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Introducción
Nadie ha visto un átomo a simple vista. Todo lo que sabemos de ellos procede de experimentos y de modelos: representaciones que explican lo observado y que se cambian cuando aparece un experimento que no encaja. En esta lección recorrerás los modelos atómicos más importantes y aprenderás cómo está formado un átomo y cómo se cuentan sus partículas.
Explicación
Los modelos atómicos
Dalton (1808): la materia está formada por átomos indivisibles; los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí y distintos de los de otros elementos.
Thomson (1904): tras descubrir el electrón (1897), propone que el átomo es una esfera de carga positiva con los electrones incrustados, como las pasas en un bizcocho (modelo del «pudin de pasas»). El átomo ya no es indivisible.
Rutherford (1911): al bombardear una lámina de oro muy fina con partículas alfa, casi todas la atraviesan, pero unas pocas se desvían mucho o rebotan. Concluye que el átomo está casi vacío y que tiene un núcleo muy pequeño, con la carga positiva y casi toda la masa, y una corteza donde giran los electrones.
Bohr (1913): los electrones solo pueden girar en ciertas órbitas, cada una con una energía determinada (niveles de energía). Un electrón puede saltar de un nivel a otro absorbiendo o emitiendo energía.
Modelo actual (mecánico-cuántico): no se puede conocer la trayectoria exacta del electrón; solo la zona donde es más probable encontrarlo (orbital).
Estructura del átomo
En el núcleo: protones (carga positiva) y neutrones (sin carga). Tienen una masa parecida.
En la corteza: electrones (carga negativa), con una masa unas 1 800 veces menor que la del protón.
Para describir un átomo se usan dos números:
Número atómico (Z): número de protones. Identifica al elemento: todos los átomos de carbono tienen Z = 6.
Número másico (A): número de protones más neutrones. Por tanto, neutrones = A − Z.
En un átomo neutro, el número de electrones es igual al de protones. Un ion es un átomo que ha ganado o perdido electrones: si pierde electrones queda con carga positiva (catión, por ejemplo Na⁺); si gana electrones queda con carga negativa (anión, por ejemplo Cl⁻). Los protones no cambian nunca al formar un ion.
Los isótopos son átomos del mismo elemento (igual Z) con distinto número de neutrones (distinto A). Por ejemplo, el carbono-12 y el carbono-14 tienen 6 protones, pero 6 y 8 neutrones, respectivamente.
Ejemplo
Ejemplo 1. El sodio tiene Z = 11 y A = 23. ¿Cuántas partículas tiene el átomo neutro y el ion Na⁺?
Protones = Z = 11. Neutrones = A − Z = 23 − 11 = 12. Electrones del átomo neutro = 11. El ion Na⁺ tiene una carga positiva porque ha perdido un electrón: tiene 11 protones, 12 neutrones y 11 − 1 = 10 electrones.
Ejemplo 2. El cloro tiene Z = 17 y A = 35. El ion Cl⁻ tiene 17 protones, 35 − 17 = 18 neutrones y, como ha ganado un electrón, 17 + 1 = 18 electrones.
Ejercicios
Un átomo tiene número atómico Z = 8 y número másico A = 17. ¿Cuántos neutrones tiene en su núcleo?
En el experimento de Rutherford, ¿qué observación le llevó a proponer que el átomo tiene un núcleo muy pequeño y está casi vacío?
Material adicional
Las leyes de Newton
La dinámica estudia las causas del movimiento: las fuerzas. Las tres leyes de Newton son los pilares de la mecánica clásica y explican cómo las fuerzas afectan al movimiento de los cuerpos.
Primera ley de Newton (Ley de la inercia)
«Todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a menos que actúe sobre él una fuerza neta que lo obligue a cambiar su estado.»
En otras palabras: si la fuerza resultante sobre un cuerpo es cero, el cuerpo no cambia su estado de movimiento. Si estaba en reposo, sigue en reposo. Si se movía con velocidad constante, sigue moviéndose igual.
📘 Ejemplo resuelto
¿Por qué cuando un autobús frena bruscamente los pasajeros se inclinan hacia delante?
Por la inercia: el cuerpo de los pasajeros tiende a seguir moviéndose hacia delante (manteniendo su estado de movimiento), mientras que el autobús se detiene. Por eso es fundamental usar el cinturón de seguridad.
