Documento teoria atomica y carga electrica

Universidad Mariano Gálvez de Guatemala
Facultad de Ingeniería en Sistemas de Información
Centro Universitario Nueva Concepción
Jornada Plan Sábado
Física II
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Teoría Atómica y Modelos Atómicos
Respecto a la estructura interna de la materia, a través de la historia se planearon diferentes
concepciones filosóficas y teorías científicas para poder explicar las propiedades del mundo
material que nos rodea.
Concepciones Filosóficas
Habían dos corrientes: los atomistas y los continuistas:
Los atomistas decían que todo está hecho de átomos.
La materia es discontinua.
 Leucipo: la materia es discontinua, y estaría formada por partículas indivisibles e
invisibles.
 Demócrito: discípulo de Leucipo, bautizó las partículas indivisibles llamándolo átomos.
Los continuistas pensaban que los átomos no existían. Si los átomos no pueden verse,
entonces no existen. No hay límite para dividir la materia

Física II
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El concepto atómico de la materia surgió aproximadamente hace 450 años a.c., cuando el
filósofo griego Leucipo afirmaba que la materia es discontinua porque estaría formada por
partículas discretas indivisibles llamadas átomos (en griego “átomo” significa indivisible), que
seria el limite de división de la materia, tal como se ilustra en la siguiente figura:
Demócrito (380 años a.c.), discípulo de Leucipo, sostenía que el elemento último de la
realidad es el átomo, partícula eterna, indivisible, invisible y homogénea.

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Muchos filósofos clásicos griegos consideraban absurda esta teoría atómica y la rechazaban;
entre ellos tenemos a Empédocles, contemporáneo de Demócrito, quien sostenía que todos
los materiales están compuestos por cuatro “elementos” : tierra, aire, fuego y agua;
Aristóteles (300 años a.c.), discípulo de Empédocles, describió los 4 elementos como la
combinación de propiedades fundamentales de la materia: sequedad, humedad, calor y frio,
así:
Las doctrinas del atomismo se perpetuaron por medio del poema De Rerum Natura, escrito
alrededor del año 50 a.c. por el poeta romano Lucrecio.
Unos veinte siglos después (1661), el físico y químico ingles Robert Boyle en su libro “el
Químico Escéptico”, acepto la existencia del átomo; Isaac Newton, en su obra “Principia”
(1867) y “Ópita” (1704), también acepto la teoría atomista de la materia.
Concepciones Científicas Acerca del Átomo
A continuación estudiaremos diferentes hechos experimentales que motivaron la
formulación de diferentes modelos atómicos por parte de los científicos en su intento de
explicar la naturaleza y composición de la materia.
Teoría Atómica Molecular de Dalton (1808)

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La teoría atómico-molecular clásica tiene por base la teoría atómica de Dalton. Existe entre
estas dos teorías algunas diferencias fundamentales. Para Dalton, la partícula más pequeña
de una sustancia era el átomo. Si la sustancia era simple, Dalton hablaba de "átomos
simples"; por ejemplo de cloro, de hidrógeno, etc. Si la sustancia era compuesta, Dalton
hablaba de "átomos compuestos"; por ejemplo de agua. En realidad, los "átomos" de Dalton,
son las partículas que nosotros llamamos moléculas.
Los siguientes postulados, son los que constituyen la teoría
atómico-molecular clásica:
1) todos los elementos químicos están constituidos por
partículas discretas, invisibles e indivisibles incluso en las
reacciones químicas más violentas, llamadas átomos
2) los átomos de un mismo elemento son idénticos en todas
sus propiedades, especialmente en tamaño y peso (masa)
3) los átomos de elementos diferentes son totalmente
diferentes en todas sus propiedades.
4) Durante las reacciones, existe un reordenamiento de
átomos, sin que el átomo se divida o destruya. La molécula del
compuesto resulta entonces de la superposición de átomos de
elementos diferentes. Citemos como ejemplo la formación de
moléculas de agua y amoniaco.

