Descubrir partículas subatómicas

Habilidades para Desarrollar

• Describir los tres tipos de radiactividad
• Comprender la diferencia entre átomos, iones e isótopos
• Definir las partículas subatómicas que componen los átomos

Al final de la última sección (Valence), mencionamos el problema de las masas de yodo y teluro, que estaban “fuera de orden” en la tabla periódica. Este era sólo uno de los varios problemas que enfrentaban los químicos en este momento. Otro fueron los elementos de tierras raras (los lantanoides y actinoides, en la parte inferior de la tabla periódica). Los elementos de tierras raras eran extremadamente similares entre sí, por lo que fue muy difícil separarlos, determinar las masas y encajarlos en la tabla periódica.

Otro problema fueron los iones. Los iones fueron entidades químicas cargadas que se movían a través de soluciones transportando corriente eléctrica cuando se aplicaba electricidad. Los químicos sabían que existían, pero no pudieron explicar cómo se formaron. Los cationes se cargaron positivamente, mientras que los aniones se cargaron negativamente. Se sabía que el hidrógeno formaba iones positivos con una carga particular. Pero, ¿de dónde salieron los cargos? Berzelius había pensado que los átomos mismos estaban cargados, pero esto no tenía sentido después de que se aceptara la hipótesis de Avogadro, ya que en ese caso los dos átomos de O en O ₂ se repelerían entre sí, no formarían una molécula. Por supuesto, esto era sobre todo un problema para los químicos físicos, porque los físicos en su mayoría todavía no creían en los átomos.

Los experimentos de Davy, Faraday y otros mostraron que los sólidos generalmente conducen la electricidad sin cambiarse ellos mismos; los líquidos se descomponen por la corriente eléctrica, y los gases conducen mal y solo a alta tensión, pero se convierten en mejores conductores a baja presión. Los tubos de vidrio de gas de baja presión brillan; los ejemplos incluyen luces de neón en escaparates, bombillas fluorescentes y lámparas amarillas de sodio que a veces se usan en las luces de la calle. Cuando los tubos de vidrio llenos de gas de muy baja presión fueron hechos por el experto soplador de vidrio Geissler después de 1850, un punto brillante aparecería en algún lugar del vidrio cuando el tubo estaba conectado a un alto voltaje. Esta mancha podría ser movida por un imán, sugiriendo que estaba cargada negativamente. Un haz o rayo salía del cátodo (el electrodo al que se mueven los cationes), y este haz provocó que el vidrio brillara. (Así es exactamente como funcionan los televisores antiguos, desde antes había pantallas planas).

Un televisor de rayos catódicos y sus componentes

Pero, ¿cuál fue el rayo que salió del cátodo? Algunos pensaban que se trataba de partículas cargadas negativamente, mientras que otros (especialmente los físicos) pensaban que era una ola. Thomson se convenció de que el haz es una partícula cargada negativamente, que se puede mover usando campos eléctricos o magnéticos. Estimó que la partícula tiene una relación carga/masa 1000x mayor que el ion hidrógeno, pero con la carga opuesta. El rayo que sale del cátodo es el mismo cualquiera que sea el material, y encontró que se puede generar la misma partícula calentando filamentos metálicos muy calientes o exponiendo una superficie metálica a la luz UV (la luz que le da quemaduras solares).

¿Qué son los rayos catódicos? ¡Electrones! Cuando Thomson sugirió en 1897 que o bien tenían una carga mucho mayor o una masa mucho menor que los iones de hidrógeno, muchas personas se mostraron escépticas. Sin embargo, mediciones cuidadosas por Millikan (¡a partir de 1908, continuando por casi 10 años!) de gotas de niebla que caen en un campo eléctrico o magnético reveló que los electrones tienen la misma carga que los iones de hidrógeno, pero son casi ~1/2000 menos masivos, así que de hecho Thomson supuso que los electrones eran el doble de grandes que realmente.

Diagrama del aparato en el experimento de gotas de aceite de Millikan

En resumen, los electrones tienen una carga igual pero opuesta a los iones hidrógeno, pero los iones hidrógeno pesan 2000x más que los electrones. Los electrones son parte de todo tipo de átomos.

Aparte de los electrones, ¿de qué están hechos los átomos? Los rayos X fueron descubiertos en 1895 cuando Roentgen notó un rayo que pasaba por el vidrio de su tubo de rayos catódicos y desarrolló película fotográfica colocada a su paso, aunque estuviera envuelta en papel oscuro. Inspirado en este descubrimiento, Becquerel estudió la fluorescencia (esto significa brillar después de estar expuestos a la luz) de los minerales y si esto podría desarrollar película a través del papel oscuro. Utilizó la luz solar para hacer que los minerales fluorescieran, pero descubrió que algunos minerales fluorescen incluso sin luz solar. Los minerales que contienen los elementos uranio y torio tienen esta propiedad, que se denomina radiactividad. Se descubrieron tres tipos de radiactividad, α (carga positiva), β (electrones, igual que los rayos catódicos) y γ (luz, similar a los rayos X). Esta radiación es una propiedad del elemento, y no es cambiada por combinaciones químicas. También se descubrió que los elementos radiactivos se descomponen en productos que se asemejan mucho a elementos conocidos, salvo que las masas son diferentes. Estos productos de descomposición tienen exactamente las mismas propiedades químicas que los elementos conocidos, y una vez mezclados, no se pueden separar por medios químicos. Pero las masas eran diferentes. La evidencia contra los “átomos idénticos e indivisibles de cada elemento” de Dalton se estaba volviendo fuerte.