Segunda ley de Newton (Ley fundamental)
«La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa.»
🔬 Fórmula clave
F = m · a
donde F = fuerza resultante (N), m = masa (kg), a = aceleración (m/s²).
1 N = 1 kg · 1 m/s²
📘 Ejemplo resuelto
Una fuerza de 200 N actúa sobre un cuerpo de 50 kg. ¿Qué aceleración adquiere?
F = m · a → a = F / m = 200 / 50 = 4 m/s²
📘 Ejemplo resuelto
Un coche de 1 000 kg acelera de 0 a 72 km/h (= 20 m/s) en 10 s. ¿Qué fuerza neta actúa sobre él?
a = (v − v₀) / t = (20 − 0) / 10 = 2 m/s² F = m · a = 1 000 × 2 = 2 000 N
Tercera ley de Newton (Acción y reacción)
«Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este segundo cuerpo ejerce sobre el primero una fuerza de igual módulo y dirección pero de sentido contrario.»
Las fuerzas siempre actúan por pares (acción-reacción). Estas fuerzas se aplican sobre cuerpos diferentes, por lo que no se anulan entre sí.
📘 Ejemplo resuelto
Cuando caminas, tu pie empuja el suelo hacia atrás (acción). El suelo empuja tu pie hacia delante (reacción), y eso es lo que te permite avanzar. Sin esta reacción, como ocurre sobre hielo muy resbaladizo, no podrías caminar.
Aplicaciones de las leyes de Newton
Para resolver problemas de dinámica:
1. Dibujar el diagrama de fuerzas (todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo). 2. Elegir un sistema de referencia (ejes x e y). 3. Aplicar la segunda ley de Newton en cada eje: ΣF = m · a. 4. Resolver las ecuaciones.
📘 Ejemplo resuelto
Un bloque de 10 kg se desliza por una superficie horizontal sin rozamiento bajo la acción de una fuerza horizontal de 30 N. Calcula su aceleración.
Fuerzas en el eje x: F = 30 N (la única fuerza horizontal) F = m · a → a = F / m = 30 / 10 = 3 m/s²
Fuerzas en el eje y: N − P = 0 (el bloque no se mueve verticalmente) N = m · g = 10 × 9,8 = 98 N (la normal equilibra el peso).
⚠️ Importante
Las fuerzas de acción y reacción nunca se aplican sobre el mismo cuerpo. La acción se aplica sobre un cuerpo y la reacción sobre el otro. Por eso no se anulan.
✏️ Ejercicios
1. Enuncia las tres leyes de Newton con tus propias palabras.
2. ¿Qué le ocurre a un cuerpo si la fuerza resultante sobre él es cero? ¿Qué ley lo explica?
3. Calcula la aceleración de un cuerpo de 25 kg sobre el que actúa una fuerza neta de 75 N.
4. ¿Qué fuerza se necesita para que un cuerpo de 80 kg adquiera una aceleración de 1,5 m/s²?
5. Un coche de 1 200 kg frena con una deceleración de 5 m/s². ¿Cuál es la fuerza de frenado?
6. Identifica las parejas de acción-reacción: a) Un libro sobre la mesa; b) La Tierra atrae a la Luna.
7. Un cuerpo de 5 kg está sobre una mesa. Calcula su peso y la fuerza normal que ejerce la mesa.
8. Se empuja un bloque de 20 kg con una fuerza horizontal de 60 N sobre una superficie sin rozamiento. Calcula la aceleración y la distancia recorrida en 4 s partiendo del reposo.
9. ¿Por qué es más fácil mover un coche vacío que uno cargado? Relaciónalo con la segunda ley de Newton.
10. Un ascensor de 800 kg sube con aceleración de 2 m/s². ¿Qué tensión soporta el cable? (Pista: T − P = m · a)
📋 Resumen de la lección
1.ª ley (inercia): si F_resultante = 0, el cuerpo mantiene su estado de reposo o MRU.
2.ª ley (fundamental): F = m · a. La fuerza determina la aceleración.
3.ª ley (acción-reacción): toda fuerza tiene una fuerza igual y opuesta sobre otro cuerpo.
La unidad de fuerza es el newton: 1 N = 1 kg · m/s².
Para resolver problemas: diagrama de fuerzas → ΣF = m · a en cada eje.
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