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5. Los átomos de dos elementos pueden combinarse en más de una relación entera y sencilla
para formar más de un compuesto. Ejemplos:
Es importante señalar que Dalton nunca aceptó la idea que la molécula estaría formada por
átomos idénticos o de un mismo elemento. Así por ejemplo, era absurdo: H2, O2, N2, P4, etc.;
por esta razón, se opuso tercamente a la ley experimental de Gay-Lusac, referida a los
volúmenes de combinación de las sustancias gaseosas. Esta ley se explica fácilmente
aceptando que algunos elementos están formados por moléculas (H2, O2, Cl2, F2, etc.), tal
como lo propuso el químico italiano Amadeo Avogadro en la misma época de Dalton, quien
no obstante, rechazo esa propuesta.
A pesar de ello la teoría de Dalton fue la base del desarrollo de la química moderna, porque
todas las investigaciones científicas se hicieron y aun se hacen aceptando que la materia está
formada por átomos.
Los Rayos Catódicos y el descubrimiento del electrón
A mediados del siglo XIX, los científicos comenzaron a estudiar las descargas eléctricas a
través de tubos parcialmente evacuados (tubos a los que se les había extraído por bombeo
casi todo el aire). Un alto voltaje produce radiación dentro del tubo. Esta radiación recibió el
nombre de rayos catódicos porque se originaba en el electrodo negativo, o cátodo. Aunque
los rayos en sí son invisibles, su movimiento puede detectarse porque hacen que ciertos
materiales, incluido el vidrio, despidan rayos de luz fluorescente.
En la ausencia de campos magnéticos o eléctricos, los rayos catódicos viajan en línea recta.
Sin embargo, los campos magnéticos y eléctricos "doblan" los rayos, es decir, los desvían tal
como se esperaría que lo hicieran partículas con carga negativa. Más aún, una placa metálica
expuesta a rayos catódicos adquiere una carga negativa. Estas observaciones de las

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propiedades de los rayos catódicos sugirieron a los científicos que la radiación consiste en
una corriente de partículas con carga negativa, que ahora llamamos electrones.
Además, se descubrió que los rayos catódicos emitidos por cátodos de diferentes materiales
eran iguales. Todas estas observaciones dieron pie a la conclusión de que los electrones son
un componente fundamental de la materia.
En 1897 el físico británico J.J.Thomson (1856 – 1940) calculó la relación entre la carga
eléctrica y la masa de un electrón empleando un tubo de rayos catódicos Midiendo de forma
cuidadosa y cuantitativa los efectos de los campos magnéticos y eléctricos sobre el
movimiento de los rayos catódicos, Thomson determinó que la relación es de 1.76 x 108
culombios por gramo (el culombio, C, es la unidad SI de carga eléctrica).
Al conocerse la relación carga-masa del electrón, un científico que pudiera medir ya sea la
carga o la masa del electrón podría calcular fácilmente la otra magnitud. En 1909 Robert
Millikan (1868 – 1953) logró determinar experimentalmente que la carga del electrón era de
1.60 x 10 -19 C y, a partir de ese valor y de la relación carga-masa de Thomson, que su masa
era de: 9.10 x 10-31
Kg.
Modelo Atómico de Thomson (1904)
Partiendo de las propiedades que se descubrió acerca de los rayos catódicos (flujo de
electrones), Thomson propone el primer modelo atómico con las siguientes características:

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el átomo es de forma esférica, con más compacta y carga positiva distribuida
homogéneamente; dentro de la esfera se encuentran incrustados los electrones con un
movimiento vibratorio y en cantidad suficiente como para neutralizar la carga positiva de la
esfera; por lo tanto, el átomo es eléctricamente neutro.
Por la apariencia que presentaba este modelo, fue denominado: “Modelo Budín de Pasas”.
Su importancia radica en que fue el primero que permitió relacionar la electricidad con el
átomo. Pero, como cualquier otro modelo científico tenía que ser perfeccionado para poder
explicar nuevos fenómenos que ocurren en el laboratorio o en la naturaleza.
Los rayos canales y la existencia de protones
En 1886, el físico alemán Eugene Goldstein observo una fluorescencia o brillo detrás del
cátodo en un tubo de rayos catódicos cuando a la placa negativa se le había aplicado
previamente canales y orificios; esto solo puede explicarse con la existencia de otras
radiaciones a las que Goldstein llamo Rayos Canales, los cuales viajan en sentido contrario a
los rayos catódicos y son partículas de carga positiva. Estos rayos positivos o iones positivos
se originan cuando los rayos catódicos desplazan electrones de los átomos del gas residual
en el tubo.

