Numero Másico o Numero de Masa (A)

El número másico o numero de masa (A) es el número total de protones y neutrones presentes en el núcleo de un átomo de un elemento. Con excepción de la forma más común del hidrógeno, que tiene un protón y no tiene neutrones, todos los núcleos atómicos contienen tanto protones como neutrones. En general, el número de masa está dado por

Numero Másico = Numero de Protones + Numero de Neutrones

                               = Numero Atómico (Z) + Numero de Neutrones

El número de neutrones en un átomo es igual a la diferencia entre el número de masa y el número atómico (A - Z.).

Por ejemplo, el número de masa del flúor es 19 y su número atómico es 9 (lo que indica que tiene 9 protones en el núcleo). Así. el número de neutrones en un átomo de flúor es 19 - 9 = 10. Observe que el número atómico, el número de neutrones y el número de masa deben ser enteros positivos.

Numero Atomico (Z)

El número atómico (Z) es el número de protones en el núcleo del átomo de un elemento. En un átomo neutro el número de protones es igual al número de electrones, de manera que el número atómico también indica el número de electrones presentes en un átomo. La identidad química de un átomo queda determinada por su número atómico.

Por ejemplo, El número atómico del Nitrógeno es 7. Esto significa que cada átomo neutro de Nitrógeno tiene 7 Protones y 7 Electrones. O bien, visto de otra forma, cada átomo en el universo que contenga 7 protones se llama "Nitrógeno".

James Chadwick : El Neutrón

El modelo de Rutherford de la estructura atómica dejaba un importante problema sin resolver. Se sabía que el hidrógeno, el átomo más sencillo, contenía solamente un protón, y que el átomo de helio contenía dos protones. Por tanto, la relación entre la masa de un átomo de helio y un átomo de hidrógeno debería ser 2:1. (Debido a que los electrones son mucho más ligeros que los protones, se puede ignorar su contribución a la masa atómica.) Sin embargo, en realidad la relación es 4:1.

Rutherford y otros investigadores habían propuesto que debería existir otro tipo de partícula subatómica en el núcleo, hecho que el físico inglés James Chadwick probó en 1932.

Cuando Chadwick bombardeó una delgada lámina de berilio con partículas alfa, el metal emitió una radiación de muy alta energía, similar a los rayos Gamma.

Experimentos posteriores demostraron que esos rayos realmente constan de un tercer tipo de partículas subatómicas, que Chadwick llamó neutrones debido a que se demostró que eran partículas eléctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la masa de los protones. El misterio de la relación de las masas ahora podía explicarse. En el núcleo de helio existen dos protones y dos neutrones, mientras que en el núcleo de hidrógeno hay sólo un protón y no hay neutrones; por tanto, la relación es 4:1.

James Chadwick (1891-1972). Físico británico. En 1935 recibió el Premio Nobel de física por demostrar la existencia de los neutrones.

El electrón, el protón y el neutrón son los componentes fundamentales del átomo que son importantes para la química. En la tabla se muestran los valores de carga y de masa de estas tres partículas elementales.

Masa  y carga de las partículas subatómicas

Partícula Subatómica	Masa (g)	Columbs	Carga Unitaria
Protón	1.67262 × 10-24	+1,6022 × 10-23	+1
Neutrón	1.67493 × 10-24	0	0
Electrón	9,10939 × 10-28	-1,6022 × 10-23	-1

El Experimento de Ernest Rutherford : El Protón y el Núcleo

Desde principios de 1900 ya se conocían dos características de los átomos: contienen electrones y son eléctricamente neutros. Para que un átomo sea neutro debe contener el mismo número de cargas positivas y negativas. Thomson propuso que un átomo podía visualizarse como una esfera uniforme cargada positivamente, dentro de la cual se encontraban los electrones como si fueran las pasas en un pastel. Este modelo, llamado "modelo del budín de pasas", se aceptó como una teoría durante algunos años.

Modelo atómico de Thomson, algunas veces llamado el modelo "del budín de pasas" por su semejanza con el tradicional postre inglés que contiene pasas, los electrones están insertos en una esfera uniforme cargada positivamente.

