Mejor respuesta
La masa de un átomo de un elemento es la suma total de la masa de todos los protones y la de todos los neutrones Masa de los electrones es insignificante
Hay un solo protón y una sola elección en el átomo de hidrógeno y no hay neutrón
Entonces, masa de un átomo de hidrógeno = masa de un protón + masa de un electrón
Todos los demás elementos tienen más protones y neutrones que el del hidrógeno
Por lo tanto, el hidrógeno es el elemento más ligero de la tabla periódica.
Respuesta
Los átomos son pequeños. Realmente muy pequeño. Probablemente hayas escuchado que la materia está hecha de manojos de estas cosas diminutas. Probablemente también sepa que no puede verlos a simple vista. Se nos dice que confiemos en la idea de que los átomos están ahí, interactuando entre sí y siendo bloques de construcción para nuestro mundo.
Sin embargo, para la mayoría de las personas, eso no es lo suficientemente bueno. La ciencia se enorgullece de la forma en que utiliza observaciones reales para resolver los misterios del universo, entonces, ¿cómo llegamos a la conclusión de que los átomos existen y qué hemos aprendido sobre estas estructuras diminutas?
Podría parecer como si hubiera una forma sencilla de demostrar que los átomos existen: póngalos bajo el microscopio. Pero este enfoque no funcionará. De hecho, incluso los microscopios de enfoque de luz más potentes no pueden visualizar átomos individuales. Lo que hace que un objeto sea visible es la forma en que desvía las ondas de luz visibles. Los átomos son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz visible que los dos realmente no interactúan. Dicho de otra forma, los átomos son invisibles a la luz. Sin embargo, los átomos tienen efectos observables en algunas de las cosas que podemos ver.
La luz visible no puede revelar átomos individuales (Crédito: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
La luz visible no puede revelar átomos individuales (Crédito: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Hace cientos de años, en 1785, el científico holandés Jan Ingenhousz estaba estudiando un extraño fenómeno que no podía entender. Minúsculas partículas de polvo de carbón se lanzaban sobre la superficie de un poco de alcohol en su laboratorio.
Incluso los microscopios de enfoque de luz más potentes no pueden visualizar átomos individuales
Aproximadamente 50 años después , en 1827, el botánico escocés Robert Brown describió algo curiosamente similar. Tenía su microscopio enfocado en algunos granos de polen. Brown notó que algunos de los granos liberaban partículas diminutas, que luego se alejaban del grano de polen en una danza nerviosa aleatoria.
Al principio, Brown se preguntó si las partículas eran realmente algún tipo de organismo desconocido. Repitió el experimento con otras sustancias como polvo de roca, que sabía que no estaba vivo, y volvió a ver el mismo movimiento extraño.
La ciencia tardaría casi otro siglo en ofrecer una explicación. Einstein llegó y desarrolló una fórmula matemática que predeciría este tipo de movimiento muy particular, para entonces llamado movimiento browniano, en honor a Robert Brown.
La teoría de Einstein era que las partículas de los granos de polen se movían alrededor porque chocaban constantemente con millones de moléculas de agua más pequeñas, moléculas que estaban hechas de átomos.
Puede resultar una sorpresa que los átomos se puedan descomponer, especialmente porque «átomos» significa «indivisible»
«Explica este movimiento de sacudidas que ves como causado por el impacto de moléculas de agua individuales en las partículas de polvo o lo que sea que tengas en tu líquido», explica Harry Cliff en el Universidad de Cambridge, quien también es curador del Museo de Ciencias de Londres.
En 1908, las observaciones respaldadas con cálculos habían confirmado que los átomos eran reales. En aproximadamente una década, los físicos podrían llegar más lejos. Al separar átomos individuales, comenzaron a tener una idea de su estructura interna.
Puede resultar una sorpresa que los átomos se puedan descomponer, sobre todo porque el mismo nombre de átomo deriva del término griego «átomos». , que significa «indivisible». Pero los físicos ahora saben que los átomos no son bolitas sólidas. Es mejor pensar en ellos como pequeños sistemas eléctricos, «planetarios». Por lo general, se componen de tres partes principales: protones, neutrones y electrones. Piense en los protones y neutrones como si juntos formaran un «sol», o núcleo, en el centro del sistema. Los electrones orbitan este núcleo, como los planetas.
Los átomos están formados por partículas más pequeñas (Crédito: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Los átomos están formados por partículas más pequeñas (Crédito : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Si los átomos son increíblemente pequeños, estas partículas subatómicas lo son aún más. Curiosamente, la primera partícula que se descubrió fue en realidad la más pequeña de las tres: el electrón.