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La naturaleza de los rayos canales varía de acuerdo al tipo de gas residual que se encuentre
en el tubo, es decir, cada elemento químico gaseoso genera un catión distinto al ionizarse y
por ello su relación carga – masa (e/m) es diferente.
El físico alemán Wilhelm OEIN (1898), luego de realizar experiencias con los rayos canales
generados por el gas hidrogeno, de manera análoga a Thomson, midió la relación carga-masa
de los iones positivos y encontró que la carga positiva era igual a la carga del electrón (en
magnitud) y su masa igual a 1836 veces al del electrón; dicha partícula se llamó protón (H+
)
Años más tarde, en 1919, Ernest Rutherford desprendió por primera vez protones del núcleo
atómico, mediante transmutación nuclear y demostró que son unidades fundamentales del
núcleo atómico de todos los elementos, razón por el cual se considera a Rutherford como el
descubridor de protón.
Descubrimiento del Núcleo Atómico
En 1909, Ernest Rutherford dirigió en su laboratorio de la universidad de Cambridge
(Inglaterra) cierto experimento con la ayuda del físico alemán Hans Geiger (inventor del
famoso “contador Geiger”, aparato para detectar materiales radioactivos) y el físico inglés
recién graduado Ernest Marsden que consistió en: contra una lámina muy delgada de oro
(pan de oro) cuyo espesor es de 0.0006 mm se lanzó rayos alfa, formado por partículas
veloces de gran masa y con carga positiva, que eran núcleos de helio.

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Se observó entonces que la gran mayoría de los rayos alfa atravesaban la lámina sin ninguna
desviación. Sólo una cantidad muy pequeña de rayos alfa se desviaban con ángulos de
desviación o dispersión variables (θ)
El hecho de que algunos rayos alfa incluso rebotaran sorprendió mucho a Rutherford, porque
él pensaba que los rayos alfa atravesarían la lámina fina sin mayores desviaciones, según el
modelo atómico propuesto por su maestro J.J. Thomson. Al referirse a este hecho en la
conferencia hecha por Rutherford ante la Real Academia de Londres en 1911, afirmaba: “…
esto era lo más increíble que me había ocurrido en la vida. Tan increíble como si un proyectil
de 15 pulgadas disparado contra una hoja de papel de seda, se volviera y golpeara a uno…”

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Explicación del Fenómeno: Rutherford logró explicar brillantemente la dispersión de los
rayos alfa en base a las siguientes conclusiones.
 El átomo tiene una parte central llamado núcleo, diminuto de carga positiva, compacto o
macizo y muy denso, debido a que casi la totalidad de la masa atómica se concentra en
él.
 El campo eléctrico generado por el núcleo es muy intenso y causa la desviación de rayos
alfa mediante repulsión eléctrica.
 El átomo es casi vacío, ya que los electrones, partículas de masa insignificante, ocupan
espacios grandes cuando giran en torno al núcleo.
Modelo Atómico de Rutherford (1911)
Consecuente con su experimento, Rutherford abandonó la idea de que el átomo seria como
un “budín de pasas”, propuesta por Thomson, ya que según este modelo los rayos alfa se
desviarían muy débilmente y nunca con ángulos de dispersión (θ) de 90° y 180° como ocurría
con el experimento del descubrimiento del núcleo atómico.
Según Rutherford, el átomo es un sistema dinámico, con un núcleo de carga positiva y los
electrones girando alrededor siguiendo trayectorias circulares y concéntricas a una gran
velocidad, de tal modo que se neutralice la fuerza de atracción eléctrica que ejerce el núcleo;
por lo tanto los electrones estarían girando alrededor en estado de equilibrio.

