Átomos: estructura del átomo con un modelo 3D vivo

¿Se podría cortar sin fin?

Imagina que cortas un guijarro por la mitad, luego otra vez por la mitad, y otra y otra. ¿Llegarías a un trozo que ya no se puede cortar? Hacia 400 a. C. el pensador griego Demócrito dijo que sí. Llamó átomo, que significa «incortable», a la última pieza, y se imaginaba átomos de muchas formas moviéndose por el espacio vacío. No tenía instrumentos, así que era una idea y no una medición. Otros pensadores, Aristóteles entre ellos, preferían creer que la materia es continua hasta el fondo, y durante unos dos mil años esa visión ganó casi siempre. Mira la imagen: un bloque se divide y se divide hasta quedar una sola mota.

Dalton y los átomos de un elemento

En 1808 el maestro inglés John Dalton convirtió la vieja idea en ciencia. Propuso que los elementos están hechos de átomos, que todos los átomos de un elemento son iguales y que los átomos de elementos distintos se diferencian, sobre todo, en la masa. Los compuestos se forman cuando átomos de elementos distintos se unen en proporciones fijas de números enteros. Eso explicaba por qué el agua siempre contiene la misma parte de hidrógeno y de oxígeno. Hoy sabemos que los átomos de un elemento pueden diferir un poco en masa y que los átomos se pueden dividir. Aun así, la química como contar y reorganizar átomos es justo como se escribe cada ecuación de este libro.

El hallazgo del electrón

En 1897 J. J. Thomson estudió unos rayos en un tubo de vidrio y encontró partículas unas dos mil veces más ligeras que el átomo más ligero. Tenían carga negativa. Había descubierto el electrón, la primera pieza dentro del átomo. Su modelo imaginaba una bola blanda de carga positiva salpicada de electrones, como pasas en un pudin, y duró catorce años. Fíjate en lo que predice: si la carga positiva está repartida por igual, una partícula rápida y pesada lanzada contra una lámina fina debería atravesarla de lado a lado con un empujón mínimo. Recuerda esa predicción para el bloque siguiente.

La lámina de oro de Rutherford

En 1909 Hans Geiger y Ernest Marsden, en el laboratorio de Ernest Rutherford en Mánchester, lanzaron partículas alfa contra una lámina de oro finísima. Casi todas la atravesaron sin más. Pero una de cada ocho mil rebotó hacia atrás, algo que Rutherford describió después como casi tan increíble como que un proyectil enorme rebotara en un pañuelo de papel. En 1911 lo explicó: casi toda la masa y toda la carga positiva están en un núcleo diminuto, y el resto del átomo es sobre todo espacio vacío con electrones ligeros. El núcleo es unas 100.000 veces más estrecho que el átomo. A escala, si el átomo fuera un estadio, su núcleo sería un grano de arena en el centro.

Las capas de Bohr

En 1913 el físico danés Niels Bohr colocó los electrones en niveles fijos alrededor del núcleo, como estantes, y mostró que así se explican los colores que emiten los átomos al calentarse. Cada capa admite un número limitado de electrones. La primera acepta 2, la segunda 8 y, en los primeros dieciocho elementos, la tercera se llena hasta 8. Toma el sodio, con 11 electrones: 2 en la primera capa, 8 en la segunda y uno solo en la tercera. Ese electrón externo solitario explica que el sodio reaccione con tanta facilidad. En la imagen, mira cómo un electrón salta de una capa a otra al absorber o emitir luz.

Nubes, no órbitas

Los círculos de Bohr funcionaban bien para el hidrógeno, pero fallaban con átomos mayores. En 1925 y 1926 Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger sustituyeron las órbitas por orbitales: regiones donde es probable encontrar un electrón. Un electrón no es un planeta diminuto. Se comporta más bien como una onda de probabilidad, así que el átomo parece una nube difusa alrededor del núcleo. Las capas sobreviven como una forma cómoda de llevar la cuenta. La imagen muestra ahora la nube como miles de puntos tenues que se espesan donde el electrón es más probable, en torno a un núcleo tan pequeño que hay que acercarse cien mil veces para verlo.

Construye un átomo

Ahora construye el tuyo. Bajo la imagen, añade o quita protones, neutrones y electrones y mira cómo cambia la etiqueta. El número de protones, el número atómico Z, decide el elemento: 6 protones son siempre carbono y 8 son siempre oxígeno. El número másico A es la suma de protones y neutrones, y la carga es protones menos electrones. Ejemplo resuelto: 11 protones, 12 neutrones y 10 electrones forman sodio-23, con A = 11 + 12 = 23 y carga 11 − 10 = +1, que se escribe Na⁺. Si cambias solo los neutrones, obtienes otro isótopo del mismo elemento. Una mezcla desequilibrada de neutrones y protones indica que el núcleo es inestable y puede desintegrarse.

Átomos: las piezas más pequeñas