Átomo

Se logra una primera aproximación a la compleja realidad de la estructura atómica imaginando el átomo como un sistema planetario cuyo centro está ocupado por el núcleo atómico, y alrededor del cual giran unos corpúsculos (electrones) en órbitas distintas. El tamaño del átomo es extraordinariamente pequeño: su diámetro total es del orden de 10CV2-8 cm, cifrándose el del núcleo en los 10CV2-12 cm. El átomo consta de:
a) un cuerpo central o núcleo donde radica prácticamente toda la masa atómica;
b) uno o varios electrones o cargas elementales de electricidad negativa y de masa 1.850 veces más pequeña que la del átomo de hidrógeno, que se mueven en derredor del núcleo distribuidos en capas o pisos (en realidad, en niveles de energía).
El núcleo está a su vez compuesto esencialmente de dos clases de partículas: unas (protones) con carga de electricidad positiva equivalente a 1,6 x 10CV2-79 culombios; y otras (neutrones) sin carga eléctrica. El número de protones es normalmente igual al de electrones, lo que explica que el átomo en sí sea eléctricamente neutro. Una fuerza de naturaleza especial (fuerza nuclear), que no es gravitatoria ni eléctrica ni magnética, mantiene unidos neutrones y protones, venciendo la repulsión mutua electrostática de estos últimos. En el núcleo tienen su asiento las propiedades de la materia que dependen de la masa, así como los fenómenos radiactivos. El equilibrio eléctrico del átomo se rompe cuando éste pierde electrones, en cuyo caso queda cargado positivamente, o cuando capta electrones, electrizándose entonces con signo negativo. Se designa este fenómeno con el nombre de ionización, y al átomo electrizado se le denomina ion. A cada elemento químico corresponde una configuración atómica típica, determinada por el número de protones, neutrones y capas o niveles de energía (elemento). En la notación simbólica se suelen representar los átomos de los elementos mediante sus símbolos químicos afectados de un subíndice que designa el número de protones (número atómico) y de un exponente que indica la suma de protones y neutrones (índice de masa). Así, el átomo de nitrógeno se escribirá N714. A medida que crece el número atómico y con él el de electrones, aumenta el de órbitas, capas o niveles de energía en que se mueven los electrones. El comportamiento químico de los átomos es función de la capa externa de electrones. Son químicamente activos los átomos cuando:
1.° Poseen una sola capa electrónica y ésta cuenta con un único electrón (caso del hidrógeno).
2.° Tienen dos o más pisos y el periférico no posee ocho electrones.
Correlativamente, los átomos con un solo piso electrónico y dos electrones (helio), y los que tienen dos o más capas y ocho electrones periféricos (gases nobles como neón, argón, criptón, etc.), son químicamente inertes. La actividad química, afinidad y valencia se explican por la tendencia de los átomos a fijar ocho electrones, ni más ni menos, en su capa externa, ora perdiendo, ora captando electrones. Los metales (cuyos átomos tienen uno, dos o tres electrones en su piso externo) los ceden fácilmente para convertir en periférica la penúltima capa de ocho electrones. En cambio, los átomos de cinco, seis y siete electrones exteriores captan con facilidad tres, dos o un electrón, respectivamente, con objeto de completar a ocho su periferia. El número de electrones periféricos o su complemento a ocho constituye la valencia química. Otro factor determinante de la actividad química es el número de capas electrónicas. Los átomos se combinan entre sí de dos modos:
1.° Por electrovalencia (unión polar). Los átomos de 1, 2 ó 3 electrones periféricos ceden éstos a otros átomos con 7, 6 ó 5 electrones en la capa externa, con lo cual las periferias de unos y otros quedan establecidas en ocho electrones. Como el intercambio de electrones implica la ionización con signo opuesto de los átomos que reaccionan, éstos quedan unidos entre sí por atracción electrostática.
2.° Por covalencia. Los átomos con cuatro electrones externos no toman ni ceden electrones, sino que los comparten con los de otros cuerpos, formando pares o dobletes electrónicos. Esta unión es más estable que la polar. Un mismo elemento puede tener distinto número de neutrones sin que se alteren sus propiedades químicas. Los átomos que sólo se diferencian en el número de neutrones (por consiguiente, en su índice de masa), reciben el nombre de isótopos. La estabilidad de los núcleos varía en sentido inverso a su número atómico. Existen elementos de elevado número atómico, como el uranio, que sufren una transformación lenta y continua por vía de emisión de radiaciones, convirtiéndose con el tiempo en otros elementos de número atómico inferior (transmutación de elementos) (radiactividad). En ocasiones la transformación es instantánea, escindiéndose el núcleo, bajo el impacto de neutrones, en núcleos más ligeros y liberando energía y otros neutrones (fisión). Transformación inversa es la fusión, en la que dos núcleos ligeros se unen para dar lugar a otro de mayor número atómico. Tanto en la fisión como en la fusión se registra una pérdida de masa cuyo equivalente es la energía desprendida en la reacción de acuerdo con la relación de Einstein E =mc² (energía = masa x cuadrado de la velocidad de la luz). Cuando alguno de los neutrones liberados de la fisión incide sobre otro núcleo, queda éste escindido con expulsión de neutrones; uno o varios de éstos pueden a su vez provocar otra escisión de núcleos, y así sucesivamente, con lo que en un instante se multiplica en forma fabulosa la energía desprendida. Se está entonces en presencia de una reacción en cadena, que puede ser incontrolada como ocurre con las bombas atómicas, o dirigida, según sucede en las pilas atómicas, gracias a la presencia de un elemento moderador. Las pilas o reactores atómicos se emplean corrientemente para la obtención de energía eléctrica destinada al consumo industrial o como fuente de energía para barcos y submarinos, estudiándose en la actualidad las posibles aplicaciones en otras clases de vehículos, a pesar de las inherentes dificultades técnicas de disminuir el volumen de la protección biológica. Los reactores atómicos también son empleados para la obtención de isótopos que, por ser radiactivos y tener, no obstante, las mismas propiedades químicas del elemento original, son de gran importancia en la técnica y en la medicina.