Estructura de la materia

ISÓTOPOS EN LA AGRICULTURA Y LA ALIMENTACIÓN

Hoy en día disponemos de un conocimiento sobre la estructura y las propiedades de los núcleos atómicos que permite que las radiaciones nucleares puedan ser utilizadas y controladas en beneficio del ser humano para mejorar su calidad de vida. Consideremos, como ejemplo, la conservación de alimentos.

La población mundial sigue creciendo y se hace cada vez más necesaria la búsqueda de nuevas técnicas para poder mantener los alimentos conservados en buen estado durante largos períodos de tiempo. Junto a las técnicas de conservación tradicionales como la congelación, la liofilización o el enlatado, actualmente se utilizan también otras técnicas como la esterilización por irradiación.

La irradiación de alimentos persigue la reducción del deterioro y, por tanto, la pérdida de alimentos tras su recolección, así como la mejora de su calidad sanitaria. La conservación por irradiación encierra un gran potencial para remediar el problema del hambre en el mundo.

Compromiso Ods

Haced estas actividades en grupos:

1 A pesar del prolongado empleo de potentes insecticidas durante décadas, todavía se pierden del orden del 20 % de las cosechas, destruidas por las plagas de insectos. Investigad brevemente sobre el uso de las radiaciones nucleares en la erradicación de plagas agrícolas, indicando sus ventajas e inconvenientes en lo que al objetivo 2 para el desarrollo sostenible (ODS) se refiere.

2 Para la esterilización de material quirúrgico (guantes, gasas, jeringuillas…), se utilizan hoy en día fuentes radiactivas de cobalto-60. Buscad información sobre las aplicaciones de isótopos en medicina y explicadlo en un trabajo usando alguna herramienta TIC ¿Cómo contribuyen estas aplicaciones al logro de la meta 3.9 de los ODS?

3 Mesa redonda. No hay vida sin agua. El aumento de la población y el crecimiento económico hacen que el acceso a agua limpia y salubre sea imperativo. Buscad información acerca del tratamiento con radiación de las aguas residuales resultantes de actividades industriales y debatid en grupo su uso redactando las conclusiones. ¿Sería este un buen recurso para alcanzar la meta 6.3 de los ODS?

Situaci N De Aprendizaje

Las Sustancias Que Nos Rodean

Los contenidos y las actividades de esta unidad pueden resultar de utilidad para la realización del proyecto que se plantea en el anexo situado en las páginas iniciales del libro.

En esta unidad

• Los isótopos en la agricultura y la alimentación

1. Evolución de los modelos atómicos

2. Naturaleza electromagnética de la luz

3. Espectros atómicos

4. Orígenes de la teoría cuántica

5. El efecto fotoeléctrico

6. Modelo atómico de Bohr

7. Mecánica cuántica

8. Orbitales atómicos. Números cuánticos

9. Partículas subatómicas. Origen del universo

• Cultura científica. EL LHC y el bosón de Higgs

• TIC. El estudio del efecto fotoeléctrico

• Estrategias de resolución de problemas

En anayaeducacion.es

Para motivarte:

• Vídeo: «Antes de empezar».

Para detección previa de ideas:

• Presentación: «Qué necesitas saber».

Para estudiar:

• Presentación: «Para estudiar».

• Simulaciones: «Dispersión de Rutherford: modelos atómicos de Rutherford y de Thomson», «Radiación del cuerpo negro», «Efecto fotoeléctrico», «Penetración mecanicocuántica y paquete de ondas».

Para evaluarte:

• Autoevaluación final.

• Soluciones de las actividades numéricas.

Y, además, toda la documentación necesaria para aplicar las claves del proyecto.

Evolución de los modelos atómicos

Hacia finales del siglo xix se había conseguido realizar una descripción unificada de los fenómenos electromagnéticos. Se había determinado cómo la luz resultaba ser un efecto de la vibración de cargas eléctricas, pero se desconocía la naturaleza de dichas cargas.

