnéticos tales como hierro, un número impar de electrones conduce a un electrón desapareado y un momento magnético neto global. Los orbitales de los átomos vecinos se superponen y se logra un estado de energía más baja cuando los espines de electrones desapareados están alineados uno con el otro, un proceso que se conoce como una interacción de intercambio. Cuando los momentos magnéticos de los átomos ferromagnéticos están alineados, el material puede producir un campo macroscópica medible. Los materiales paramagnéticos tienen átomos con momentos magnéticos que se alinean en direcciones aleatorias cuando no hay campo magnético está presente, pero los momentos magnéticos de los átomos individuales se alinean en la presencia de un campo.

El núcleo de un átomo puede tener también un giro red. Normalmente estos núcleos están alineados en direcciones al azar a causa de equilibrio térmico. Sin embargo, para ciertos elementos (tales como xenon-129 ) es posible polarizar una proporción significativa de los estados de espín nuclear de manera que estén alineados en la misma dirección, una condición llamada hiperpolarización. Esto tiene importantes aplicaciones en imagen de resonancia magnética.

Los niveles de energía

Cuando un electrón está unido a un átomo, que tiene una energía potencial que es inversamente proporcional a su distancia desde el núcleo. Esto se mide por la cantidad de energía necesaria para desenlazar el electrón del átomo, y por lo general se da en unidades de electronvoltios (eV). En el modelo de la mecánica cuántica, un electrón ligado sólo puede ocupar un conjunto de estados centrados en el núcleo, y cada estado corresponde a un nivel de energía específico. El estado de energía más bajo de un electrón ligado se llama el estado fundamental, mientras que un electrón a un nivel de energía más alto está en un estado excitado.

Para que un electrón a la transición entre dos estados diferentes, debe absorber o emitir un fotón con una energía a juego la diferencia en la energía potencial de esos niveles. La energía de un fotón emitido es proporcional a su frecuencia, por lo que estos niveles de energía específicos aparecen como bandas distintas en la espectro electromagnético. Cada elemento tiene un espectro característico que puede depender de la carga nuclear, subcapas llenado por electrones, las interacciones electromagnéticas entre los electrones y otros factores.

Un ejemplo de líneas de absorción en un espectro

Cuando un espectro continuo de la energía pasa a través de un gas o plasma, algunos de los fotones son absorbidos por átomos, provocando que los electrones cambian su nivel de energía. Esos electrones excitados que permanecen unidos a su átomo de espontáneamente emitir esta energía como un fotón, viajando en una dirección aleatoria, y así caer de nuevo a niveles de energía más bajos. Así, los átomos se comportan como un filtro que forma una serie de oscuridad bandas de absorción en la producción de energía. (Un observador de ver los átomos desde una dirección diferente, que no incluye el espectro continuo en el fondo, en su lugar ver una serie de líneas de emisión de los fotones emitidos por los átomos.) espectroscópicos mediciones de la fuerza y la anchura de líneas espectrales permiten la composición y las propiedades físicas de una sustancia que se determinen.

Un examen detallado de las líneas espectrales revela que algunos muestran una estructura fina división. Esto se produce debido acoplamiento spin-órbita, que es una interacción entre el giro y el movimiento del electrón más exterior. Cuando un átomo se encuentra en un campo magnético externo, las líneas espectrales se convierten dividido en tres o más componentes; un fenómeno llamado Efecto Zeeman. Esto es causado por la interacción del campo magnético con el momento magnético del átomo y sus electrones. Algunos átomos pueden tener múltiples configuraciones electrónicas con el mismo nivel de energía, que de este modo aparecen como una sola línea espectral. La interacción del campo magnético con el átomo cambia estas configuraciones electrónicas a ligeramente diferentes niveles de energía, resultando en múltiples líneas espectrales. La presencia de una externa campo eléctrico puede causar una escisión y el desplazamiento de las líneas espectrales comparable mediante la modificación de los niveles de energía de electrones, un fenómeno llamado Efecto Stark.

Si un electrón ligado está en un estado excitado, un fotón que interactúan con la energía apropiada puede causar la emisión estimulada de un fotón con un nivel de energía correspondiente. Para que esto ocurra, el electrón debe caer a un estado de energía más bajo que tiene una diferencia de energía que coincide con el de la energía del fotón que interactúan. El fotón emitido y el fotón interactuando cuestión se colocará de forma paralela y con fases de juego. Es decir, se sincronizarán los patrones de onda de los dos fotones. Esta propiedad física se utiliza para hacer los láseres , que puede emitir un haz coherente de energía de la luz en una banda de frecuencia estrecha.

Valencia

La capa electrónica más externa de un átomo en su estado no combinado se conoce como la capa de valencia, y los electrones en esa concha se llaman electrones de valencia. El número de electrones de valencia determina la unión comportamiento con otros átomos. Los átomos tienden a reaccionar químicamente entre sí de una manera que va a llenar (o vacío) sus capas de valencia exteriores.