 

 

En 1910 un físico neozelandés. Ernest Rutherford, que estudio con Thomson en la Universidad de Cambridge, utilizó partículas alfa para demostrar la estructura de los átomos. Junto con su colega Hans Geiger y un estudiante de licenciatura llamado Ernest Marsden. Rutherford efectuó una serie de experimentos utilizando láminas muy delgadas de oro y de otros metales, como blanco de partículas a provenientes de una fuente radiactiva. Ellos observaron que la mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse, o bien con una ligera desviación. De vez en cuando, algunas partículas alfa eran dispersadas (o desviadas) de su trayectoria con un gran ángulo. En algunos casos, las partículas alfa regresaban por la misma trayectoria hacia la fuente radiactiva. Éste fue el descubrimiento más sorprendente ya que. según el modelo de Thomson, la carga positiva del átomo era tan difusa que se esperaría que las partículas a atravesaran las láminas sin desviarse o con una desviación mínima, El comentario de Rutherford sobre este descubrimiento fue el siguiente:

'Resultó tan increíble como si usted hubiera lanzado una bala de 15 pulgadas hacia un trozo de papel de seda y la bala se hubiera regresado hacia usted."

 
Tiempo después, Rutherford pudo explicar los resultados del experimento de la dispersión de partículas a utilizando un nuevo modelo de átomo. De acuerdo con Rutherford, la mayor parte de los átomos debe ser espacio vacío. Esto explica por qué la mayoría de las partículas a atravesaron la lámina de oro sufriendo poca o ninguna desviación. Rutherford propuso que las cargas positivas de los átomos estaban concentradas en un denso conglomerado central dentro del átomo, que llamó núcleo. Cuando una partícula a pasaba cerca del núcleo en el experimento, actuaba sobre ella una gran fuerza de repulsión, lo que originaba una gran desviación. Más aún, cuando una partícula a incidía directamente sobre el núcleo, experimentaba una repulsión tan grande que su trayectoria se invertía por completo.

 

Diseño experimental de Rutherford para medir la dispersión de las partículas alfa causada por una lámina de oro. La mayoría de las partículas alfa atraviesan la lamina de oro con poca o ninguna desviación. Algunas se desvían con un ángulo grande Ocasionalmente alguna partícula invierte su trayectoria.

Abajo se muestra un esquema amplificado de la trayectoria de las partículas a al atravesar o ser desviadas por los núcleos.

 

 

Las partículas del núcleo que tienen carga positiva reciben el nombre de protones. En otros experimentos se encontró que los protones tienen la misma cantidad de carga que los electrones y que su masa es de

1.67262 × 10^-24 g.

aproximadamente 1840 veces la masa de las partículas con carga negativa, los electrones.

Hasta este punto, los científicos visualizaban el átomo de la siguiente manera:

• la masa del núcleo constituye la mayor parte de la masa total del átomo, pero el núcleo ocupa solamente 1/1013 del volumen total del átomo.
• Las dimensiones atómicas (y moleculares) se expresarán aquí, de acuerdo con el SI (Sistema Internacional), con una unidad llamada picómetro (pm), donde:

1 pm = 1 × 10^-12 m.

• El radio de un átomo es aproximadamente de 100 pm, mientras que el radio del núcleo atómico es solamente de 0.005 pm. Se puede apreciar la diferencia relativa entre el tamaño de un átomo y su núcleo imaginando que si un átomo tuviera el tamaño del estadio Astrodomo de Houston, el volumen de su núcleo sería comparable con el de una pequeña canica. Mientras que los protones están confinados en el núcleo del átomo, se considera que los electrones están esparcidos alrededor del núcleo y a cierta distancia de él.
• El concepto de radio atómico tiene utilidad experimental, pero no debe suponerse que los átomos tienen dimensiones o superficies bien definidas. Más adelante se aprenderá que las regiones externas de los átomos son relativamente "difusas".

