Estructura del núcleo

Estructura y función del núcleo

A diferencia de los electrones, que son partículas fundamentales, el núcleo se compone de partículas subatómicas más pequeñas conocidas como nucleones. Hay dos tipos de nucleones, protones y neutrones; las propiedades clave de estas partículas subatómicas se enumeran en la tabla siguiente.

Como puedes ver, los protones son la fuente de la carga positiva del núcleo, y cada protón tiene una carga igual pero opuesta a la de un electrón. Por tanto, en los átomos neutros, el número de protones del núcleo siempre es igual al número de electrones que orbitan alrededor del átomo. Quizá te preguntes cómo es posible que un núcleo se mantenga estable, dado que está formado por protones cargados positivamente y agrupados. Estos protones ejercen fuerzas electrostáticas repulsivas entre sí, así que ¿cómo es que el núcleo no se desintegra bajo esta fuerza? Resulta que hay una segunda fuerza fundamental implicada, conocida como Fuerza Fuerte. Esta fuerza actúa entre los protones y los neutrones, manteniéndolos unidos, es la más fuerte de todas las fuerzas fundamentales, alrededor de \(100\) veces más fuerte que la fuerza electromagnética que empuja a los protones a separarse y así los núcleos pueden permanecer densamente empaquetados. Esto explica el papel de los neutrones dentro del núcleo, como partículas sin carga, no afectan a la repulsión electrostática entre protones; sin embargo, aumentan la fuerza de atracción de la Fuerza Fuerte entre los nucleones.

Este equilibrio entre la repulsión electrostática entre los protones y la atracción de la fuerza fuerte entre los protones y los neutrones determina si un núcleo es estable. Los núcleos grandes con muchos protones, conocidos como núcleos ricos en protones, se vuelven inestables cuando la repulsión electrostática empieza a superar a la fuerza de atracción fuerte. Por eso los elementos pesados como el uranio o el plutonio son radiactivos, ya que emiten radiación en un intento de estabilizarse.

Los átomos se caracterizan por el número de protones y neutrones de su núcleo de la siguiente manera. El número atómico \(Z\) determina a qué elemento pertenece un átomo y es igual al número de protones dentro del núcleo. El número másico \(A\) da el número total de nucleones, es decir, protones y neutrones, dentro del núcleo. Se suele indicar como \ce{_Z^AX}\]

donde \(X\) es el símbolo del elemento. Por ejemplo, el carbono-12 contiene \(6\) protones y \(6\) neutrones y se denota \[\ce{_6^12C}\].

Los átomos de un mismo elemento con el mismo número atómico pero distinto número másico se conocen como isótopos.

Como los neutrones no tienen carga, los distintos isótopos tienen propiedades químicas equivalentes; sin embargo, los distintos isótopos pueden tener distintas propiedades radiactivas, dependiendo de si la proporción de protones y neutrones es estable o no. Por ejemplo, el Carbono-12 es completamente estable, pero el Carbono-14 (\ce{6^14C}\) es un núcleo radiactivo.

Tamaño y estructura de los núcleos atómicos

Un núcleo atómico es un objeto extremadamente denso, decenas de miles de veces más pequeño que el propio átomo entero. Una vez más, el tamaño del núcleo viene determinado por el número de protones y neutrones que hay en su interior, no sólo porque los protones y neutrones tienen un volumen distinto de cero, sino también por el equilibrio entre la repulsión electrostática y la atracción de la fuerza fuerte. Los núcleos inestables ricos en protones serán especialmente grandes, ya que la repulsión electrostática obliga a los protones a separarse. Esto puede dar lugar a que los núcleos grandes tengan formas inusuales similares a la de un balón de fútbol americano.

El radio de un núcleo puede variar desde alrededor de \(1,6 veces10^{-15},\mathrm{m}) para el núcleo de hidrógeno de un solo protón hasta alrededor de \(15 veces10^{-15},\mathrm{m}) para núcleos grandes como el uranio. En comparación, el radio de un átomo entero, incluidos los electrones en órbita, suele estar en la escala de \(1 veces10^-10}, \mathrm{m}). Dado que los propios electrones son demasiado pequeños para tener un radio significativo, esto demuestra que el átomo está compuesto casi en su totalidad por espacio vacío. Sin embargo, como veremos cuando analicemos la nube de electrones, la mecánica cuántica nos muestra que, en realidad, los electrones están "esparcidos" por el espacio vacío, y no podemos pensar que sean partículas con un tamaño fijo.