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Error en el Modelo de Rutherford: Según la física clásica (electrodinámica clásica), una
partícula electrizada o cargada eléctricamente que se mueve con velocidad variable (con
aceleración) emite o pierde energía constantemente en forma de ondas electromagnéticas).
Por lo tanto el electrón que es una partícula con carga negativa y viaja con aceleración
angular debido a que describe trayectoria circular, debe constantemente perder energía y
acercarse poco a poco al núcleo siguiendo una trayectoria en espiral y finalmente caer al
núcleo, o sea hasta la autodestrucción o colapsamiento del átomo, lo cual nunca ocurre.
Por lo tanto la física clásica no servía para explicar fenómenos atómicos y era necesario una
nueva física en base a nuevos principios y leyes para las partículas su microscópicas como
átomos, moléculas y partículas subatómicas, que hoy en día se llama mecánica cuántica
(relativista y no relativista).
Radiaciones Electromagnéticas (REM)
En artículos anteriores se ha mencionado algunas características de los rayos catódicos y de
los rayos canales, así como la participación de los Rayos X en el experimento de Millikan.
¿Qué diferencia existe entre los rayos catódicos y los rayos canales?
Se sabe que los rayos catódicos son flujo de electrones, es decir un flujo de partículas
negativas con alta energía cinética, por lo tanto, esta radiación es de naturaleza
“corpuscular” Por otro lado en 1895 Wilhem Roengten descubrió y estudio las propiedades
de los rayos X, comprobando que no poseen carga eléctrica ni masa; esto significa que no
son flujos de ninguna clase de partículas, por lo que no son corpusculares, son radiaciones
energéticas o electromagnéticas. A este tipo de radiación también corresponden la luz visible
o blanca, los rayos gamma, las ondas de radio, televisión, etc. Transportan energía en forma

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de campos eléctricos y magnéticos a través de cualquier cuerpo material o a través del
espacio; se les llama también ondas electromagnéticas.
¿Qué es una onda electromagnética?
En primer lugar definimos el concepto de “onda” partiendo de un ejemplo familiar: un joven
surfista flotando en el mar. En este caso se observa que las ondas marinas generadas por
diferencias en la presión de la superficie del agua afectan el movimiento del joven surfista en
forma periódica, tal es así que este sube y baja en forma repetitiva sin desplazarse
horizontalmente,
Entonces, la onda es la propagación de energía generada por una perturbación vibracional
que viaja a través de un medio sin desplazarlo.
La distancia entre crestas o valles consecutivos de la onda se llama longitud de onda (λ) y el
número de movimientos completos (de sube y baja) o ciclos por unidad de tiempo se
denomina frecuencia (υ). El producto de ambas es la velocidad (V) con la cual la onda se
mueve a través del agua.
En el caso de una onda electromagnética, se origina por una perturbación de un campo
magnético o un campo eléctrico; debido a ello, dichos campos oscilan o fluctúan
perpendicularmente entre si y viajan a través del espacio a la misma velocidad que la luz.

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Las radiaciones electromagnéticas no sufren desviación ante un campo eléctrico generado
por placas con carga eléctrica o ante un campo magnético procedente de los polos de un
imán. Esto se debe a que no poseen carga eléctrica. Tampoco poseen masa en reposo.
Características de las ondas electromagnéticas:
Para realizar cálculos simples acerca de las radiaciones electromagnéticas tomaremos
ejemplo de la siguiente radiación ultravioleta.
Vemos aquí una fracción de una onda electromagnética de luz ultravioleta. En este se
observan que dos ciclos completos recorren una longitud de 3000 Ȃ.
1. Longitud de Onda (λ): Nos indica la distancia entre dos crestas adyacentes o la distancia
correspondiente a un ciclo u oscilación completa. Se mide en metros, centímetros,
nanómetros, Angstrom (Ȃ), etc., dependiendo del tipo de REM.
Del ejemplo de la luz ultravioleta se observa que:
2 λ = 3000 Ȃ → λ = 1500 Ȃ
Para convertir a centímetros se utiliza la siguiente equivalencia:
1 Ȃ = 10-8cm.
Entonces: λ = 1500 Ȃ = 1500 x 10-8 cm = 15 x 10-6 cm.
2. Frecuencia (υ): Es el número de longitudes de onda (oscilaciones completas o ciclos) que
atraviesan un punto dado por unidad de tiempo (segundo). La frecuencia de una radiación
electromagnética es constante, solo depende de la fuente emisora; por lo tanto, no varía
cuando la radiación pasa de un medio material a otro.