Para tener una idea de la diferencia de tamaño aquí, los protones en el núcleo son en realidad alrededor de 1.830 veces más grandes que los electrones . Imagínese una pequeña canica orbitando un globo aerostático; ese es el tipo de discrepancia de la que estamos hablando aquí.
Es uno de los primeros aceleradores de partículas en cierto modo
Pero, ¿cómo sabemos que esas partículas están ahí? La respuesta es porque, aunque sean pequeñas, pueden tener un gran impacto. El físico británico que descubrió los electrones, JJ Thomson, utilizó un método particularmente llamativo para probar su existencia en 1897.
Su dispositivo especial se llamaba tubo de Crookes, un trozo de vidrio con forma divertida del que casi todo el aire fue succionado por una máquina. Luego, se aplicó una carga eléctrica negativa a un extremo del tubo. Esta carga fue suficiente para despojar a las moléculas de gas restantes en el tubo de algunos de sus electrones. Los electrones tienen carga negativa, por lo que volaron por el tubo hacia el otro extremo. Gracias al vacío parcial, esos electrones pudieron dispararse a través del tubo sin que ningún átomo grande se interpusiera en su camino.
La carga eléctrica hizo que los electrones se movieran muy rápidamente, alrededor de 37,000 millas por segundo (59,500 kilómetros). por segundo), hasta que se estrellaron contra el vidrio en el extremo más alejado, golpeando aún más electrones asociados con los átomos allí. Sorprendentemente, las colisiones entre estas partículas asombrosamente diminutas generaron tanta energía que crearon un fantástico resplandor verde-amarillo.
Un tubo de Crookes con metal en forma de cruz de Malta (Crédito: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
Un tubo Crookes con metal en forma de cruz de Malta (Crédito: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
“Es uno de los primeros aceleradores de partículas en cierto modo”, dice Cliff. “Está acelerando los electrones de un extremo al otro del tubo y golpean la pantalla en el otro extremo y dan este brillo fosforescente”.
El descubrimiento del electrón sugirió que había más que aprender sobre los átomos
Debido a que Thomson descubrió que en realidad podía dirigir los haces de electrones con imanes y campos eléctricos, sabía que no eran solo rayos de luz extraños, tenían que ser partículas cargadas.
Y si se está preguntando cómo estos electrones podrían volar independientemente de sus átomos, eso se debe a un proceso llamado ionización, en el que, en este caso, una carga eléctrica cambia la estructura del átomo al empujar esos electrones hacia el espacio circundante.
De hecho, es debido a que los electrones se manipulan y mueven con tanta facilidad que los circuitos eléctricos son posibles. Los electrones en un cable de cobre viajan en un movimiento similar a un tren de un átomo de cobre al siguiente, y es el que lleva la carga a través del cable hasta el otro extremo. Los átomos, vale la pena señalar nuevamente, no son pequeños pedazos sólidos de materia, sino sistemas que pueden modificarse o sufrir cambios estructurales.
Las bombillas brillan debido al flujo de electrones (Crédito: Feng Yu / Alamy Stock Foto)
Las bombillas brillan debido al flujo de electrones (Crédito: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Pero el descubrimiento del electrón sugirió que había más que aprender sobre los átomos. El trabajo de Thomson reveló que los electrones tienen carga negativa, pero sabía que los átomos en sí mismos no tenían carga general. Razonó que debían contener misteriosas partículas cargadas positivamente para cancelar los electrones cargados negativamente.
Había demostrado la existencia de un núcleo denso dentro del átomo
Experimentos a principios del siglo XX. Century identificó esas partículas cargadas positivamente y al mismo tiempo reveló la estructura interna del átomo similar al sistema solar.
Ernest Rutherford y sus colegas tomaron una lámina de metal muy delgada y la pusieron bajo un haz de radiación con carga positiva: una corriente de pequeñas partículas. La mayor parte de la poderosa radiación atravesó, tal como Rutherford pensó que haría, dado lo delgada que era la lámina. Pero sorprendentemente, parte de ella se recuperó.
Rutherford razonó que los átomos en la lámina de metal deben contener áreas pequeñas y densas con una carga positiva; nada más tendría el potencial de reflejar la radiación a una intensidad tan fuerte la licenciatura. Había encontrado las cargas positivas en el átomo y, al mismo tiempo, demostró que todas estaban agrupadas en una masa compacta de una manera que los electrones no lo están. En otras palabras, había demostrado la existencia de un núcleo denso dentro del átomo.