Rutherford estudió la radiación α y encontró que tenía una carga positiva y una relación e/m (carga/masa) 1/2 que de un ión hidrógeno. Posteriormente demostró que se trata de una forma cargada del elemento helio (He).

Ilustración de las partículas involucradas en la radiación alfa, beta y gamma.

Finalmente, utilizando una versión temprana del espectrómetro de masas, que mide e/m acelerando partículas cargadas en un campo eléctrico o magnético, Aston determinó que los átomos de neón (Ne) tienen masas de 20 o 22, no 20.2, entonces el valor aceptado. Aquí hay otro caso en el que conocer la precisión de tu experimento es importante: si no pudiera notar la diferencia entre 20.0 y 20.2, ¡esto no habría sido útil! Las dos versiones de Ne se llaman isótopos. Los isótopos son átomos del mismo elemento con las mismas propiedades químicas, pero tienen diferentes masas.

¿Cuál es la estructura de un átomo? En este punto, quedó claro que Dalton no había sido del todo correcto, porque los átomos de un elemento podían existir en diferentes formas, o isótopos. También estaba quedando claro que los átomos podían dividirse en partes más pequeñas, como los electrones. Pero, ¿cómo estaban dispuestos los electrones y las partes positivas (como la parte de Él que es radiación α), y cuál era la partícula positiva? Parecía que había mucho espacio vacío en los átomos, porque los rayos catódicos podían pasar a través de ventanas de aluminio. Se consideraron muchas teorías, pero en última instancia dos de los estudiantes de Rutherford, Geiger y Marsden, encontraron una respuesta. Observaron que los rayos α dirigidos a una fina lámina de oro (Au) generalmente pasaban a través de la lámina (aunque no generalmente del todo rectos), pero a veces la lámina los derribaba en la dirección de la que provenían. Estas partículas α-deben haber chocado con (o ser repelidas por una gran carga positiva en) algo muy pesado, para tener un cambio de dirección tan grande. En 1911, Rutherford propuso que los átomos consisten en una pequeña partícula densa, el núcleo, que contiene la mayor parte de la masa del átomo y toda su carga positiva, con electrones moviéndose a través de un gran espacio vacío alrededor del núcleo. Pero estaban un poco confundidos acerca de la masa y carga del núcleo.

Diagrama del aparato en el experimento de lámina de oro de Rutherford

En 1913, un químico muy joven llamado Henry Moseley midió la longitud de onda de fluorescencia producida cuando los rayos X brillan en muestras elementales puras. Descubrió que si graficas la raíz cuadrada de la frecuencia de fluorescencia vs la ubicación del elemento en la tabla periódica (como H, 1; C, 6; Hg, 80) obtienes una línea recta. La ubicación en la tabla periódica se denomina número atómico. Esto confirmó el orden de Te/I en la tabla periódica y algunos otros problemas similares. También pudo determinar dónde faltaban elementos no descubiertos en la tabla, y aclarar la identificación de elementos de tierras raras, lo cual fue muy difícil porque eran muy similares. Tenía 26 años, y murió un año después en la Primera Mundial. El trabajo de Moseley mostró que el orden de la tabla periódica se basa en el número atómico, que es el número de cargas positivas en el núcleo y también el número de electrones. La unidad de carga positiva es un núcleo de hidrógeno, o protón.

La masa del núcleo siguió siendo confusa incluso después de que la cantidad de carga positiva hubiera sido determinada por los números atómicos de Moseley. Los pesos atómicos eran aproximadamente el doble de lo que deberían ser si el núcleo solo sostenía protones. Una propuesta para explicar esto fue que había algunos electrones en el núcleo, cancelando la carga de la mitad de los protones. Los experimentos radioquímicos posteriores mostraron la existencia del neutrón, que tiene aproximadamente la masa de un protón y sin carga. Esta fue entendida como la masa extra en los núcleos. Ahora, sin embargo, sabemos que los neutrones pueden descomponerse en protones y electrones (y algunas otras partículas menos familiares), por lo que la idea anterior no estaba muy lejos.

Resumen

Los átomos están compuestos por protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones aprovechan la mayor parte de la masa del átomo y toda su carga positiva en el núcleo. Los protones son partículas subatómicas que contienen una carga positiva. Esencialmente, son núcleos de hidrógeno. Los neutrones son partículas subatómicas que tienen la misma masa que un protón pero no carga. Los electrones son partículas subatómicas con una carga negativa que se encuentran fuera del núcleo del átomo. El número atómico de un elemento proporciona su ubicación en la tabla periódica, así como describe cuántos protones hay en un átomo de ese elemento en particular. Los iones son átomos que están cargados positiva o negativamente debido a que el número de protones o electrones en un átomo no es igual entre sí. Los isótopos son átomos que tienen un número diferente de neutrones en el núcleo de lo normal. Hay tres tipos principales de radiactividad: α, β y γ. La radiación α (Alfa) implica la emisión de un núcleo de helio, que es dos protones y dos neutrones. la radiación β (Beta) implica la emisión de un electrón desde el núcleo del átomo. La radiación γ (Gamma) implica la emisión de alta energía radiación electromagnética.

Colaboradores y Atribuciones

• Emily V Eames (City College of San Francisco)