Átomo

Estructura atómica

Todo lo que vemos está compuesto de átomos, muchos átomos. Estaba mirando los constituyentes más pequeños de la materia que los científicos han sido capaces de explicar, en el siglo XX, el funcionamiento de todo el universo. La palabra "átomo" viene de la palabra griega "atomos" (indivisible). Hace mucho tiempo ya, al 4 º siglo aC, los filósofos griegos Leucipo y Demócrito emiten la hipótesis de que toda la materia está compuesta de partículas minúsculas en constante movimiento, muy sólidas y eternas. Hoy tenemos una idea un poco más precisa del átomo porque no es indivisible. Conocemos su tamaño aproximado desde 1811, Amedeo Avogadro estima el tamaño de los átomos, a 10^-10 metros. En 1911, Ernest Rutherford especifica la estructura del átomo y da un tamaño al núcleo atómico de aproximadamente 10^-14 metros. Referente el tamaño de los átomos, se habla de orbitales atómicos, es decir, de la nube electrónica alrededor del núcleo (ver imagen), esta nube tiene un diámetro teórico entre 62 pm (picómetros) para el átomo de helio a 596 pm para el átomo de cesio. Pero nada es simple en la naturaleza de la materia y la pequeña distancia varía dependiendo de la naturaleza química de los átomos que lo rodean. Mientras que el núcleo concentra la mayoría de la masa del átomo (99,99%), se conoce su masa, por los átomos estables, es entre 1,674 × 10^-24 g de hidrógeno y 3,953 × 10^-22 g de uranio. Sabemos también su composición, en el interior vemos un núcleo y una nube electrónica que ocupa toda la extensión espacial del átomo, ya que es más de 10.000 veces más grande que su núcleo. Aún más sorprendente, incluso sabemos el número de átomos en el universo, este número es muy grande, así que tuvimos que escribir debe escribir un 1 seguido de 72 ceros.

Pero lo que mantiene la estabilidad de los átomos?

La estabilidad del átomo no puede ser explicada por la física clásica pero en la física clásica, el electrón corpuscular cargado negativamente y el protón cargado positivamente elevan una paradoja.

Un átomo está constituido por un núcleo alrededor del cual se mueve uno o más electrones. Lo que caracteriza el núcleo es su número de protones (Z) que va de 1 a 110, que es el que determina el elemento, como el hierro (Fe26) tiene 26 protones, 26 es el número atómico. El número de neutrones (N) que varía de 0 a 160, caracteriza los isótopos del elemento, por ejemplo, hidrógeno (H1) tiene un protón y ningún neutrón, deuterio (H2) tiene un protón y un neutrón, el tritio (H3) tiene un protón y dos neutrones. Estas tres formas de hidrógeno tienen sólo un electrón, ya que sólo hay una carga eléctrica, el único protón. Tenga en cuenta que es sólo en el caso del hidrógeno que se da un nombre diferente a los isótopos del elemento, en todos los demás casos, sólo se indica el número de nucleones lo que permite de encontrar de esta manera el número de neutrones. Por ejemplo, el hierro (Fe26) tiene varios isótopos fe56, entendemos que fe56 tiene 30 neutrones, Fe57 tiene 31 neutrones, Fe58 32 neutrones, el número de neutrones diferencia bien los isótopos.

En el átomo son los electrones que dan consistencia a la materia, sin embargo, es muy ligero, su masa es de unos 10^-27 gramos, el protón es 2000 veces más pesado y se concentra la mayor parte de la masa de la átomo (99,99%). Para los átomos estables, la masa es de entre 1.674 × 10^-24 g para el hidrógeno y 3,953 × 10^-22 g para el uranio. Desde 1811, también se conoce el tamaño aproximado de un átomo, Amedeo Avogadro (1776-1856) estima el tamaño de los átomos a 10^-10 metros, es decir, un poco más de 10 millonésimas de milímetro.

En la física clásica, la materia debe desaparecer, se anihilar, porque un electrón que irradia alrededor de un núcleo pierde energía (teoría de Maxwell) y por lo tanto debería caer en el núcleo. Esto significa que la estabilidad de un átomo es incomprensible en el contexto de la teoría clásica. Los genios científicos del siglo 20 van a resolver esta paradoja por la mecánica ondulatoria de Louis de Broglie en 1924 y generalizada en 1926 por Erwin Schrödinger (Premio Nobel de Física en 1933 con Paul Dirac, para la ecuación de onda se llama la ecuación de Schrödinger.