Los elementos químicos a menudo se muestran en una tabla periódica que está diseñada para mostrar las propiedades químicas recurrentes y elementos con el mismo número de electrones de valencia forman un grupo que está alineado en la misma columna de la tabla. (Las filas horizontales corresponden al relleno de una cáscara del quántum de electrones.) Los elementos en el extremo derecho de la tabla tienen su capa exterior completamente lleno de electrones, que se traduce en elementos químicamente inertes conocidos como los gases nobles .

Unidos

Estos relatos muestran la formación de un condensado de Bose-Einstein.

Las cantidades de átomos se encuentran en diferentes estados de la materia que dependen de las condiciones físicas, tales como la temperatura y presión. Mediante la variación de las condiciones, los materiales pueden transición entre sólidos , líquidos , gases de y plasmas . Dentro de un estado, un material que también puede existir en diferentes fases. Un ejemplo de esto es el carbono sólido, que puede existir como grafito o diamante .

A temperaturas cercanas al cero absoluto , los átomos pueden formar un condensado de Bose-Einstein, a la que de punto cuántico efectos mecánicos, que normalmente sólo se observan a escala atómica, se manifiestan a escala macroscópica. Esta colección súper enfriada de átomos entonces se comporta como un único Súper Atom, lo que puede permitir controles fundamentales del comportamiento mecánico cuántico.

Identificación

Este imagen de microscopio de efecto túnel muestra claramente los átomos individuales que componen esteoro(100) de superficie.Reconstrucción hace que los átomos de la superficie se desvíen de la mayorestructura de cristal y organizar en columnas de varios átomos de ancho, con fosos entre ellos.

La microscopio de efecto túnel es un dispositivo para la visualización de superficies a nivel atómico. Se utiliza el fenómeno de túnel cuántico, lo que permite que las partículas pasan a través de una barrera que normalmente sería insuperable. Los electrones túnel a través del vacío entre dos electrodos de metal planas, en cada uno de los cuales es un átomo adsorbido, proporcionando una densidad de corriente-túnel que se puede medir. Escaneado de un átomo (tomado como la punta) ya que se mueve más allá de la otra (la muestra) permite el trazado de desplazamiento de la punta frente a la separación lateral para una corriente constante. El cálculo muestra el grado en el que las imágenes de barrido-túnel-microscopio de un átomo individual son visibles. Confirma que para la baja sesgo, las imágenes del microscopio las dimensiones del espacio-un promedio de los orbitales de electrones a través de los niveles de la energía-apretadas nivel de Fermi densidad local de estados.

Un átomo puede ser ionizado mediante la eliminación de uno de sus electrones. La carga eléctrica hace que la trayectoria de un átomo de doblar cuando pasa a través de un campo magnético. El radio por el cual la trayectoria de un ion en movimiento se gira por el campo magnético está determinada por la masa del átomo. El espectrómetro de masas utiliza este principio para medir la relación de masa a carga de los iones. Si una muestra contiene múltiples isótopos, el espectrómetro de masas puede determinar la proporción de cada isótopo en la muestra mediante la medición de la intensidad de los diferentes haces de iones. Técnicas para vaporizar átomos incluyen plasma acoplado inductivamente espectroscopia de emisión atómica y ICP-MS, ambos de los cuales utilizan un plasma para vaporizar muestras para su análisis.

Un método más-área selectiva esla espectroscopia de pérdida de energía de electrones, que mide la pérdida de energía de unhaz de electrones dentro de unmicroscopio electrónico de transmisión cuando interactúa con una porción de una muestra. La tomógrafo átomo-sonda tiene la resolución sub-nanométrica en 3-D y puede identificar químicamente átomos individuales utilizando espectrometría de masas de tiempo de vuelo.

Spectra de estados excitados se puede utilizar para analizar la composición atómica de distantes estrellas . Luz específicas longitudes de onda contenidas en la luz observada desde las estrellas se pueden separar y relacionadas con las transiciones cuantificados en los átomos de gas libre. Estos colores pueden ser replicados utilizando una lámpara de descarga de gas que contiene el mismo elemento. helio fue descubierto de esta manera en el espectro de los dom 23 años antes de que se encontró en la Tierra.

Origen y estado actual

Átomos forman aproximadamente el 4% de la densidad de la masa total de la observable universo , con una densidad media de alrededor de 0,25 átomos / m ³ . Dentro de una galaxia como la Vía Láctea , los átomos tienen una concentración mucho más alta, con la densidad de la materia en el medio interestelar (ISM) que van desde 10 ⁵ a 10 ⁹ átomos / m ³ . El Sol se cree que es dentro de la Burbuja Local, una región de gas altamente ionizado, por lo que la densidad en la vecindad solar es solamente cerca de 10 ³ átomos / m ³ . Las estrellas se forman a partir de nubes densas en el ISM y los procesos evolutivos de estrellas como resultado el enriquecimiento constante de la ISM con elementos más masivas que el hidrógeno y el helio. Hasta el 95% de los átomos de la Vía Láctea se concentra dentro de las estrellas y la masa total de átomos de forma aproximadamente el 10% de la masa de la galaxia. (El resto de la masa es un desconocido de materia oscura .)