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Unidad: ciclo / s = s-1
= Hertz (Hz)
3. Velocidad (v): Nos indica la rapidez con la que se desplaza la onda. Las radiaciones
electromagnéticas en el vacío viajan a la misma velocidad que la luz (c)
Para cualquier onda que viaja con cierta velocidad (v), la longitud de onda y la frecuencia se
relacionan así:
v = λ x υ
Por lo tanto, la longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales entre sí.
Mientras más pequeña sea la longitud de onda mayor será la frecuencia.
Para una onda electromagnética: c = λ x υ
Aplicación: Para la radiación ultravioleta del ejemplo anterior, hallaremos su frecuencia:
Se sabe que: c = λ x υ
Por dato, la velocidad de la luz (c) es: 3 x 1010
cm/s
De la aplicación anterior se sabe que la longitud de onda (λ) es: 15 x 10-6
cm
Reemplazando valores:
Significa que 2 x 1015
ciclos o número de longitudes de onda completos de la radiación pasan
por un punto fijo en cada segundo.
4. Periodo (T): Es el tiempo que demora en realizar un ciclo o recorrer una longitud de onda.
Es inversamente proporcional a la frecuencia:

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T = 1 / υ
Unidad = s (segundo)
Del ejemplo de la radiación ultravioleta, hallaremos su periodo:
Es decir, que un ciclo completo de la radiación se cubre en 5 x 10-16
segundos.
5. Número de Onda (ṽ): Es el número de longitudes de onda o número de ciclos presentes
en una distancia de 1 cm. Esto equivale a la inversa del valor de su longitud de onda
expresada en centímetros.
ṽ = 1 / λ
Unidad: cm-1
Del ejemplo de la radiación ultravioleta, hallaremos su número de onda.
Sabemos del ejemplo anterior que: λ = 15 x 10-6
cm
ṽ = 1 / λ → ṽ = 1 / 15 x 10-6
cm
ṽ = 6,67 x 104
cm-1
Significa que en una distancia de 1 cm. existen 6,67 x 104
números de onda.
6. Amplitud (A): Es la distancia del eje de simetría hasta la cresta (amplitud positiva, +A) o
hasta el valle (amplitud negativa, –A). En el caso de las radiaciones visibles, está relacionada
con la intensidad o brillantez de la luz.
Teoría Atómica de Niels Bohr
Entre 1911 y 1913 existió gran incertidumbre acerca de la estructura atómica. Se había
descartado el modelo de J.J.Thomson porque no pudo explicar la desviación de los rayos alfa;
el modelo de Rutherford estaba de acuerdo con los experimentos de desviación de partículas

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alfa, pero éste, además de ser inestable (porque el electrón perdía energía en forma de
radiación electromagnética), no podía explicar la naturaleza de los espectros de emisión y
absorción atómica.
En 1913, Bohr desarrolló un modelo atómico abandonando las consideraciones de la física
clásica y tomando en cuenta la Teoría cuántica de Max Planck.
Niels Bohr no desechó totalmente el modelo planetario de Rutherford, sino que incluyo en
el restricciones adicionales. Para empezar, consideró no aplicable el concepto de la física
clásica de que una carga acelerada emite radiación continuamente.
Según la teoría cuántica de Planck, la absorción y emisión de energía tiene lugar en forma
de fotones o cuantos. Bohr usó esta misma idea para aplicarla al átomo; es decir, el proceso
de emisión o absorción de radiación por un átomo solo puede realizarse en forma
discontinua, mediante los fotones o cuantos que se generen por saltos electrónicos de un
estado cuantizado de energía a otro.
El modelo de Bohr está basado en los siguientes postulados, que son válidos para átomos
con un solo electrón como el hidrógeno y permitió explicar sus espectros de emisión y
absorción.
1. Primer Postulado: Estabilidad del Electrón
Un electrón en un átomo se mueve en una órbita circular alrededor del núcleo bajo la
influencia de la atracción coulómbica entre el electrón y el núcleo, obedeciendo las leyes de
la mecánica clásica.
Las únicas fuerzas que actúan sobre el electrón son las fuerzas de atracción eléctrica (Fa) y la
fuerza centrípeta (Fc), que es exactamente igual a la fuerza centrífuga.
2. Segundo Postulado: Orbitas o niveles permitidos