1.1. Tubos de descarga

En 1858, J. Plücker estudió la conducción de la electricidad a través de gases sometidos a bajas presiones utilizando un tubo de vidrio en el que colocó dos placas metálicas en los extremos. Plücker observó que todo el tubo se iluminaba al aplicar electricidad en las placas, mientras que cuando se había conseguido suficiente vacío, la luz desaparecía, quedando solo una fluorescencia de color verde en el vidrio cercano a la zona de la placa conectada en el ánodo. Esta luminosidad parecía que podía ser producida por algún tipo de rayos emitidos desde el cátodo y que viajarían de un electrodo a otro dentro del tubo. Durante estas experiencias, también observó cómo la posición de la imagen luminosa podía ser modificada acercando un imán a la zona del ánodo. Varios años más tarde, J. W. Hittorf observó cómo al interponer objetos entre los electrodos se producían «sombras» en la imagen luminosa. Este resultado reforzó la idea del origen catódico de estos rayos.

En 1876, E. Goldstein dio el nombre de «rayos catódicos» a estas luminosidades y además demostró que sus propiedades eran independientes del material de que estuviera constituido el cátodo. Todo parecía indicar que la materia debería estar formada por partículas materiales cargadas eléctricamente.

1.2. Los rayos catódicos

Origen

Una de las primeras teorías sobre el origen de los rayos catódicos fue propuesta por W. Crookes. Para realizar sus experimentos, utilizó el denominado «tubo de Crookes», que consistía en un tubo de vidrio vacío con dos electrodos metálicos (cátodo y ánodo), una fuente de alto voltaje y un gas encerrado en su interior (generalmente, gases nobles o hidrógeno), sometido a bajas presiones (desde 100 mPa hasta 100 nPa).

Crookes estableció que la fluorescencia verdosa que aparecía en la pared de vidrio del tubo opuesta al cátodo era originada por una radiación invisible que procedía de él. Además, fue capaz de desviar los rayos al aplicar un campo magnético, confirmando que el haz se comportaba como si estuviera cargado negativamente.

Primeras experiencias

Las descargas eléctricas a través de gases fueron ya estudiadas por Francis Hauskbee (1660-1713) en 1709 cuando observó la aparición de una «luz» al electrificar un recipiente de vidrio con aire a baja presión. Michael Faraday (1791-1867), en 1838, también realizó experimentos con descargas eléctricas a través de gases «enrarecidos». La conducción eléctrica a través de este tipo de gases llamó notablemente su atención, puesto que los gases en condiciones normales son malos conductores de la corriente eléctrica.

A. Schusler continuó los experimentos colocando placas de metal paralelas a los rayos catódicos y aplicando una diferencia de potencial entre ellas. Al hacer esto, observó que el campo eléctrico desviaba los rayos hacia la placa cargada positivamente, lo que ponía de manifiesto, aún más, el hecho de que los rayos estuvieran constituidos por partículas de carga negativa. En 1890, estimó la relación carga-masa de los componentes de los rayos.

En 1895, J. B. Perrin encontró que los rayos catódicos depositaban carga en un electroscopio, confirmando así, que se trataba de partículas cargadas.

Naturaleza de los rayos catódicos

Para explicar la naturaleza de los rayos catódicos, se plantearon a finales del siglo xix dos líneas de trabajo:

• Considerar los rayos catódicos como un flujo de partículas con carga eléctrica. Esto supone que presentan una naturaleza corpuscular. Sus principales defensores fueron Perrin, Crookes y Thomson.

• Considerar que los rayos catódicos eran «ondas». Esto supone que tienen una naturaleza ondulatoria. Sus principales defensores fueron Hertz, Lenard y Goldstein.

Partiendo de esta situación, ante la controversia creada por la naturaleza (ondulatoria o corpuscular) de los rayos catódicos, J. J. Thomson, junto con J. Townsend y H. Wilson, a partir de 1896, llevaron a cabo experiencias que demostraron que los rayos catódicos eran realmente partículas individuales (corpúsculos) y no ondas como se había supuesto inicialmente.

El experimento de Thomson

Joseph J. Thomson estaba interesado en medir la velocidad de los rayos catódicos. Para medir esta velocidad, hizo pasar los rayos catódicos a través de un campo eléctrico y otro magnético. Observó que las fuerzas eléctrica y magnética ejercidas sobre estas «partículas» eran directamente proporcionales a la relación entre la carga y la masa (la fuerza magnética dependía también de la velocidad). Este experimento le permitió medir con una gran precisión la relación carga-masa de estas partículas.