Nucleosíntesis

Estable protones y electrones apareció un segundo después del Big Bang . Durante los siguientes tres minutos, nucleosíntesis del Big Bang produjo la mayor parte de los de helio , litio , y los átomos de deuterio en el universo, y tal vez algunos de los berilio y boro . Los primeros átomos (completas con electrones ligados) se crearon en teoría 380.000 años después del Big Bang, una época llamada recombinación, cuando la expansión del universo se enfrió lo suficiente para permitir que los electrones se adhieren a los núcleos. Desde entonces, los núcleos atómicos se han combinado en estrellas a través del proceso de fusión nuclear para producir elementos hasta el hierro.

Los isótopos como el litio-6 se generan en el espacio a través de espalación de rayos cósmicos. Esto ocurre cuando un protón de alta energía golpea un núcleo atómico, causando un gran número de nucleones que ser expulsado. Elementos más pesados ​​que el hierro se produjeron en las supernovas a través del proceso ry en estrellas AGB través de la s-proceso, los cuales implican la captura de neutrones por los núcleos atómicos. Elementos tales como plomo formados en gran parte a través de la desintegración radiactiva de los elementos más pesados.

Tierra

La mayoría de los átomos que componen la Tierra y sus habitantes estaban presentes en su forma actual en la nebulosa que se derrumbó de una nube molecular para formar el sistema solar. El resto son el resultado de la desintegración radiactiva, y su proporción relativa puede ser utilizado para determinar la edad de la Tierra a través de la datación radiométrica. La mayor parte del helio en la corteza de la Tierra (alrededor de 99% del helio de pozos de gas, como se muestra por su menor abundancia de helio-3) es un producto de desintegración alfa.

Hay unos pocos átomos de traza en la Tierra que no estaban presentes en el inicio (es decir, no es "primordial"), ni son el resultado de la desintegración radiactiva. El carbono-14 se genera de forma continua por los rayos cósmicos en la atmósfera. Algunos átomos en la Tierra han sido generados artificialmente ya sea deliberadamente o como subproductos de los reactores nucleares o explosiones. De los elementos transuránicos-aquellos con números atómicos mayores que 92 de sólo el plutonio y el neptunio producen de forma natural en la Tierra. Elementos transuránicos tienen vidas más cortas radiactivos que la edad actual de la Tierra y las cantidades por tanto identificables de estos elementos hace tiempo que han decaído, con la excepción de trazas de plutonio-244, posiblemente, depositados por el polvo cósmico. Depósitos naturales de plutonio y neptunio son producidos por captura de neutrones en el mineral de uranio.

La Tierra contiene aproximadamente 1.33 × 10 ⁵⁰ átomos. En la atmósfera del planeta, existen pequeñas cantidades de átomos independientes de los gases nobles , como el argón y neón . El 99% restante de la atmósfera está ligada en forma de moléculas, incluyendo el dióxido de carbono y diatómica de oxígeno y nitrógeno . En la superficie de la Tierra, los átomos se combinan para formar varios compuestos, incluyendo agua , sal, silicatos y óxidos. Los átomos también pueden combinar para crear materiales que no consisten en moléculas discretas, incluyendo cristales y líquidos o sólidos metales . Esta materia atómica forma arreglos conectados en red que carecen del tipo particular de pequeña escala orden interrumpido asociado con la materia molecular.

Formas raras y teóricas

Mientras que los isótopos con números atómicos mayores que el plomo (82) son conocidos por ser radiactivo, una " isla de estabilidad "se ha propuesto para algunos elementos con números atómicos por encima de 103. Estos elementos superpesados ​​pueden tener un núcleo que es relativamente estable frente a la desintegración radiactiva. El candidato más probable para un átomo superpesado estable, unbihexium, cuenta con 126 protones y 184 neutrones.

Cada partícula de materia tiene un correspondiente partícula de antimateria con la carga eléctrica opuesta. Por lo tanto, el positrón es un antielectrón cargado positivamente y el antiprotón es un equivalente de carga negativa de un protón. Por razones desconocidas, las partículas de antimateria son raras en el universo, por lo tanto, no hay átomos de antimateria se han descubierto. antihidrógeno, la contraparte de antimateria de hidrógeno, se produjo por primera vez en el laboratorio CERN en Ginebra en 1996.

Otro átomos exóticos se han creado mediante la sustitución de uno de los protones, neutrones o electrones con otras partículas que tienen la misma carga. Por ejemplo, un electrón puede ser reemplazado por un más masivo muon, formando un átomo de muónico. Estos tipos de átomos se pueden utilizar para probar las predicciones fundamentales de la física.