Video: Rutherford´s Experiment: Nuclear Atom

Radiactividad

En 1895. el físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen observó que cuando los rayos catódicos incidían sobre el vidrio y los metales, hacían que éstos emitieran unos rayos desconocidos. Estos rayos muy energéticos eran capaces de atravesar la materia, oscurecían las placas fotográficas, incluso cubiertas, y producían fluorescencia en algunas sustancias. Debido a que estos rayos no eran desviados de su trayectoria por un imán, no estaban constituidos por partículas con carga, como los rayos catódicos. Röntgen les dio el nombre de rayos X, por su naturaleza desconocida.
Poco después del descubrimiento de Röntgen. Antoine Becquerel, profesor de física en París, empezó a estudiar las propiedades fluorescentes de las sustancias. Accidentalmente encontró que algunos compuestos de uranio oscurecían las placas fotográficas cubiertas, incluso en ausencia de rayos catódicos. AI igual que los rayos X, los rayos provenientes de los compuestos de uranio resultaban altamente energéticos y no los desviaba un imán, pero diferían de los rayos X en que se emitían de manera espontánea. Marie Curie, discípula de Becquerel, sugirió el nombre de radiactividad para describir la emisión espontánea de partículas y/o radiación. Desde entonces se dice que un elemento es radiactivo si emite radiación de manera espontánea.
La desintegración o descomposición de las sustancias radiactivas, como el uranio, produce tres tipos de rayos diferentes. Dos de estos rayos son desviados de su trayectoria por placas metálicas con cargas opuestas.

• Los rayos alfa (α) constan de partículas cargadas positivamente, llamadas partículas α que se apartan de la placa con carga positiva.
• Los rayos beta (β), o partículas β, son electrones y se alejan de la placa con carga negativa.
• Un tercer tipo de radiación consta de rayos de alta energía. llamados rayos gamma (γ). Al igual que los rayos X, los rayos γ no presentan carga y no les afecta un campo externo.

Los tres tipos de rayos emitidos por elementos radiactivos: Los rayos Beta consisten en partículas con carga negativa (electrones), por lo que son atraídos por la placa cargada positivamente. Lo contrario ocurre con los rayos alfa, que tienen carga positiva y se dirigen hacia la placa cargada negativamente. Debido a que los rayos Gamma y no presentan carga, su trayectoria no sé ve afectada por un campo eléctrico externo.

El Descubrimiento de los Electrones

Afortunadamente, podemos adquirir una comprensión cualitativa de la estructura atómica sin tener que seguir el curso de los descubrimientos que precedieron a la física atómica. Sin embargo, si necesitamos algunas ideas clave sobre los fenómenos interrelacionados de electricidad y magnetismo, que discutimos aquí brevemente. La electricidad y el magnetismo se utilizaron en los experimentos que condujeron a la teoría actual de la estructura atómica.

Algunos objetos muestran una propiedad denominada carga eléctrica, que puede ser positiva (+) o negativa (-). Las cargas positivas y negativas se atraen, se neutralizan entre sí, mientras que dos cargas positivas o dos negativas se repelen.

Como veremos en esta sección, todos los objetos materiales están formados por partículas cargadas.

• Un objeto eléctricamente neutro tiene un número igual de partículas cargadas positiva y negativamente y no lleva carga neta.
• Si el número de cargas positivas es mayor que el número de cargas negativas, el objeto tiene una carga neta positiva.
• Si el número de cargas negativas excede al de las positivas, el objeto tiene una carga neta negativa.

Se puede observar que cuando frotamos una sustancia contra otra, como cuando nos peinamos, se produce una carga eléctrica estática, lo que implica que el frotamiento separa algunas cargas positivas y negativas. Además, cuando se produce una carga positiva en algún lugar, también aparece una carga negativa equivalente en otro lugar de forma que la carga se compensa.

El descubrimiento de los electrones
La abreviatura para los tubos de rayos catódicos, CRT, se ha convenido en un acrónimo habitual. El CRT es el corazón de los monitores de ordenador y los aparatos de televisión. El primer tubo de rayos catódicos fue construido por Michael Faraday (1791-1867) hace 150 años aproximadamente. AI hacer pasar la electricidad a través de tubos de vidrio sometidos al vacío, Faraday descubrió los rayos catódicos, un tipo de radiación emitida por el polo negativo o cátodo que atravesaba el tubo evacuado hacia el polo positivo o ánodo. Posteriormente los científicos encontraron que los rayos catódicos viajan en línea recta y tienen propiedades que son independientes del material del cátodo (es decir, de si éste es hierro, platino, etc.).