En la mecánica cuántica, no es posible conocer el valor exacto de un parámetro sin medir la. La teoría matemática describe un estado, no por una pareja velocidad y posición con precisión, pero por una función de onda que permite de calcular la probabilidad de encontrar una partícula en un punto. De ahí la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica que predice que las partículas son también ondas y no solamente puntos materiales. Los electrones ocupan orbitales atómicos en interacción con el núcleo a través de la fuerza electromagnética, mientras que los nucleones se mantienen unidos en el núcleo por el enlace nuclear, que es una manifestación de la interacción nuclear fuerte. La nube electrónica se estratifica en los niveles de energía cuantificados alrededor del núcleo definiendo las capas y las sub-capas electrónica. Nucleones también se dividen en capas nucleares, aunque modelo muy conveniente, populariza la estructura nuclear por el modelo de la gota líquida. Varios átomos pueden establecer enlaces químicos entre ellos a través de sus electrones y, en general, las propiedades químicas de los átomos están determinadas por su configuración electrónica, que se deriva del número de protones en sus núcleos.

Este número, denominado número atómico, define un elemento químico.

Imagen : Representación de la estructura atómica del átomo de helio-4. Por razones de claridad, la imagen de arriba no respeta la escala. El núcleo aparece de color rosa en el centro, y todos los tonos de gris alrededor, la nube electrónica o orbital atómica. El núcleo de helio-4 es un esquemáticamente ampliado, mostrando los dos protones y dos neutrones en rojo y púrpura, su tamaño es de 1 femtometer o 10^-15 metros.

En realidad, el núcleo (y la función de onda de cada nucleón) es también esférica, como los electrones del átomo

En 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) descubrió el núcleo atómico y especifica la estructura del átomo bombardeando una lámina de oro con partículas de la desintegración radiactiva del uranio.. Se da un tamaño de núcleo del orden de 10^-14 metros. Sobre el tamaño de átomos, se habla de orbitales atómicos, es decir, de la nube electrónica que rodea el núcleo, esta nube tiene un diámetro teórico entre 62 pm (picómetros) para el átomo de helio a 596 pm para el átomo de cesio. Ernest Rutherford gustaría ver así los átomos, pero las longitudes de onda de la luz visible (400 a 800 nanómetros) son mayores que las dimensiones de los átomos.

Hoy en día podemos ver los átomos con el STM.

El microscopio de efecto túnel (STM Scanning Tunneling Microscope) aparece en 1981, desarrollado por investigadores de IBM, Gerd Binning y Heinrich Rohrer (Premio Nobel de Física por esta invención en 1986).

El microscopio de efecto túnel es un pequeño microscopio de unos pocos centímetros, de tipo microscopios de campo cercano, dota con una punta de tungsteno (W) o de platino-iridio (Pt Ir), tal fina, del tamaño de un átomo, que se puede escanear en vacío, la superficie de una muestra de materia.

Un ordenador ajusta y registra en tiempo real con alta precisión, la altura de la sonda para mantener una corriente constante. A continuación, el ordenador mide y amplifica la corriente resultante, por efecto túnel, del paso de electrones entre la punta y la superficie de la muestra. Este movimiento refleja la topografía de la superficie y por lo tanto los propios átomos lo que permite reconstruir la imagen detallada de la superficie cubierta en la escala atómica.

Para ver los átomos, los científicos utilizan un metal conductor de la electricidad que no se oxida, tal como oro o platino iridio, porque la mayoría de las superficies de los materiales se cubre con una capa de óxido hiperfina que impide el paso del corriente túnel.

El efecto túnel es una de los propiedades de una partícula cuántica, esta propiedad le permite atravesar una barrera de potencial, incluso si su energía es menor que la energía mínima requerida.

nota : el espectro de la luz visible es en el infrarrojo a los rayos ultravioleta, que corresponde a longitudes de ondas de 400 nanómetros en la violeta a 800 nanómetros en la rojo, es decir, de 4x10⁻⁷ a 8x10⁻⁷ metros . Entre la longitud de onda (λ) y la frecuencia (ν) es la relación siguiente : ν = c / λ donde c es la velocidad de la luz, 300.000 km/s.