El físico de Cambridge James Chadwick estaba desesperado por descubrir el neutrón
Sin embargo, todavía existía un problema. A estas alturas, se podría estimar la masa de los átomos. Pero dado lo que se sabía sobre el peso de una partícula en el núcleo, la idea de que todas estuvieran cargadas positivamente no tenía sentido.
“El carbono tiene seis electrones y, por lo tanto, seis protones en el núcleo – seis cargas positivas y seis cargas negativas ”, explica Cliff. “Pero el núcleo de carbono no pesa seis protones, pesa [el equivalente a] 12 protones”.
Al principio se pensó que las otras seis partículas nucleares tendrían la misma masa que los protones pero serían con carga neutra: neutrones. Pero nadie pudo probar esto. De hecho, los neutrones no se descubrieron realmente hasta la década de 1930.
Todo lo que nos rodea está hecho de átomos (Crédito: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Todo lo que nos rodea está hecho de átomos (Crédito: Magictorch / Alamy Stock Photo)
El físico de Cambridge James Chadwick estaba desesperado por descubrir el neutrón. Llevaba años trabajando en la teoría. En 1932, hizo un gran avance.
En la década de 1930 habíamos descubierto mucho sobre los átomos, pero nadie había producido una imagen directa de uno
Unos años antes, otros físicos habían estado experimentando con radiación. Dispararon radiación con carga positiva, del mismo tipo que Rutherford había utilizado para descubrir el núcleo, a los átomos de berilio. El berilio expulsó radiación propia: radiación que no tenía carga ni positiva ni negativa, y que podía penetrar mucho a través del material.
En ese momento, otros ya habían descubierto que la radiación gamma era neutra y profundamente penetrante. , por lo que los físicos asumieron que esto es lo que liberaban los átomos de berilio. Pero Chadwick no estaba convencido.
Él mismo generó parte de la nueva radiación y la apuntó a una sustancia que sabía que era rica en protones. Inesperadamente, los protones fueron lanzados al aire lejos del material como si hubieran sido golpeados por partículas con la misma masa, como bolas de billar golpeadas por otras bolas de billar.
La radiación gamma no puede desviar protones De esta manera, Chadwick se dio cuenta de que las partículas en cuestión aquí debían tener la misma masa que el protón pero carecían de su carga eléctrica: eran neutrones.
Todos los bits clave del átomo se habían descubierto, pero el La historia no se detiene ahí.
Incluso puedes averiguar cómo se ven los átomos pinchándolos
Aunque habíamos descubierto mucho más acerca de los átomos que antes, todavía eran difíciles de visualizar. Y en la década de 1930, nadie había producido una imagen directa de uno, que es lo que mucha gente querría ver para aceptar realmente que están allí.
Sin embargo, es importante destacar las técnicas que había sido utilizado por científicos como Thomson, Rutherford y Chadwick, allanaría el camino para nuevos equipos que eventualmente nos ayudarían a producir esas imágenes. Los haces de electrones que Thomson generó en su experimento del tubo de Crookes resultaron particularmente útiles.
Hoy en día, los microscopios electrónicos generan haces similares, y el más poderoso de estos microscopios puede crear imágenes de átomos individuales. Esto se debe a que un haz de electrones puede tener una longitud de onda miles de veces más corta que un haz de luz; de hecho, es tan corta que las ondas de electrones pueden ser desviadas por átomos diminutos para generar una imagen de una manera que los haces de luz no pueden.
Neal Skipper, del University College de Londres, dice que estas imágenes son útiles para las personas que desean estudiar la estructura atómica de sustancias especiales, por ejemplo, las que se utilizan para fabricar baterías para automóviles eléctricos. Cuanto más sepamos sobre su estructura atómica, mejor podremos diseñarlos para que sean eficientes y confiables.
Los microscopios de fuerza atómica pueden mostrarnos átomos individuales (Crédito: Flirt / Alamy Stock Photo)
Los microscopios de fuerza atómica pueden mostrarnos átomos individuales (Crédito: Flirt / Alamy Stock Photo)
Incluso puedes averiguar cómo se ven los átomos pinchándolos. Así es esencialmente como funciona la microscopía de fuerza atómica.
En un líquido, a medida que lo calientas, puedes ver que los átomos tienen configuraciones más desordenadas
La idea es traer la punta de una sonda extremadamente pequeña cerca de la superficie de una molécula o de la superficie de un material. En lugares tan cercanos, la sonda será sensible a la estructura química de lo que sea que esté apuntando, y el cambio en la resistencia a medida que se mueve a través de ella permite a los científicos producir imágenes de cómo se ve, por ejemplo, una molécula individual.