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En lugar de la infinidad de órbitas posibles en la mecánica clásica, para un electrón solo es
posible moverse en una órbita para la cual el momento angular L es un múltiplo entero de
la constante de Planck h.
3. Tercer Postulado: Niveles Estacionarios de Energía
Un electrón que se mueva en una de esas órbitas permitidas no irradia energía
electromagnética, aunque está siendo acelerado constantemente por las fuerzas atractivas
al núcleo. Por ello, su energía total E permanece constante.
4. Cuarto Postulado: Emisión y Absorción de Energía
Si un electrón que inicialmente se mueve en una órbita de energía Ei cambia
discontinuamente su movimiento de forma que pasa a otra órbita de energía Ef se emite o
absorbe energía electromagnética para compensar el cambio de la energía total. La
frecuencia ν de la radiación es igual a la cantidad (Ei – Ef) dividida por la constante de Planck
h.
El Átomo
¿Qué es un átomo?
El átomo se define generalmente como la unidad elemental de un cuerpo simple, que es
capaz de conservar las características del elemento al cual pertenece, independientemente
de las transformaciones químicas que se produzcan en él.

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Los átomos se componen de un núcleo cargado positivamente, de dimensiones sumamente
pequeñas, y de una envoltura de electrones cargados negativamente, que se desplazan
alrededor del núcleo sobre una o varias órbitas (n).
Decimos que el núcleo tiene dimensiones sumamente pequeñas porque, efectivamente,
tiene un radio de una cien mil millonésima de centímetro (10^11 mm). Está compuesto,
excepto en el caso del hidrógeno, de dos clases de partículas: por una parte, un cierto
número de protones y, por otra parte, un cierto número de neutrones, ambos llamados
también nucleones.
Partes del átomo:
Para explicarlo de un modo mucho más simple, podemos decir que las partes del átomo
serán núcleo y corteza:
 El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los
protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones.
La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón.
 Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de
protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es
el número atómico y se representa con la letra Z.
 La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga
negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un
electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón.

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 Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones
que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de electrones.
Los protones y los neutrones:
A partir de lo explicado con las partes del átomo, podemos profundizar ahora entre la
diferencia entre protones y neutrones:
 Los protones son idénticos al núcleo del átomo de hidrógeno y están cargados
positivamente con una carga específica o carga elemental de la misma magnitud (pero de
signo contrario) que la del electrón.
 Por el contrario, los neutrones son partículas elementales eléctricamente neutras, su
masa es prácticamente igual (aunque algo superior) a la de los protones.
Generalmente se utiliza la letra Z para llamar al número de protones, y la N para indicar el
número de neutrones del núcleo. La carga positiva de este núcleo comprende, entonces, un

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número Z de cargas específicas y su masa es aproximadamente igual a Z+N veces la masa de
un protón.
El número de nucleones (neutrones y protones) se simboliza con una A y es lo que constituye
el número de masa del átomo.
La masa del electrón es muy pequeña (1/1836 de la del protón). Su carga ha sido elegida
como unidad de carga eléctrica o elemental. Se puede imaginar que los electrones gravitan
en órbitas circulares o elípticas alrededor del núcleo, al mismo tiempo que giran sobre sí
mismos, como lo hace La Tierra alrededor del Sol.
El movimiento de los electrones de rotación sobre sí mismos se llama spin, o espín. El número
de electrones que se pueden encontrar en un átomo está determinado por la energía
almacenada en el núcleo (carga) y por las acciones procedentes del exterior, como, por
ejemplo, una influencia eléctrica capaz de actuar sobre los átomos.
En los átomos neutros, la carga negativa de los electrones está neutralizada por la carga
positiva del núcleo, un átomo de este tipo se dice que no está cargado. Esto implica que el
número de los electrones que rodean al núcleo sea igual al número de protones.
Como primer modelo puede sernos útil imaginarnos los átomos como si se tratase de un
sistema planetario, con esferas (electrones) girando alrededor de un centro.

