Masa
La
mayor parte de la masa del átomo viene de los nucleones, los protones y
neutrones del núcleo. También contribuyen en una pequeña parte la masa de los
electrones, y la energía de ligadura de los nucleones, en virtud de la equivalencia entre
masa y energía. La unidad de masa
que se utiliza habitualmente para expresarla es la unidad de masa
atómica (u). Esta se
define como la doceava parte de la masa de un átomo neutro de carbono-12
libre, cuyo núcleo contiene 6 protones y 6 neutrones, y equivale a 1,66 · 10−27
kg aproximadamente. En comparación el protón y el neutrón libres tienen una
masa de 1,007 y 1,009 u. La masa de un átomo es entonces aproximadamente igual
al número de nucleones en su núcleo —el número másico— multiplicado por la
unidad de masa atómica. El átomo estable más pesado es el plomo-208, con una masa de 207,98 u.8
Tamaño
Los
átomos no están delimitados por una frontera clara, por lo que su tamaño se
equipara con el de su nube electrónica. Sin embargo, tampoco puede establecerse
una medida de esta, debido a las propiedades ondulatorias de los electrones. En
la práctica, se define el radio atómico estimándolo en función de algún
fenómeno físico, como la cantidad y densidad de átomos en un volumen dado, o la
distancia entre dos núcleos en una molécula.
Los
diversos métodos existentes arrojan valores para el radio atómico de entre 0,5
y 5 Å. Dentro de la tabla periódica
de los elementos, el tamaño de los átomos tiende a disminuir a lo largo de un periodo —una fila—, para aumentar súbitamente
al comienzo de uno nuevo, a medida que los electrones ocupan niveles de energía
más altos.9
Niveles de energía
Un
electrón ligado en el átomo posee una energía potencial inversamente proporcional a su
distancia al núcleo y de signo negativo, lo que quiere decir que esta aumenta
con la distancia. La magnitud de esta energía es la cantidad necesaria para
desligarlo, y la unidad usada habitualmente para expresarla es el electrónvoltio
(eV). En el modelo mecanocuántico solo hay un conjunto discreto de estados o
niveles en los que un electrón ligado puede encontrarse —es decir,
enumerables—, cada uno con un cierto valor de la energía. El nivel con el valor
más bajo se denomina el estado fundamental, mientras que el resto se denominan
estados excitados.
Cuando
un electrón efectúa una transición entre dos estados distintos, absorbe o emite
un fotón, cuya energía es precisamente la diferencia entre los dos niveles. La
energía de un fotón es proporcional a su frecuencia,
así que cada transición se corresponde con una banda estrecha del espectro
electromagnético
denominada línea espectral.
Interacciones eléctricas entre protones y electrones
Antes
del experimento de
Rutherford la
comunidad científica aceptaba el modelo atómico de
Thomson, situación
que varió después de la experiencia de Ernest Rutherford.
Los modelos posteriores se basan en una estructura de los átomos con una masa
central cargada positivamente rodeada de una nube de carga negativa.12
Este
tipo de estructura del átomo llevó a Rutherford a proponer su modelo en que los
electrones se moverían alrededor del núcleo en órbitas. Este modelo tiene una
dificultad proveniente del hecho de que una partícula cargada acelerada, como
sería necesario para mantenerse en órbita, radiaría radiación electromagnética,
perdiendo energía. Las leyes de Newton,
junto con las ecuaciones de
Maxwell del
electromagnetismo aplicadas al átomo de Rutherford llevan a que en un tiempo
del orden de 10−10 s, toda la energía del átomo se habría radiado,
con la consiguiente caída de los electrones sobre el núcleo
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