Al estudiar la composición de la materia, los científicos llegaron a la conclusión de que toda la materia se compone de moléculas y átomos. Durante mucho tiempo, el átomo (traducido del griego como "indivisible") fue considerado la unidad estructural más pequeña de la materia. Sin embargo, estudios posteriores han demostrado que el átomo tiene una estructura compleja y, a su vez, incluye partículas más pequeñas.
¿De qué está hecho un átomo?
En 1911, el científico Rutherford sugirió que el átomo tiene una parte central que tiene carga positiva. Así apareció por primera vez el concepto de núcleo atómico.
Según el esquema de Rutherford, llamado modelo planetario, un átomo consta de un núcleo y partículas elementales con carga negativa: electrones que se mueven alrededor del núcleo, tal como los planetas orbitan alrededor del Sol.
En 1932, otro científico, Chadwick, descubrió el neutrón, una partícula que no tiene carga eléctrica.
Según los conceptos modernos, la estructura del núcleo atómico corresponde al modelo planetario propuesto por Rutherford. El núcleo es transportadola mayor parte de la masa atómica. También tiene carga positiva. El núcleo atómico contiene protones, partículas cargadas positivamente y neutrones, partículas que no tienen carga. Los protones y los neutrones se llaman nucleones. Las partículas con carga negativa, los electrones, orbitan alrededor del núcleo.
El número de protones en el núcleo es igual al número de electrones que se mueven en órbita. Por lo tanto, el átomo mismo es una partícula que no lleva carga. Si un átomo captura los electrones de otras personas o pierde los suyos propios, entonces se vuelve positivo o negativo y se llama ion.
Los electrones, protones y neutrones se conocen colectivamente como partículas subatómicas.
La carga del núcleo atómico
El núcleo tiene un número de carga Z. Está determinado por el número de protones que forman el núcleo atómico. Averiguar esta cantidad es simple: solo consulte el sistema periódico de Mendeleev. El número atómico del elemento al que pertenece un átomo es igual al número de protones en el núcleo. Así, si el elemento químico oxígeno corresponde al número de serie 8, entonces el número de protones también será igual a ocho. Dado que el número de protones y electrones en un átomo es el mismo, también habrá ocho electrones.
El número de neutrones se denomina número isotópico y se denota con la letra N. Su número puede variar en un átomo del mismo elemento químico.
La suma de protones y electrones en el núcleo se denomina número de masa de un átomo y se denota con la letra A. Por lo tanto, la fórmula para calcular el número de masa se ve así: A=Z+N.
Isótopos
En el caso de que los elementos tengan igual número de protones y electrones, pero diferente número de neutrones, se les llama isótopos de un elemento químico. Puede haber uno o más isótopos. Se colocan en la misma celda del sistema periódico.
Los isótopos son de gran importancia en química y física. Por ejemplo, un isótopo de hidrógeno, el deuterio, en combinación con el oxígeno da una sustancia completamente nueva, que se llama agua pesada. Tiene un punto de ebullición y congelación diferente al habitual. Y la combinación de deuterio con otro isótopo de hidrógeno, el tritio, conduce a una reacción de fusión termonuclear y puede usarse para generar una gran cantidad de energía.
Masa del núcleo y partículas subatómicas
Los tamaños y masas de los átomos y partículas subatómicas son insignificantes en los conceptos humanos. El tamaño de los granos es de aproximadamente 10-12cm. La masa de un núcleo atómico se mide en física en las llamadas unidades de masa atómica - amu
Para una uma tomar una doceava parte de la masa de un átomo de carbono. Usando las unidades de medida habituales (kilogramos y gramos), la masa se puede expresar de la siguiente manera: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Expresado de esta forma, se denomina masa atómica absoluta.
A pesar de que el núcleo atómico es el componente más masivo del átomo, sus dimensiones en relación con la nube de electrones que lo rodea son extremadamente pequeñas.
Fuerzas nucleares
Los núcleos atómicos son extremadamente estables. Esto significa que algunas fuerzas retienen los protones y los neutrones en el núcleo. No espuede haber fuerzas electromagnéticas, ya que los protones son partículas con carga similar, y se sabe que las partículas con la misma carga se repelen entre sí. Las fuerzas gravitatorias son demasiado débiles para mantener unidos a los nucleones. Por lo tanto, las partículas se mantienen en el núcleo mediante una interacción diferente: fuerzas nucleares.
La interacción nuclear es considerada la más fuerte de todas las existentes en la naturaleza. Por lo tanto, este tipo de interacción entre los elementos del núcleo atómico se denomina fuerte. Está presente en muchas partículas elementales, así como en las fuerzas electromagnéticas.
Características de las fuerzas nucleares
- Acción corta. Las fuerzas nucleares, a diferencia de las fuerzas electromagnéticas, se manifiestan solo a distancias muy pequeñas comparables al tamaño del núcleo.
- Independencia de carga. Esta característica se manifiesta en el hecho de que las fuerzas nucleares actúan por igual sobre los protones y los neutrones.
- Saturación. Los nucleones del núcleo interactúan solo con un cierto número de otros nucleones.
Energía vinculante del núcleo
Otra cosa está estrechamente relacionada con el concepto de interacción fuerte: la energía de enlace de los núcleos. La energía de enlace nuclear es la cantidad de energía necesaria para dividir un núcleo atómico en sus nucleones constituyentes. Es igual a la energía requerida para formar un núcleo a partir de partículas individuales.
Para calcular la energía de enlace de un núcleo, es necesario conocer la masa de las partículas subatómicas. Los cálculos muestran que la masa de un núcleo es siempre menor que la suma de sus nucleones constituyentes. El defecto de masa es la diferencia entrela masa del núcleo y la suma de sus protones y electrones. Usando la fórmula de Einstein sobre la relación entre masa y energía (E=mc2), puedes calcular la energía generada durante la formación del núcleo.
La fuerza de la energía de enlace del núcleo se puede juzgar con el siguiente ejemplo: la formación de varios gramos de helio produce tanta energía como la combustión de varias toneladas de carbón.
Reacciones nucleares
Los núcleos de los átomos pueden interactuar con los núcleos de otros átomos. Tales interacciones se llaman reacciones nucleares. Hay dos tipos de reacciones.
- Reacciones de fisión. Se producen cuando los núcleos más pesados se descomponen en otros más ligeros como resultado de la interacción.
- Reacciones de síntesis. El proceso es el inverso de la fisión: los núcleos chocan, formando así elementos más pesados.
Todas las reacciones nucleares van acompañadas de la liberación de energía, que posteriormente se utiliza en la industria, en el ejército, en la energía, etc.
Al familiarizarnos con la composición del núcleo atómico, podemos sacar las siguientes conclusiones.
- El átomo consiste en un núcleo que contiene protones y neutrones, y electrones a su alrededor.
- El número de masa de un átomo es igual a la suma de los nucleones de su núcleo.
- Los nucleones se mantienen unidos por la fuerza fuerte.
- Las enormes fuerzas que mantienen estable el núcleo atómico se denominan energías de enlace nuclear.
