Núcleo atómico: definición, estructura, descubrimiento, características

En física, el núcleo atómico es el componente central de un átomo. Es mucho más pequeño que un átomo y contiene la mayor parte de la masa del átomo. El núcleo atómico también contiene toda la carga eléctrica positiva (en protones), mientras que la nube de electrones contiene todas las cargas negativas.

El núcleo de un átomo es la región central de un átomo que contiene la mayor parte de su masa. El experimento de dispersión de partículas alfa de Rutherford reveló que el núcleo de un átomo contiene la mayor parte de la masa del átomo. El núcleo de un átomo ocupa casi 10-14 veces el volumen del átomo pero contiene el 99,99% de la masa atómica.

Estructura del átomo

Un átomo es un arreglo complejo de electrones cargados negativamente organizados en capas definidas alrededor de un núcleo cargado positivamente.

Este núcleo, que está formado por protones y neutrones, contiene la mayor parte de la masa del átomo (excepto el hidrógeno común que tiene un solo protón). Cada átomo tiene aproximadamente el mismo tamaño. El Angstrom (Å), definido como 1 x 10 ^-10 m, es una unidad de longitud útil para medir tamaños atómicos. Un átomo tiene un diámetro de aproximadamente 2-3 Å.

Descubrimiento de Núcleo

Thomson comenzó a experimentar con tubos de rayos catódicos. Los tubos de rayos catódicos son tubos de vidrio sellados al vacío en los que se elimina la mayor parte del aire. En un extremo del tubo, se aplica un alto voltaje a través de dos electrodos, lo que hace que un haz de partículas fluya desde el cátodo (cargado negativamente) hacia el áNode (cargado positivamente). Debido a que el haz de partículas, o ‘rayo catódico’, se origina en el cátodo, los tubos se conocen como tubos de rayos catódicos. 

Thomson usó dos placas eléctricas de carga opuesta para rodear el rayo catódico. El rayo catódico fue redirigido de la placa eléctrica cargada negativamente a la cargada positivamente. Esto significaba que el rayo catódico estaba formado por partículas cargadas negativamente. Los rayos catódicos son partículas que tienen carga negativa. Los científicos aceptaron gradualmente los descubrimientos de Thomson. Las partículas de rayos catódicos se hicieron muy conocidas y se les dio el nombre de electrones.

El experimento de la lámina de oro de Rutherford demostró que el átomo es en su mayor parte espacio vacío con un núcleo diminuto, densamente empaquetado y cargado positivamente. Rutherford propuso el modelo nuclear del átomo basado en estos hallazgos. El experimento de la lámina de oro de Rutherford implicó disparar un rayo alfa a una lámina delgada de lámina de oro. La mayoría de las partículas atravesaron la lámina de oro sin ser desviadas, pero un pequeño número se desvió ligeramente y una fracción aún más pequeña se desvió más de 90 grados de su trayectoria. 

Esto llevó a Rutherford a proponer el modelo nuclear, que establece que un átomo está formado por un núcleo muy pequeño con carga positiva rodeado de electrones con carga negativa. Basándose en el número de partículas alfa desviadas en su experimento, Rutherford calculó que el núcleo ocupaba una pequeña fracción del volumen del átomo.

Composición de un Núcleo

El núcleo de un átomo está formado por una disposición densamente empaquetada de protones y neutrones. Debido a que estas son las dos partículas pesadas de un átomo, el 99,9% de la masa se concentra en el núcleo. Debido a que los protones tienen una carga neta positiva, el núcleo de un átomo tiene carga positiva en general, mientras que los electrones con carga negativa giran alrededor del núcleo central. Debido a que la concentración de masa en el núcleo de un átomo es enorme, las fuerzas nucleares que mantienen unidos a los protones y neutrones también son enormes. 

Dado que los protones están tan cerca uno del otro dentro del diminuto núcleo, las fuerzas electrostáticas de repulsión también actúan dentro del núcleo. Debido a que el número total de protones en un núcleo es igual al número total de electrones que giran alrededor del núcleo, el átomo en su conjunto es eléctricamente neutro.

