Hoy es 10 de diciembre. La profesora de Física y Química comienza la clase anunciando los ganadores de los Premios Nobel de este año. Acaba de leerlo en las noticias. Para introducir el nuevo tema que van a comenzar, pregunta a sus alumnos y alumnas:

«¿Alguien sabe qué es el bosón de Higgs?».

Miguel contesta:

«Es una partícula más pequeña que un átomo».

La profesora aprueba la respuesta de Miguel:

«Efectivamente, el bosón de Higgs es un tipo de partícula subatómica que explica por qué la materia elemental consigue adquirir masa para formar estrellas y planetas. Por su descubrimiento, Peter Higgs recibió el Premio Nobel de Física en 2013».

El tema ha suscitado mucha curiosidad, así que deciden leer la siguiente noticia:

En 1803, el científico británico John Dalton enunció su teoría atómica, según la cual la materia estaba formada por átomos, unas partículas indivisibles.

Llegó a ella tras una serie de estudios experimentales realizados con un gran rigor científico, pero con las técnicas experimentales  de su época.

Al avanzar las técnicas, a finales del siglo XIX y principios del XX, una serie de experimentos mostraron que en el interior del átomo había partículas más pequeñas. Ello obligó a revisar esta teoría atómica con el fin de idear otras que fuesen coherentes con las experiencias.

En 1897, el científico británico J. J. Thomson realizó experiencias en tubos de descarga: pequeños tubos de vidrio que contenían gas a una presión muy baja. Dentro del tubo había dos elementos metálicos conectados a los polos positivo y negativo de una batería eléctrica.

Al analizar las partículas que formaban el rayo, Thomson observó que tenían las mismas propiedades, cualquiera que fuese el gas que estuviese introducido en el tubo. Dedujo, pues, que todos los gases contenían la misma partícula, que llamó electrón, y estableció que:

Lo que sucedía en los tubos de descarga era lo siguiente:

En 1909, en uno de los experimentos más ingeniosos de la historia de la ciencia, Robert Millikan y Harvey Fletcher utilizaron gotitas de aceite en suspensión y midieron su carga. Encontraron que estas cargas para distintas gotitas eran siempre múltiplos de una carga elemental, la carga del electrón:

 q_electrón = –1,6 · 10^–19 C

Comprende el experimento con esta animación:

Poco después, una vez determinada la carga del electrón, su masa pudo ser deducida utilizando la relación carga/masa medida por Thomson, que dio como resultado:

m_electrón = 9,11 · 10^{–31 kg}

La experiencia demuestra que la materia solo manifiesta sus propiedades eléctricas en determinadas condiciones (por ejemplo, después de ser frotada). Debemos pensar, por tanto, que es neutra.

Entonces, si la comunidad científica ha encontrado que en los átomos hay partículas con carga negativa, también deben alojar partículas con carga positiva. Además, cada átomo debe tener tantas cargas positivas como negativas.

En 1918, el científico británico de origen neozelandés Ernest Rutherford descubrió el protón. El protón es una partícula que tiene la misma carga que el electrón, pero positiva, mientras que su masa es unas 1840 veces mayor que la del electrón.

Finalmente, en 1931, el científico británico James Chadwick descubrió que en los átomos había una tercera partícula que no tenía carga eléctrica, pero cuya masa era similar a la del protón; la llamó neutrón.

Así pues, las partículas fundamentales del átomo son:

Recuerda que el culombio (C) es la unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional.

Como estas partículas son muy pequeñas, cuando se trabaja con átomos es adecuado emplear la escala atómica, que utiliza como unidades de masa y de carga, aproximadamente, la masa y la carga de un protón.

Hoy día sabemos que en el átomo hay otras partículas más pequeñas, llamadas quarks , que forman los protones y los neutrones.

Calcula cuánto valen la masa del protón y la masa del electrón en unidades atómicas.

Recuerda:

Escribe la correspondencia entre las unidades.

Masa del protón

Masa del electrón

Los átomos

En 1803, el científico británico John Dalton enunció su teoría atómica, según la cual la materia estaba formada por átomos, unas partículas indivisibles.

Descubrimiento del electrón

En 1897, el científico británico J. J. Thomson realizó experiencias en tubos de descarga: pequeños tubos de vidrio que contenían gas a una presión muy baja. Dentro del tubo había dos elementos metálicos conectados a los polos positivo y negativo de una batería eléctrica.

Al analizar las partículas que formaban el rayo, Thomson observó que tenían las mismas propiedades, cualquiera que fuese el gas que estuviese introducido en el tubo. Dedujo, pues, que todos los gases contenían la misma partícula, que llamó electrón, y estableció que en el interior de todos los átomos hay una o más partículas cargadas negativamente llamadas electrones.

Poco después, en 1909 y 1912, el científico estadounidense Robert Millikan midió la masa y la carga del electrón.

m_electrón = 9,11 · 10^–31 kg;       q_electrón = -1,6 · 10^–19 C

Descubrimiento del protón y del neutrón

En 1918, el científico británico de origen neozelandés Ernest Rutherford descubrió el protón. El protón es una partícula que tiene la misma carga que el electrón, pero positiva, mientras que su masa es unas 1840 veces mayor que la del electrón.

m_protón = 1840 · m_electrón

Finalmente, en 1931, el científico británico James Chadwick descubrió que en los átomos había una tercera partícula que no tenía carga eléctrica, pero cuya masa era similar a la del protón; la llamó neutrón.

La masa y la carga de los átomos

La masa y la carga eléctrica de las partículas presentes en los átomos se muestran en la tabla.

Resumen. El átomo

Señala si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones sobre las partículas del átomo:

Señala cuál de los siguientes valores se corresponde con la masa de un electrón:

Elige la respuesta correcta en cada caso.