Recientemente, los investigadores publicaron maravillosas imágenes de una molécula antes y después de una reacción química utilizando este método.
Skipper agrega que muchas investigaciones atómicas actuales exploran cómo cambia la estructura de las cosas cuando se produce una alta presión , o temperatura extrema, se aplica. La mayoría de la gente sabe que cuando un material se calienta, a menudo se expande. Ahora es posible detectar los cambios atómicos que ocurren, lo que hace que esto sea posible.
«En un líquido, a medida que lo calientas, puedes ver que los átomos tienen configuraciones más desordenadas», dice Skipper. «Puede ver eso directamente en el mapa estructural».
Skipper y otros físicos también pueden trabajar con átomos utilizando los haces de neutrones identificados por primera vez por Chadwick en la década de 1930.
Puede identificar átomos detectando solo la energía de los rayos gamma
“Lo que hacemos mucho es disparar rayos de neutrones a grupos de materiales y, a partir del patrón de dispersión que emerge, puedes darte cuenta de que estabas dispersando neutrones desde el núcleo ”, dice. «Puedes calcular la masa y el tamaño aproximado del objeto que estaba haciendo la dispersión».
Pero los átomos no siempre están sentados allí, tranquilamente estables, esperando ser examinados. A veces se están descomponiendo, lo que significa que son radiactivos.
Hay muchos elementos radiactivos naturales. El proceso genera energía, que forma la base de la energía nuclear y de las bombas nucleares. La investigación de los físicos nucleares generalmente implica tratar de comprender mejor las reacciones en las que el núcleo sufre cambios fundamentales como estos.
Los átomos de uranio se pueden dividir en dos (Crédito: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Los átomos de uranio se pueden dividir en dos (Crédito: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Laura Harkness-Brennan de la Universidad de Liverpool se especializa en el estudio de los rayos gamma, un tipo de radiación emitida por la descomposición átomos. Un átomo radiactivo de un tipo determinado genera una forma específica de rayos gamma. Eso significa que puede identificar los átomos detectando solo la energía de los rayos gamma, y esto es exactamente lo que hace Harkness-Brennan en su laboratorio.
No solo hemos descubierto qué son los átomos, nos hemos dado cuenta que son estructuras maravillosamente complejas
“Los tipos de detectores que usarías son detectores que te permiten medir tanto la presencia de radiación como la energía de la radiación que se está depositando”, dice ella. «Y eso se debe a que todos los núcleos tienen una huella dactilar característica».
Debido a que puede haber todo tipo de átomos presentes en un área donde se detecta radiación, especialmente después de una gran reacción nuclear de algún tipo, es importante saber con precisión qué isótopos radiactivos están presentes. Este tipo de detección se realiza comúnmente en plantas de energía nuclear o áreas donde ha habido desastres nucleares.
Harkness-Brennan y sus colegas ahora están trabajando en sistemas de detección que se pueden instalar en tales lugares para mostrar , en tres dimensiones, donde la radiación podría estar presente en una habitación en particular. «Lo que quieres hacer es tener técnicas y herramientas que te permitan tomar imágenes de un espacio tridimensional y decirte en esa habitación, en esa tubería, ahí es donde está la radiación», dice.
Dado lo pequeño que es el átomo es sorprendente la cantidad de física que podemos sacar de él
También es posible visualizar la radiación en una «cámara de niebla». Este es un experimento especial en el que el vapor de alcohol, enfriado a -40 ° C, se desplaza en una nube alrededor de una fuente radiactiva. Las partículas cargadas de radiación que se alejan de la fuente eliminan los electrones de las moléculas de alcohol. Esto hace que el alcohol se condense en líquido alrededor del camino de la partícula emitida. Los resultados de este tipo de detección son realmente sorprendentes.
No solo hemos descubierto qué son los átomos, nos hemos dado cuenta de que son estructuras maravillosamente complejas que pueden sufrir cambios asombrosos, muchos de los cuales ocurren naturalmente. Y al estudiar los átomos de esta manera, hemos podido mejorar nuestras tecnologías, aprovechar la energía de las reacciones nucleares y comprender mejor el mundo natural que nos rodea. También hemos podido protegernos mejor de la radiación y descubrir cómo cambian los materiales cuando se colocan en condiciones extremas.
Harkness-Brennan lo expresa bien: “Dado lo pequeño que es el átomo, es sorprendente la cantidad de física que podemos salir de él ”.
Todo lo que podemos ver a nuestro alrededor está hecho de estas pequeñas cosas. Es bueno saber que están ahí abajo, haciendo que todo sea posible.