Estructura atómica y configuración de los electrones

Como ya tenemos una idea de la estructura del núcleo y de su papel dentro del átomo, vamos a considerar los electrones dentro de un átomo. Los enlaces químicos entre átomos se deben a la transferencia o compartición de electrones, por lo que los electrones y su estructura son totalmente responsables de las propiedades químicas de un átomo. La estructura electrónica de un átomo puede decirnos con qué facilidad forma enlaces con otros átomos y qué tipo de enlaces formará, por lo que un problema clave de la química física es comprender más profundamente la configuración electrónica de los átomos.

El concepto central de la estructura electrónica es el de nivel de energía o "envoltura" de los electrones. La mecánica cuántica establece que el momento angular y la energía de los electrones deben tomar valores cuantizados fijos, en lugar de tomar un continuo de valores como permite la física clásica. Esto significa que los electrones deben existir siempre dentro de "envolturas" específicas que determinan la energía del electrón. Cuando un átomo es excitado por una fuente de energía, como la radiación electromagnética, los electrones pueden "saltar" un nivel de energía, pero sólo si la energía entrante es igual a la diferencia de energía entre los dos niveles. Del mismo modo, los electrones excitados pueden perder parte de esta energía descendiendo un nivel energético y emitiendo un fotón con una energía igual a la diferencia de energías entre los dos niveles. Este fenómeno de las transiciones electrónicas da lugar a los espectros discretos de emisión y absorción de muchos átomos, en los que la luz emitida o absorbida por los átomos sólo se presenta en longitudes de onda discretas fijas.

Es más, dentro de cada envoltura sólo puede existir un número fijo de electrones, determinado por el número de valores permitidos del momento angular a esa energía. Esto conduce a una estructura fija para los posibles estados de los electrones dentro de un átomo, y estos estados de los electrones se llenan a medida que aumenta el número de electrones en un átomo. Aunque la explicación completa de esta estructura está fuera del alcance de este artículo, veamos algunos de los puntos clave. Esta estructura se describe mediante cuatro "Números Cuánticos" que caracterizan el estado de un electrón:

Gracias al principio de exclusión de Pauli, que establece que no puede haber dos electrones con los mismos números cuánticos, podemos utilizar estos números cuánticos para determinar el número máximo de electrones en un nivel de energía.

Es esta configuración de posibles estados de los electrones la que da lugar a la estructura de la tabla periódica. En concreto, el número de electrones de la capa externa de un átomo indica lo reactivo que será un elemento. Por ejemplo, los elementos altamente reactivos del Grupo 1, como el Litio y el Potasio, tienen todos un único electrón en sus orbitales exteriores \(s\), por lo que son muy reactivos.

Estructura atómica: Nube de electrones

Como se ha mencionado en la sección anterior, aunque a menudo es más fácil pensar en los electrones como pequeños "planetas" que orbitan alrededor del núcleo, con una órbita bien definida, las leyes de la mecánica cuántica nos muestran que las cosas son un poco más complejas que eso. El Principio de Incertidumbre de Heisenberg, una de las leyes fundamentales de la mecánica cuántica, demuestra que no podemos conocer la ubicación precisa de un electrón alrededor de un núcleo.

En lugar de ello, debemos pensar en los electrones no como partículas puntuales en órbitas precisas, sino dentro de nubes de probabilidad alrededor del núcleo, que muestran las regiones donde el electrón se encontraría con mayor probabilidad si hubiera que medir su posición. Estas "nubes" están determinadas por la función de onda cuántica del electrón, y su forma está determinada por el número de momento angular orbital. Es la forma de estos orbitales la que da lugar a la diversidad de enlaces químicos y a algunas de las estructuras moleculares increíblemente complejas de la naturaleza.