Joseph John Thomson

J. J. Thomson (1856-1940), físico británico, recibió el Premio Nobel de Física en 1906 por sus estudios acerca del paso de la electricidad a través de los gases. Su hijo, G.P. Thomson (1892-1975) también recibió el mismo galardón en 1937 por sus estudios sobre la difracción de electrones en cristales y la demostración de sus propiedades ondulatorias.

Rayos canales

Los rayos canales fueron descubiertos por Eugen Goldstein (1850-1930) en 1886. Goldstein observó que al producirse una descarga eléctrica en un tubo de Crookes empleando un cátodo perforado, los rayos canales atravesaban las perforaciones desde el ánodo hacia el cátodo, dando lugar a una luminiscencia en la zona posterior de este.

Conclusiones de J. J. Thomson

Experimentando con distintos gases y cátodos, J. J. Thomson llegó a las siguientes conclusiones acerca de los rayos catódicos:

• Los rayos catódicos seguían una trayectoria rectilínea con una velocidad más pequeña que la velocidad de la luz. Este resultado debilitaba la hipótesis ondulatoria, porque una onda electromagnética debería propagarse a la velocidad de la luz (c = 3 · 108 m · s–1).

• Estaban formados por partículas materiales con carga, cuyo tamaño sería pequeño en comparación con el del átomo. Este resultado reforzaba la hipótesis corpuscular.

• El valor de la relación q/m obtenido era unas mil veces mayor que el correspondiente al ion H+. Este resultado sugería que estas partículas tendrían una masa aproximadamente mil veces menor que la del átomo de hidrógeno.

• Los átomos no podían ser indivisibles, estarían formados por partículas de carga negativa. Además, al ser la materia eléctricamente neutra, si existían partículas cargadas negativamente, debía haber otra parte del átomo con carga positiva.

1.3. El descubrimiento del electrón

Tras las experiencias realizadas por J. J.Thomson en las que se confirmaba la existencia de partículas con carga eléctrica negativa y se determinaba la relación carga-masa, hubo que revisar el concepto de átomo como partícula fundamental e indivisible propuesta por Dalton. Se admitió que en su interior existían otras partículas más pequeñas a las que se denominó electrones. De esta manera ya había quedado identificada la primera partícula subatómica: el electrón.

En 1909, Robert Millikan midió la carga del electrón en su experimento de la «gota de aceite», en el que usó un campo eléctrico para frenar la caída de una gota de aceite.

Él midió una carga para el electrón de 1,59 · 10−19 C. Este valor conducía a un valor para la masa del electrón de 9,11 · 10−31 kg, unas 1 837 veces menor que la del átomo más ligero, el átomo de hidrógeno.

Posteriormente, fueron descubiertas otras dos nuevas partículas subatómicas, el protón, en 1919, y el neutrón, en 1932.

Ejercicios

1 Investiga sobre los rayos canales y responde a las siguientes preguntas: a) ¿En qué consisten los rayos canales? b) Establece analogías y diferencias con los rayos catódicos.

2 Establece la relación carga-masa para el protón y el electrón, respectivamente. Compara los resultados. Datos: me = 9,1 · 10−31 kg, mp = 1,67 · 10−27 kg, qe = qp = 1,6 · 10−19 C.

3 Pienso, me interesa, investigo… Los neutrones son parte del átomo, pero no se confirmó su existencia hasta 1932, cuando el físico inglés James Chadwick lo logró. La instalación n_TOF (Neutron Time Of Flight) ha estado operando en el CERN desde 2001, estudiando las interacciones neutrónnúcleo para energías de neutrones que van desde unos pocos meV a varios GeV. Investiga, haciendo uso de la TIC, acerca de algunas de la líneas de trabajo llevadas a cabo en n_TOF.

1.4. Modelo atómico de Thomson

Sobre la base de las hipótesis realizadas en sus trabajos con los rayos catódicos, Thomson fue el primer científico que planteó un modelo sobre la estructura atómica.

Al ser tan pequeña la masa de los electrones, supuso que prácticamente toda la masa del átomo acumulaba la carga positiva ocupando todo el volumen atómico.

