El átomo

Según Demócrito todos los cuerpos del Universo están formados por agregaciones distintas de pequeñísimas partículas indivisibles (átomos, en griego), todas constituidas por el mismo tipo de materia y que sólo difieren unas de otras por su número, forma, tamaño y disposición de tales átomos.

Demócrito

La versión moderna de la teoría atómica fue iniciada por el científico británico John Dalton (1766-1844), quien, en 1807, propuso que la materia del Universo estaba compuesta por un conjunto de átomos, tantos como elementos químicos, que diferían entre sí en la masa pero no en la sustancia de la que estaban constituidos. El átomo está a su vez, compuesto de partículas de materia aún más diminutas. Estas partículas se denominan partículas elementales y en la actualidad se conocen más de 200 tipos. Sólo dos tipos de partículas son las responsables de las propiedades químicas de los átomos, que son las que determinan el modo en que unos átomos se unen a otros para formar agregados mayores, las moléculas. Dalton pensaba que cada elemento estaba constituido por una misma clase de átomos, que eran iguales entre sí, pero distintos a los átomos de otro elemento. La diferencia entre los átomos de los distintos elementos no se debía a que estuvieran compuestos por sustancias distintas, sino a que tenían masas desiguales. Es decir, que un átomo de plomo no estaba compuesto de otra sustancia que uno de hidrógeno; sencillamente, era más denso. Dalton acertó en parte, y en parte se equivocó: todos los átomos están constituidos del mismo tipo de materia (en esto acertó), electrones, protones y  neutrones, pero no se distinguen por su distinta cantidad de masa (aquí se equivocó) sino por el número de protones, neutrones y electrones que los componen.

También habíamos establecido que los átomos contienen, en condiciones normales, igual número de electrones que de protones. De manera que el hidrógeno tiene un electrón, el helio dos, el litio tres, hasta el meitnerio y sus ciento nueve electrones. Ahora bien, mientras que los protones se encuentran sólidamente situados en el núcleo y no pueden ser extraídos de él sin que el átomo se escinda, los electrones, al estar en la periferia, pueden perderse o ganarse. Cuando un átomo gana un electrón  se quiebra el equilibrio eléctrico entre protones y elecrones y queda cargado negativamente, mientras que, a la inversa, si pierde un electrón se cargará positivamente. En ambos casos, el átomo se ioniza; o sea, se convierte en un ion negativo (anión) o positivo (catión). La cantidad de neutrones que puede haber en el núcleo de un átomo es variable, sin que por ello se convierta en otro elemento, es decir sin que cambien sus propiedades químicas. El átomo más frecuente de hidrógeno no tiene ningún neutrón en su núcleo, pero hay átomos de hidrógeno que tienen un neutrón, y es posible obtener artificialmente una variedad de hidrógeno con dos neutrones. A las distintas variantes de los átomos de un elemento, según su número de neutrones, se las llama isótopos. El isótopo del hidrógeno con un neutrón recibe el nombre de deuterio y el isótopo artificial de dos neutrones se llama tritio.

Los electrones fueron descubiertos por el inglés Joseph John Thompson (1856-1940) en 1897, y son tan pequeños que hacen falta alrededor de 1.838 electrones para igualar el peso de un átomo de hidrógeno, el átomo más pequeño. Pero la propiedad más importante de los electrones no es su tamaño, sino el hecho de que presentan carga eléctrica negativa. Los protones fueron descubiertos veintidós años después de los electrones, a partir de un experimento dirigido por el físico británico Ernest Rutherford of Nelson (1871-1937). En dicho experimento, se expuso a átomos de nitrógeno a la acción de la radiactividad. Como resultado, se obtuvieron átomos de oxígeno y unas partículas con carga eléctrica positiva y casi dos mil veces más pesadas que los electrones, los protones. Además de electrones y protones, hay una tercera partícula de gran interés, los neutrones, descubiertos en 1932 por James Chadwick (1891-1974). Estas partículas presentan una masa sólo ligeramente superior a la de los protones pero, tal como indica su nombre, no tienen carga eléctrica.

La mayor parte de la masa del átomo está concentrada en su centro: el núcleo. Rutherford propuso que los electrones se encontraban describiendo órbitas alrededor de este núcleo. Según Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947), la materia no emite o absorbe la energía de manera continua sino en forma de pequeñas unidades discretas de energía llamados cuantos. La luz azul está compuesta de cuantos de mayor energía que los de la luz roja, y los cuantos de la luz ultravioleta son de una energía aún mayor que los de las luz azul.

El modo en el que los electrones se disponen alrededor del núcleo fue explicado correctamente por el físico danés Niels Bohr (1885-1962), por el que recibió el premio Nobel de Física de 1922. En el modelo de Bohr, los electrones no pueden ocupar cualquier posición del espacio en su movimiento en torno del núcleo, sino que se disponen ordenadamente en una serie de capas definidas alrededor del núcleo. Cada una de estas capas tienen distinto nivel energético y la diferencia de energía entre dos capas contíguas es de un cuanto. Esta diferencia va siendo cada vez mayor a medida que se aleja del núcleo. El número de eletrones de las sucesivas capas va aumentando según la regla 2n2, donde n es el número de capa. Entre las capas 1 y 2 hay un salto de energía menos que el existente entre las capas 2 y 3, que a su vez es menor que el existente entre las capas 3 y 4,... Por ejemplo, en la primera capa sólo caben 2 electrones, en la siguiente puede haber un máximo de 8, en la tercera capa 18, 32 en la cuarta, y 50, 72, y 98 electrones, en las capas quinta, sexta y séptima.

Los átomos alcanzan su máxima estabilidad cuando en su capa más externa tienen exactamente ocho electrones. Esta regla cuenta con una excepción en el caso del helio, que sólo tiene dos electrones en su única capa. Pero como en ella sólo caben dos electrones, el átomo de helio tiene su última capa llena de electrones y es muy estable. Los elementos cuyos átomos tienen ocho electrones en su última capa son: el neón, el argón, el kriptón, el xenón y el radón. Estos elementos no están dispuestos a ganar o a ceder ningún electrón.

Para que un electrón pueda pasar de una capa hasta la siguiente de mayor energía debe absorber una cantidad discreta de energía (el cuanto de Planck), que es liberada si el electrón hace el movimiento inverso y regresa a la capa de menor energía. Esta liberación de energía se hace en forma de radiación electromagnética. A un cuanto de energía en forma de radiación electromagnética se le conoce como fotón, por lo que también puede decirse que el electrón emite un fotón al desplazarse hacia una capa de energía más baja. La cantidad de energía liberada será mayor cuanto más alejadas estén del núcleo las capas entre las que se mueve el electrón. De este modo, si un electrón de las capas más lejanas al núcleo pasa a una capa de menor energía, liberará un fotón de alta energía, del tipo del la luz ultravioleta, mientras que un electrón situado en una capa de baja energía que se mueva hacia otra capa aún más cercana al núcleo emitirá un fotón de baja energía, del tipo de la luz infrarroja. Y los electrones de capas intermedias emiten fotones en el espectro de la luz visible.