Un tubo de rayos catódicos se compone de una fuente de electricidad de alto voltaje que crea una carga negativa sobre el electrodo de la izquierda (cátodo) y una carga positiva sobre el electrodo de la derecha (ánodo). Los rayos catódicos se dirigen desde el cátodo (C) hacia el ánodo (A) que está perforado para permitir el paso de un haz estrecho de rayos catódicos. Los rayos solamente son visibles mediante el color verde fluorescente que producen sobre una pantalla recubierta de sulfuro de zinc. Son invisibles en el resto del tubo.

Los rayos catódicos producidos en el CRT, son invisibles, y sólo pueden detectarse por la luz emitida por los materiales con los que chocan. Estos materiales denominados fosforescentes se utilizan como pintura al final del CRT, de manera que pueda verse el recorrido de los rayos catódicos. (Fluorescencia es el término utilizado para describir la emisión de luz por una sustancia fosforescente cuando ésta recibe radiación energética.) Otra observación importante sobre los rayos catódicos es que son desviados por los campos eléctricos y magnéticos de la forma esperada para las partículas cargadas negativamente.

Desviación de los rayos catódicos por un campo eléctrico: El haz de rayos catódicos es desviado cuando viaja de izquierda a derecha en el campo creado por las placas del condensador (E) cardadas eléctricamente. La desviación corresponde a la esperada para partículas con carga negativa.

Desviación de los rayos catódicos en un campo magnético: El haz de rayos catódicos es desviado cuando viaja de izquierda a derecha en un campo magnético (M). La desviación corresponde a la esperada para partículas con carga negativa.  

 

En 1897, J. J. Thomson (1856 -1940) estableció la relación entre la masa (m) y la carga (e) de los rayos catódicos, es decir, masa/carga (m/e), mediante el método descrito en la Siguiente Figura. Thomson, también concluyó que los rayos catódicos son partículas fundamentales de materia, cargadas negativamente y que se encuentran en todos los átomos. (Las propiedades de los rayos catódicos son independientes de la composición del cátodo.) Posteriormente, a los rayos catódicos se les dio el nombre de electrones, término propuesto por George Stoney en 1874.

Determinación de la razón masa-carga para los rayos catódicos: El haz de rayos catódicos choca con la pantalla al final del tubo sin desviarse si las fuerzas ejercidas sobre el haz por los campos eléctrico y magnético se contrarrestan. Conociendo la intensidad del campo eléctrico y magnético, junto con otros datos, se puede obtener el valor de masa/carga. Las medidas más precisas proporcionan un valor de -5,6857 × 10^-9 gramos por culombio. (Como los rayos catódicos tienen carga negativa, el signo de la relación carga-masa también es negativo.)

Robert Millikan (1868-1953), determinó la carga electrónica (e) mediante una serie de experimentos con gotas de aceite (1906-1914) descritos en la Siguiente Figura. El valor de la carga electrónica aceptado actualmente, expresado con cinco cifras significativas es:

-1,6022 × 10^-19 C.

Utilizando este valor y un valor exacto de la relación masa-carga para un electrón, se obtiene que la masa de un electrón es :

9,1094 × 10^-28 g.

Experimento de la gota de Millikan: Los iones, átomos o moléculas cargadas, se producen por la acción de una radiación energética conocida como rayos X. Algunos de estos iones llegan a unirse a pequeñas gotitas de aceite, proporcionándoles una carga neta. La velocidad de caída de una gotita en el campo eléctrico entre las placas del condensador aumenta o disminuye dependiendo de la magnitud y el signo de la carga de la gota. Analizando los datos de un gran número de gotitas. Millikan concluyó que la magnitud de la carga, (q) de una gota es un múltiplo entero de la carga electrónica, (e). Es decir, q = n e (donde n = 1, 2, 3,…)

Una vez considerado el electrón como una partícula fundamental de la materia existente en todos los átomos, los físicos atómicos empezaron a especular sobre cómo estaban incorporadas estas partículas dentro de los átomos. El modelo comúnmente aceptado era el propuesto por J. J. Thompson, quien pensó que la carga positiva necesaria para contrarrestar las cargas negativas de los electrones en un átomo neutro estaba en forma de una nube difusa. Sugirió que los electrones flotaban en esta nube difusa de carga positiva, semejante a una masa de gelatina con los electrones a modo de "frutas" embebidos en ella. A este modelo se le dio el nombre de budín de ciruelas por su semejanza con un conocido postre inglés.

