Teoría Atómica: Dalton y Thomson

• Tema 4: Teoría Atómica

Teorías Atómicas Iniciales

• En la antigua Grecia, se propuso la teoría de los cuatro elementos: agua, aire, tierra y fuego.
• Demócrito introdujo el atomismo, sugiriendo que al dividir la materia repetidamente, se llegaría a una unidad indivisible llamada "átomo".

Teoría Atómica de Dalton (1808)

• La materia está compuesta por átomos invisibles, indivisibles e indestructibles.
• Cada elemento se compone de átomos que poseen la misma masa y tamaño.
• Un compuesto se forma mediante la unión de átomos de diferentes elementos, siguiendo una relación sencilla y constante.

Modelo Atómico de Thomson (1904)

• Antes de ver este modelo, hay que recordar que existen dos tipos de cargas eléctricas: positivas (+) y negativas (-).
• Las cargas del mismo signo se repelen y las de distinto signo se atraen.
• En 1897, Thomson descubrió el electrón (e⁻), la primera partícula subatómica.
• Thomson propuso que el átomo es una esfera de carga positiva en la cual los electrones están incrustados.

Modelo Atómico Nuclear de Rutherford (1911)

• El átomo se compone de un núcleo pequeño con protones (p⁺) y neutrones (nº), que acumula casi toda la masa y tiene carga positiva.
• Los electrones (e⁻) giran en una corteza alrededor del núcleo a gran distancia.
• Los protones tienen una carga de +1.602 × 10⁻¹⁹ C y una masa de 1.6725 × 10⁻²⁷ kg.
• Los neutrones no tienen carga (0) y su masa es de 1.6748 × 10⁻²⁷ kg.
• Los electrones tienen una carga de -1.602 × 10⁻¹⁹ C y una masa de 9.1096 × 10⁻³¹ kg.

Número Atómico y Número Másico

• El número atómico (Z) indica la cantidad de protones en un átomo y es característico de cada elemento.
• El número másico (A) es la suma de protones (Z) y neutrones (N) en un átomo.
• El número de neutrones (N) se calcula como A - Z.
• En un átomo neutro, el número de electrones es igual al número de protones.

Isótopos

• Los isótopos son átomos del mismo elemento con igual número de protones, pero diferente número de neutrones.
• Tienen el mismo número atómico (Z) pero diferente número másico (A).

Masa Atómica de un Elemento

• La unidad de masa atómica (u) se define como la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12 (¹²C).
• Las masas de los demás átomos se miden en comparación con esta unidad.
• La mayoría de los elementos están formados por varios isótopos, cada uno con una masa isotópica diferente.
• La masa atómica de un elemento (Ar) corresponde a la media ponderada de las masas de sus isótopos naturales, teniendo en cuenta sus abundancias.
• Fórmula para calcular la masa atómica: masa atómica = (m₁ ⋅ (%₁) + m₂ ⋅ (%₂) + ...) / 100, donde 'm' representa la masa del isótopo y '%' su abundancia.

Radiactividad

• Descubierta en 1896 por Becquerel y estudiada por Marie Curie.
• Es la emisión espontánea de partículas y radiaciones por núcleos atómicos inestables (radioisótopos), transformándose en núcleos estables.

Tipos de Radiación

• Radiación alfa (α): partículas compuestas por 2 protones y 2 neutrones, con bajo poder de penetración.
• Radiación beta (β): electrones con un gran poder de penetración.
• Radiación gamma (γ): radiación electromagnética sin carga, similar a la luz, pero con mucha más energía y un altísimo poder de penetración.

Radiactividad Natural

• Se origina por rocas radiactivas que contienen radioisótopos, como el ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th, ⁴⁰K y ²²²Rn.
• También por la radiación cósmica, que proviene de explosiones de supernovas.

Período de Semidesintegración (T₁/₂)

• Es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los núcleos radiactivos en una muestra.
• Un isótopo con un T₁/₂ más grande se desintegra más lentamente y es más estable.
• Ejemplos:
  • U-238: 4,500 millones de años
  • C-14: 5,715 años
  • Tc-99: 6 horas

Radiactividad Artificial

• Radioisótopos sintéticos: se obtienen bombardeando átomos con partículas subatómicas, permitiendo sintetizar isótopos y elementos que no existen en la naturaleza.
• Fisión nuclear: se bombardean átomos de U-235 con neutrones, provocando que los núcleos se rompan, liberando energía y varios neutrones que causan una reacción en cadena.
  • Si la reacción no se controla, se produce una bomba atómica (ej: Hiroshima y Nagasaki en 1945).
  • Si se controla, se utiliza en centrales nucleares para generar electricidad. Actualmente, hay casi 500 en el mundo, incluyendo 5 en España.
  • Riesgos: accidentes (como Chernóbil en 1986 y Fukushima en 2011) y la gestión de residuos radiactivos (combustible gastado), que requieren aislamiento y almacenamiento durante cientos o miles de años.
• Fusión nuclear: dos núcleos pequeños chocan y se unen, formando uno mayor y liberando una enorme cantidad de energía, hasta 10 veces más que en la fisión.
  • Si la reacción no se controla, se produce una bomba H.
  • Bajo control, se busca desarrollar centrales nucleares de fusión, las cuales necesitarían millones de grados para funcionar, pero tendrían la ventaja de usar combustibles más baratos y generar menos residuos radiactivos.

Aplicaciones de los Radioisótopos

• Medicina nuclear:
  • Diagnóstico (gammagrafía, PET)
  • Tratamiento del cáncer (radioterapia)
• Fuente de energía:
  • Se utilizan centrales nucleares que emplean la energía liberada por el uranio o el plutonio para producir electricidad.
• Datación:
  • Prueba del C-14 para determinar la antigüedad de objetos históricos y fósiles de hasta 50.000 años.
  • Prueba del U-238 para datar rocas y fósiles de millones de años.