Imagen : Esta imagen, más cerca de la materia, explica la superficie de una lámina de oro puro (Au (100), visualizada por un microscopio de efecto túnel. Los átomos de oro son visibles en esta imagen, que están uniformemente espaciados ellos en la estructura cristalina. Esta imagen atómica fue realizada con STM Omicron baja temperatura Erwin Rossen, Eindhoven University of Technology, 2006.

Hay un poco más de un centenar de átomos diferentes, estos son los elementos como el hidrógeno, el carbono, el oxígeno o el hierro. El físico de Nueva Zelanda tuvo la idea de una representación simple del núcleo atómico. Rutherford representa cada átomo como un mini sistema solar, en el centro el núcleo y en una órbita, como los planetas, los electrones. El núcleo en sí es representado en forma de moras (imagen aquí-contra). Esta representación ilustrada es falsa, pero tiene dos ventajas, se diferencia claramente las dos partículas, el protón y el neutrón, e se entiende que el núcleo, muy compacto, está circunscrita dentro de un volumen definido. Pero desde el advenimiento de la mecánica cuántica en la década de 1920, la imagen del núcleo es preocupante, el núcleo ya no es un sistema de bolas asociados juntos. El núcleo se rige por la mecánica cuántica, en otras palabras, solo existe si es observable pero observar los protones y los neutrones dentro del núcleo, ya que están en la imagen, no es posible porque debería iluminar las partículas con una luz tan intensa que el núcleo se desintegra instantáneamente. Esta representación en granos de moras cubre el concepto cuántico de la materia. Es lo mismo para el electrón, ya no representa el electrón como una partícula que gira en una órbita muy regular alrededor del núcleo. El electrón es tanto una onda y una partícula, la dualidad onda-partícula es la base de la mecánica cuántica. En la mecánica cuántica el electrón no sigue una sola trayectoria, que se encuentra en una región alrededor del núcleo que se llama la nube electrónica o orbital atómica.

Imagen : Representación del núcleo atómico en forma de granos de moras, tiene dos ventajas, una se diferencia las dos partículas, el protón y el neutrón, y está claro que el núcleo, muy compacto, está circunscrito dentro de un volumen definido. Todos los núcleos y todos los isótopos tienen entre 1 y 110 protones y entre 0 y 160 neutrones. Sin embargo, esta representación es falsa porque oculta el concepto cuántico. Desde la década de 1920, el núcleo ya no es un sistema de bolas asociado juntos, es un sistema cuántico mucho más inquietante.

Nube electrónica o orbital atómica

Desde 1924, toda la materia está dotado de una onda asociada es la hipótesis de Louis de Broglie (1892-1987). Con este hipótesis, él generaliza a todas las partículas de la materia, la dualidad onda-partícula introducida para la luz por Max Planck (1858-1947) en el siglo 20. Por consiguiente, todas las partículas subatómicas tienen una longitud de onda. La longitud de onda λ de una partícula subatómica y la cantidad de movimiento p están relacionados por la ecuación : λ = h / p, donde h es la constante de Planck, el p la cantidad de movimiento ie el producto de la masa por el vector de velocidad (p = mv). Se ha conocido, gracias a la famosa fórmula de Einstein de que toda la materia tiene una energía asociada (E = MC2). En otras palabras, más la longitud de onda es pequeña, más la energía es alta (E = h / λ). Esta energía va a cambiar la forma de los átomos. Los fundamentos de la mecánica cuántica están entonces planteado.

En pocas palabras, la materia está compuesta de partículas realmente muy pequeñas, fermiones (electrones, neutrinos, quarks) que tienen una masa, una carga, una energía, una dimensión, una onda, un espín. Pero lo que se parecen estas partículas en el mundo de lo infinitamente pequeño?