Thomson estableció que el átomo estaba formado por una enorme esfera maciza, cargada positivamente, con electrones incrustados en un número suficiente como para neutralizar la carga positiva de la esfera.

El modelo atómico de Thomson pudo explicar de manera cualitativa algunos hechos experimentales, como la electrización por frotamiento y la emisión de luz por los átomos.

Se le denominó también modelo de «pudin de pasas»; la masa del pastel representaría la masa del átomo de carga positiva y las pasas serían los electrones incrustados en la esfera.

1.5. Modelo atómico de Rutherford

Experimento de Rutherford

Tras los experimentos y el planteamiento del modelo atómico de Thomson, Rutherford llevó a cabo un estudio más completo sobre la estructura del átomo.

Rutherford utilizó partículas alfa emitidas por varios materiales radiactivos, debido a que estas partículas tenían una masa aproximadamente 2 000 veces mayor que la de los electrones y, por lo tanto, no deberían ser desviadas de una manera notable por las colisiones con los electrones.

El dispositivo experimental utilizado por Rutherford y sus ayudantes se puede observar en la siguiente figura: utilizaron partículas alfa emitidas por un material radiactivo (polonio) para bombardear una lámina muy delgada de oro (también trabajaron con platino y cobre).

Pantalla fluorescente móvil de ZnS

Zona cargada positivamente

Electrones

Los electrones se distribuyen uniformemente

Pantalla de plomo

A: haces de partículas que atraviesan la lámina sin desviarse.

B: haces de partículas que se desvían de su trayectoria.

C: haces de partículas repelidas.

Montaje del experimento de Rutherford y detalle de la lámina de oro.

Lise Meitner (1878-1968). Física austríaca, descubridora de la fisión nuclear, un logro por el que su compañero de laboratorio Otto Hahn recibió el Premio Nobel de Química en 1944. Es uno de los ejemplos más evidentes de descubrimientos realizados por mujeres y no reconocidos como se merecen.

En 1966, Lise Meitner recibió el Premio Enrico Fermi, en Estados Unidos, por sus contribuciones a la física. En su honor, al elemento químico 109 se le denomina «meitnerio».

El emisor de partículas alfa se colocó en una caja blindada con plomo en la que se realizó un pequeño orificio mediante el cual se consiguió un haz de partículas alfa (el plomo detenía todas las partículas alfa exceptuando las que salían por el orificio).

La lámina de metal se colocó perpendicularmente a la trayectoria del haz. Para la detección de la trayectoria de las partículas, se empleó una pantalla fluorescente de ZnS, que producía pequeños destellos cada vez que una partícula alfa chocaba contra ella.

Colocando la pantalla a diferentes ángulos con respecto al haz, se contaba el número de partículas alfa que se dispersaban en las distintas direcciones.

Resultados e interpretación del experimento de Rutherford Rutherford, basándose en el modelo atómico de Thomson, esperaba que las partículas alfa (cargadas positivamente) atravesaran la lámina sin desviarse, aunque algunas deberían hacerlo al encontrarse con los electrones (el modelo de Thomson explicaba este fenómeno considerando que el tamaño de las partículas alfa era mucho menor que el de los átomos de la lámina metálica).

Sin embargo, cuando Rutherford realizó el experimento junto con Geiger y Marsden, descubrió que la mayor parte de las partículas alfa atravesaban la lámina sin desviarse, algunas se desviaban ligeramente y otras (alrededor de 1 por cada 20 000) lo hacían en ángulos grandes e incluso «rebotaban».

El modelo de Thomson no podía explicar este comportamiento, lo que le llevó a proponer un nuevo módelo atómico en 1911.

Con él se pudo explicar el experimento de las partículas alfa: la mayor parte de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse, debido a que la carga positiva de los átomos estaba concentrada en una región muy pequeña denominada núcleo y podían pasar sin interactuar con él.

Algunas partículas alfa que pasaban cerca del núcleo eran ligeramente desviadas y en muy poca proporción, una partícula chocaba con el núcleo y era repelida fuertemente.

Características del modelo de Rutherford Básicamente, podemos resumir las características del modelo de Rutherford en las siguientes:

• La mayor parte de la masa y toda la carga positiva del átomo están concentradas en una región muy pequeña del átomo a la que denominó núcleo. El resto del átomo es un espacio vacío.