Características del Núcleo

1. El núcleo está ubicado en el centro del átomo y contiene protones y neutrones.
2. Debido a la presencia de protones cargados positivamente, el núcleo determina la carga total del átomo.
3. También está a cargo de las propiedades químicas del elemento, como la valencia del átomo, la reactividad del elemento a otros elementos y el número atómico y el número de masa del átomo.
4. Si bien el neutrón es eléctricamente neutro, contribuye a la masa del átomo.
5. La suma numérica de protones y neutrones es la masa atómica. La masa de un átomo determina propiedades físicas como el punto de fusión, el punto de ebullición, la densidad, etc.
6. El núcleo permanece estacionario en el centro del átomo, mientras que el electrón gira a su alrededor debido a la atracción entre el núcleo cargado positivamente y el electrón cargado negativamente.
7. El electrón gira sobre su eje a medida que se mueve alrededor del núcleo. La masa de un electrón se considera insignificante en comparación con el núcleo, pero es responsable de la valencia del átomo y determina la capacidad del átomo para participar en cualquier reacción química.

Masa de un núcleo

Como se indicó anteriormente, el núcleo contiene casi toda la masa de un átomo, con solo una pequeña contribución de la nube de electrones. La masa de un átomo está relacionada con su número de masa atómica, que es el número total de protones y neutrones en su núcleo. Los isótopos de un elemento químico tienen cada uno un número de masa distinto. El número de masa se escribe después del nombre del elemento o como un superíndice a la izquierda del símbolo de un elemento. El carbono-12, o ¹² C, es el isótopo de carbono más común.

Los átomos son tan pequeños en tamaño y masa que el uso de unidades de medida estándar, si bien es posible, con frecuencia es un inconveniente. En la escala atómica, se han definido unidades de masa y energía para facilitar la expresión de las medidas. La unidad de masa atómica es la unidad de medida de masa (uma). 1,66 x 10 ^-24 gramos es una unidad de masa atómica.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Qué son las partículas subatómicas?

Responder:

Las partículas subatómicas son las partículas que forman un átomo. Este término generalmente se refiere a protones, electrones y neutrones.

Pregunta 2: ¿Cuáles son las deficiencias del modelo atómico de Bohr?

Responder:

De acuerdo con este modelo atómico, la estructura del átomo ofrece predicciones de espectro pobres para átomos más grandes. También se olvidó de tener en cuenta el efecto Zeeman. Solo podía describir con éxito el espectro del hidrógeno.

Pregunta 3: ¿Cómo se puede determinar el número total de neutrones en el núcleo de un isótopo dado?

Responder:

El número total de protones y neutrones en un isótopo se usa para calcular su número de masa. El número atómico describe el número total de protones en el núcleo. Como resultado, al restar el número atómico del número másico se obtiene el número de neutrones.

Pregunta 4: ¿Qué son los quarks?

Responder:

Los protones y neutrones individuales contienen una estructura interna conocida como quarks. Hay seis tipos diferentes de quarks. Estas partículas subatómicas no pueden ser liberadas y estudiadas por separado. La investigación actual sobre la estructura del átomo está en curso.

Pregunta 5: ¿Cuáles son las razones de la diferencia entre el número de masa y la masa isotópica?

Responder:

La diferencia entre el número de masa y la masa isotópica, conocida como defecto de masa, se debe a dos factores:

1. El neutrón pesa un poco más que el protón. En comparación con la escala de la unidad de masa atómica con igual número de protones y neutrones basada en ¹² C, esto aumenta la masa de los núcleos con más neutrones que protones.
2. La energía de enlace nuclear varía según el núcleo. De acuerdo con la relación de equivalencia masa-energía de Einstein E = mc ² , un núcleo con una energía de enlace más alta tiene una energía total más baja y, por lo tanto, una masa más baja. Como la masa atómica del ⁶³ Cu es inferior a 63, este debe ser el factor determinante.