Video: Crookes Maltese Cross tube

Video: Milikan Oil Drop Experiment

La Teoría Atómica de Dalton

En el siglo V A.C el filosofo griego Demócrito expresó la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partículas pequeñas e indivisibles que llamó átomos (que significa indestructible o indivisible). A pesar de que la idea de Demócrito no fue aceptada por muchos de sus contemporáneos (entre ellos. Platón y Aristóteles), ésta se mantuvo. Las evidencias experimentales de algunas investigaciones científicas apoyaron el concepto del "atomismo", lo que condujo, de manera gradual, a las definiciones modernas de elementos y compuestos. En 1808, un científico inglés, el profesor John Dalton,  formulo una definición precisa de las unidades indivisibles con las que está formada la materia y que llamamos átomos.
El trabajo de Dalton marcó el principio de la era de la química moderna. Las hipótesis sobre la naturaleza de la materia, en las que se basa la teoría atómica de Dalton, pueden resumirse como sigue:

1.     Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de todos los demás elementos.

2.     Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación del número de átomos entre dos de los elementos presentes siempre es un número entero o una fracción sencilla.

3.     Una reacción química implica sólo la separación, combinación o reordenamiento de
los átomos: nunca supone la creación o destrucción de los mismos.

El concepto de Dalton sobre un átomo es mucho más detallado y específico que el concepto de Demócrito.

La primera hipótesis establece que los átomos de un elemento son diferentes de los átomos de todos los demás elementos. Dalton no intentó describir la estructura o composición de los átomos. Tampoco tenía idea de cómo era un átomo, pero se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por elementos como el hidrógeno y el oxígeno, sólo se puede explicar a partir de la idea de que Los átomos de hidrógeno son diferentes de los átomos de oxígeno.

La segunda hipótesis sugiere que, para formar un determinado compuesto, no solamente se necesitan los átomos de los elementos correctos, sino que es indispensable un número específico de dichos átomos. Esta idea es una extensión de una ley publicada en 1799 por el químico francés Joseph Proust. La ley de las proporciones definidas de Proust establece que muestras diferentes de un mismo compuesto siempre contienen los mismos elementos y en la misma proporción de masa. Así, si se analizan muestras de dióxido de carbono gaseoso obtenidas de diferentes fuentes, en todas las muestras se encontrará la misma proporción de masa de carbono y oxígeno. Entonces, si la proporción de las masas de los diferentes elementos de un compuesto es una cantidad fija, la proporción de los átomos de los elementos en dicho compuesto también debe ser constante.
La segunda hipótesis de Dalton confirma otra importante ley. la ley de las proporciones múltiples. Según esta ley, si dos elementos pueden combinarse para formar más de un compuesto, la masa de uno de los elementos que se combina con una masa fija del otro, mantiene una relación de números enteros pequeños. La teoría de Dalton explica la Ley de las proporciones múltiples de una manera muy sencilla: diferentes compuestos formados por los mismos elementos difieren en el número de átomos de cada clase. Por ejemplo, el carbono forma dos compuestos estables con el oxígeno, llamados rnonóxido de carbono y dióxido de carbono. Las técnicas modernas de medición indican que un átomo de carbono se combina con un átomo de oxígeno en el rnonóxido de carbono, y con dos átomos de oxígeno en el dióxido de carbono. De esta manera, la proporción de oxigeno en el rnonóxido de carbono y en el dióxido de carbono es 1 : 2. Este resultado está de acuerdo con la ley de las proporciones múltiples.

 

La tercera hipótesis de Dalton es una forma de enunciar la ley de la conservación de la masa, la cual establece que la materia no se crea ni se destruye. Debido a que la materia esta formada por átomos, que no cambian en una reacción química, se concluye que la masa también se debe conservar. La brillante idea de Dalton sobre la naturaleza de la materia fue el principal estímulo para el rápido progreso de la química durante el siglo XIX.