Rutherford pensó que la única explicación para que las partículas alfa fueran repelidas en grandes ángulos era que en el átomo tenía que haber un centro muy pequeño y denso con carga positiva. Propuso que más del 99,9 % de la masa del átomo estaba concentrada en el núcleo, donde se encontraba la carga positiva (protones).

Rutherford fue capaz de estimar el tamaño del núcleo; así, al medir el radio nuclear, obtuvo un valor de 10−14 m (el radio atómico se encontraba en torno a 10−10 m). Esto indicaba que la mayor parte del átomo era prácticamente vacío, el núcleo atómico era 10 000 veces más pequeño que el átomo.

Ernest Rutherford (1871-1937), físico neozelandés dedicó sus primeras investigaciones al electromagnetismo. En 1898 demostró que los rayos X y la radiactividad tenían efectos similares sobre los gases y encontró que al menos había dos tipos diferentes de radiactividad que bautizó como alfa y beta. Por sus trabajos sobre radiactividad y las partículas alfa, recibió el Premio Nobel de Química en 1908. En 1909, Rutherford y sus alumnos H. Geiger y E. Marsden llevaron a cabo un experimento con el objetivo de poner a prueba el modelo atómico de Thomson.

¿Sabías que...?

El físico alemán Hans Geiger (18821945) fue el inventor del contador para detectar y medir la presencia de partículas radiactivas.

• La carga negativa es portada por los electrones y estos están distribuidos alrededor del núcleo y girando en órbitas circulares en las que se cumple que la fuerza eléctrica del núcleo sobre los electrones es la fuerza centrípeta responsable del movimiento circular.

Rayos de neutrones para captar casi todo

El laboratorio europeo ILL en Grenoble alberga una de las fuentes de neutrones más intensas del mundo. Mediante el bombardeo con neutrones se ha determinado la microestructura del primer jabón magnético (muy deseado para poder retirar el detergente del agua después de tratar vertidos marinos) y la nanoestructura de las microfibras de celulosa (importante para la fabricación de biocombustibles).

Interacción electrón-núcleo. Modelo planetario de Rutherford.

Debido a estas dos características y a su analogía con el modelo establecido para el movimiento de los planetas alrededor del Sol, este modelo pasó a llamarse «modelo planetario».

El modelo de Rutherford consideraba al átomo formado por protones en el núcleo y por electrones girando alrededor de él. Sin embargo, los datos de las masas atómicas de los elementos no se podían explicar con este modelo (las masas atómicas estimadas eran menores que las reales). Esto llevó a Rutherford en 1920 a proponer la existencia en el núcleo de partículas sin carga, con la misma masa de los protones, a las que denominó «neutrones» (Chadwick demostró su existencia en 1932).

Limitaciones del modelo de Rutherford

El modelo de Rutherford justificaba los resultados de la dispersión de las partículas alfa, pero presentaba dos grandes inconvenientes:

• Para Rutherford, los electrones giraban a grandes velocidades alrededor del núcleo. Sin embargo, según la teoría electromagnética de Maxwell, los electrones en movimiento tienen que emitir energía de forma continua. El electrón disminuiría así cada vez más su radio orbital, describiendo una espiral hasta colapsar con el núcleo.

• El modelo de Rutherford no permitía explicar los espectros atómicos.

En 1913, Niels Böhr intentó resolver los fallos del modelo de Rutherford, aplicando al análisis de la estructura atómica la teoría cuántica propuesta por Planck en 1900.

Böhr trató de explicar fenomenológicamente que solo algunas órbitas de los electrones serían posibles. Esto permitiría explicar los espectros de emisión y absorción de los átomos en forma de bandas discretas.

Ejercicios

4 El número atómico del azufre es 16. Calcula la carga nuclear del azufre expresada en coulomb.

Dato: carga del electrón: 1,6 · 10−19 C

El giro del electrón haría que este, al liberar energía, se precipitara sobre el núcleo.

5 Sabiendo que la carga nuclear del hierro es de 4,17 · 10−18 C. Calcula: a) el número atómico del Fe, b) ¿cuántos electrones hay en un átomo de Fe?

Dato: carga del electrón: 1,6 · 10−19 C