En 2013 todavía no podemos ver las partículas del núcleo atómico, pero sólo la capa exterior del átomo, es decir, la nube de electrones. La nube de electrones ocupa toda la extensión espacial del átomo, ya que está a unos 10 000 veces mayor que su núcleo. En la mecánica cuántica, una partícula está representado por una función de onda, pero es muy difícil de representar el concepto fundamental de la mecánica cuántica o el estado cuántico de un sistema. En 1927, Max Born (1882-1970) dio una interpretación de la función de onda o el cuadrado de la función de onda representa la probabilidad cuando se hace una medición, para encontrar la partícula en una ubicación específica. Una función de onda es una amplitud de probabilidad o una densidad de probabilidad de presencia del sistema en una posición dada en un instante dado. Esta función tiene un valor complejo. Si un número real o un valor real es, por ejemplo, la longitud de un segmento en una recta, un valor complejo está representado por un vector en un plano, este vector tiene una longitud no sólo en el espacio sino también una fase que corresponde a la dirección del vector

Si ya no representa el electrón como una partícula puntual en una órbita regular alrededor de un núcleo, ¿cómo se puede hacer una imagen?

Bueno, aquí, el electrón no sigue un camino único en torno al núcleo, que está en algún lugar en una vasta región que se llama la nube de electrones o orbital atómico. El estado de un electrón se muestra por el volumen del espacio alrededor del núcleo en el que se transfiere. El estado fundamental del hidrógeno es de aproximadamente un angstrom es 10^-10 metros. Para representar el electrón en esta región sólo imaginar un grano de arroz de alrededor de 5 mm a moverse en una esfera de unos 50 metros de diámetro. Además, la forma de esta región del espacio atómico depende de la energía del electrón y su momento cinético es lo que vemos en la imagen aquí. Así, los orbitales de los electrones pueden adoptar diversas formas características dependiendo de la naturaleza del átomo, por ejemplo, el orbital del átomo de hidrógeno en la primera fila en la parte superior tiene una forma esférica, el orbital en la segunda fila tiene la forma de dos gotas de agua, el orbital en la tercera fila tiene la forma de cuatro gotas de agua. En resumen, el orbital corresponde a la región del espacio donde el electrón se deslocaliza, el estado de electrones está en una superposición de todas las posiciones posibles dentro del orbital atómico cuya forma varía. La forma del orbital cambia cuando se excita el átomo, como en la primera fila. Si se excita más el átomo, la forma del orbital cambia de nuevo como en la segunda fila o capa electrónica. En un estado muy excitado llamado "estado de Rydberg" los electrones están deslocalizados en un toro de "gran radio" que puede llegar a medir hasta 1000 angstroms, el número cuántico principal n (número de la capa) es muy alta entre 50 y 100.

nota : un electrón atraído por la carga positiva del núcleo, no puede "pegarse al núcleo", ya que significaría que la extensión espacial de la función de onda se reduce a un punto. La ecuación de Schrödinger dice que un electrón en la vecindad del núcleo es en una geometría orbital determinado por los números cuánticos que satisfacen esta ecuación. En resumen, un electrón se limita en la vecindad del núcleo por el pozo de potencial electrostático. Cuando la energía potencial es crecente, se dice que la partícula se mueve en un pozo de potencial.

Imagen : Representación de los primeros orbitales electrónicos de hidrógeno, dependiendo de la energía del electrón y su momento angular, el nivel de energía se incrementa de arriba a abajo (n = 1 , 2 , 3) y el momento cinético aumenta de izquierda a derecha , (I = s , p , d, f , g). Esta imagen muestra la densidad de probabilidad de encontrar el electrón, el color negro representa la densidad 0, es decir, el área en la que el electrón nunca se aventura. El color blanco representa la densidad máxima, es decir, el área donde el electrón pasa con más frecuencia. Entre blanco y negro en la zona de color rojo anaranjado, la densidad de probabilidad aumenta. Números cuánticos están representadas por letras , n es el número cuántico principal, que define el nivel de energía del electrón. I es el número cuántico orbital, o secundaria, ya que define las capas de electrones, s (Sharp) para l = 0, p (Principal ) para l = 1, d (Difusa) para l = 2, f (Fundamental) para I = 3, a continuación, (para los estados excitados) g , h, i ,... el número cuántico m es el número cuántico magnético o terciaria.