Dentro del átomo
El átomo consta de dos partes principales: el núcleo y el área que rodea al núcleo llamada nube de electrones . La mayor parte de la masa del átomo es el núcleo porque alberga protones y neutrones. Cada una de estas partículas tiene una masa de aproximadamente 1,67 x 10-27 kg. Quizás se pregunte cómo esta masa extremadamente pequeña puede incluso considerarse más grande que un electrón. Está. La masa de un electrón es 9,109 x 10 -31 kg, que es más de 1700 veces más pequeña que un protón o un neutrón. Dado que las masas de estas partículas subatómicas son tan pequeñas, normalmente definimos la masa de un protón y un neutrón como 1 unidad de masa atómica , o AMU, que es el promedio aproximado de la masa en reposo del protón y la masa en reposo del neutrón.
El culombio es la unidad de carga eléctrica y los electrones tienen una carga de -1,6 x 10 -19 C. Los protones tienen la misma carga eléctrica, pero positiva. Una vez más, es complicado trabajar con un número tan pequeño, por lo que definimos la carga de un electrón como aproximadamente -1. Los protones, por tanto, tienen una carga de +1. Los neutrones no tienen carga eléctrica.
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Un nucleido es una versión específica de un elemento definido por cómo está constituido su núcleo. El formato para representar la masa y la carga eléctrica en un nucleido se muestra en la Figura 1. X representa el símbolo del elemento, N representa la masa del nucleido (protones + neutrones) y Z representa la carga nuclear (número de protones) .
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Conservación de Masa y Carga Eléctrica.
Ahora que conocemos las partes básicas del átomo y cómo representar la masa y la carga eléctrica de cualquier nucleido, cambiaremos nuestro enfoque hacia dos leyes de conservación: la conservación de la masa y la conservación de la carga eléctrica. La masa y la carga eléctrica no pueden crearse ni destruirse; siempre se debe dar cuenta de su paradero. Piense en ello como una versión atómica de la contabilidad monetaria. En lugar de realizar un seguimiento de dónde va el dinero, estamos rastreando la masa y la carga de un nucleido a medida que cambia.
Cuando la proporción de neutrones a protones de un núcleo no está en el rango de 1: 1 a 1,5: 1, es inestable o radiactivo . Un núcleo radiactivo se desintegra espontáneamente y desprende una variedad de partículas. Aunque finalmente se descubrieron otros tipos de emisiones, hay tres partículas básicas y un tipo de radiación electromagnética que normalmente se emiten desde el núcleo. La única partícula emitida que tiene una masa significativa se llama partícula alfa (α). Tiene una masa de 4 AMU y una carga eléctrica de +2, y es básicamente lo mismo que el núcleo de un átomo de helio. Hay dos cargas sin masa que pueden ser expulsadas por el núcleo. Una es una partícula beta-menos (Β – ) que tiene una carga -1, y la otra es unapartícula beta-plus (Β + ) que tiene una carga +1. Un rayo gamma (γ) es energía de radiación electromagnética pura que no tiene masa ni carga eléctrica.
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Veamos algunos ejemplos de cómo se puede rastrear la masa y la carga cuando un núcleo cambia debido a su descomposición usando una ecuación nuclear.
Decaimiento alfa
El uranio-238 se descompone en torio-234. Los números después del símbolo del elemento son los números de masa y observe que 238 y 234 no son iguales. Faltan 4 AMU. Podemos explicar esta masa porque el U-238 sufre una desintegración alfa y una ecuación nuclear muestra cómo se conserva la masa y la carga eléctrica.
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Los números de masa ubicados en los espacios superiores muestran una conservación de la masa, y los números de carga nuclear ubicados en los espacios inferiores muestran una conservación de la carga eléctrica.
Decaimiento beta menos
El plomo-210 es radiactivo y se desintegra en bismuto-210 a través de la desintegración beta-menos. La masa en esta transmutación (el cambio de un elemento a otro) es la misma, pero diferentes elementos tienen diferentes cargas nucleares, por lo que debemos tener en cuenta esta discrepancia en la carga eléctrica.
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Observe que la masa del lado izquierdo de la ecuación es igual a la masa total de ambas partes del lado derecho de la ecuación. Los cargos también se conservan.
Decaimiento Beta-plus
El magnesio-23 es radiactivo y sufre una desintegración beta-plus y se convierte en sodio-23. Al igual que en la desintegración beta-menos, la masa no cambia, pero un elemento que cambia a otro da como resultado un cambio de carga nuclear.
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Observe que la masa y la carga eléctrica se conservan.
Decaimiento gamma
El bario-137 es el nucleido que resulta de la desintegración beta-menos del cesio-137. El Ba-137 tiene demasiada energía, pero por lo demás es estable, por lo que emite un rayo gamma sin masa y sin carga.
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¿Conservación de masa y carga eléctrica? ¡Si!
Fisión y fusión
Cuando un átomo pesado absorbe un neutrón, se divide inmediatamente en un proceso llamado fisión , mediante el cual se producen nuevos átomos junto con los neutrones.
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Observe que la masa de todos los productos, incluidos los cuatro neutrones, es igual a la masa del núcleo radiactivo original U-236, y que todas las cargas también se equilibran.
Una reacción nuclear de fusión es un proceso en el que dos átomos ligeros se combinan para formar un átomo más pesado y un neutrón.
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Una vez más, podemos ver que se conservan tanto la masa como la carga.
Resumen
La conservación de la masa y la carga eléctrica son conceptos importantes en la ciencia. Los protones y los neutrones tienen 1 AMU de masa y están en el núcleo. Los protones tienen una carga de +1 y los neutrones son neutrales. Cuando un átomo es radiactivo, puede emitir una variedad de partículas para estabilizarlo. Entre estas partículas se encuentran las partículas alfa (α), beta-menos (Β – ) y beta-plus (Β + ). De esos tres, la partícula alfa es la única que tiene masa. La radiación gamma (γ) no tiene masa ni carga. Es pura energía electromagnética que un núcleo puede emitir para que un núcleo baje su estado energético. Cuando se emiten estas partículas, la masa y la carga del núcleo cambian, pero la liberación de partículas específicas asegura la conservación general de la masa y la carga.
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