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Sin embargo, esto no es más que un modelo precario de lo que hasta ahora se conoce del
átomo, que revela ser, en realidad, mucho más complejo que esa representación básica, con
orbitales que representan “zonas” en donde los electrones pueden encontrarse.
Así es que los electrones están repartidos en órbitas llamadas capas o niveles electrónicos
(que son las capas K, L, M, N, O, P y Q); la capa exterior (o las dos últimas capas) llamadas
capa de valencia determina la probabilidad que tiene un átomo de producir ciertas
reacciones químicas. La órbita descrita por un electrón en torno a un núcleo atómico no se
puede precisar con exactitud.
Curiosidades sobre el átomo
La primera persona (de la que se tiene constancia) que habló del átomo fue el filósofo griego
Demócrito, que vivió en los siglos IV y V a.C. Demócrito fue el creador de la “Teoría atómica
del universo”, en la que ya establecía algunos de los principios básicos del átomo. Según el
filósofo y matemático griego, el átomo es “eterno, invisible, indivisible y homogéneo”.
La primera teoría referente a la estructura del átomo fue enunciada en 1911 por Rutherford.
En ella afirmaba que el núcleo del átomo estaba rodeado de electrones. Más tarde, en 1919,
el mismo científico descubrió lo que dio a llamar protones. Los neutrones, otra de las
partículas fundamentales del átomo, fueron descubiertos en 1932 por James Chadwick.
El núcleo del átomo es extremadamente pesado. De hecho, el núcleo contiene el 99,9% del
total de masa del átomo. Además, cabe destacar que el 99,9999999% del átomo es
simplemente espacio vacío.
¿Sabes cuantos átomos caben en un glóbulo rojo humano? Ni más ni menos que 10 billones.
¿Y en un grano de arena? Más de 2 trillones de átomos.

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A pesar de que existen grandes diferencias entre el peso de los átomos (por ejemplo, el del
plutonio tiene mucho más peso que el de hidrógeno), la diferencia entre su tamaño no es tal,
ya que la fuerza de atracción entre las partículas positivas y negativas es mayor entre átomos
de mayor peso, con lo cual los electrones nunca llegan a alejarse demasiado del núcleo.
En 2012, un grupo de científicos de la Universidad de Brisbane, en Australia, descubrieron
que el átomo también tiene sombra. Lo consiguieron aislando un átomo de Iterbio y
acoplando una cámara fotográfica a un microscopio de altísima resolución.
El Electrón
Son uno de los tipos más importantes de partículas subatómicas. Los electrones se combinan
con protones y (generalmente) con neutrones para crear átomos.
Definición
Se conoce como electrón a la partícula elemental más ligera que constituye a los Átomos y
que presenta la mínima carga posible de electricidad negativa.
Se trata de una partícula subatómica que rodea al Núcleo del átomo, que está compuesto
por Protones y Neutrones. Los electrones definen las atracciones entre los átomos y generan,
a través de su movimiento, Corriente eléctrica en la mayoría de los metales. Fueron
descubiertos por el físico británico Joseph John Thomson (1856-1906), aunque su existencia
ya había sido postulada por el científico George Johnstone Stoney (1826-1911).

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Masa del electrón
La masa del electrón es unas 1.800 veces menor que la masa del protón. Pese a que los
electrones suelen forma parte de los Átomos, existen electrones que forman haces en el
vacío o que se trasladan de forma independiente por la materia. Si los electrones se
desplazan por fuera del átomo, pueden formar Corriente eléctrica.
Características de los electrones
Los electrones son mucho más pequeños que los neutrones y protones. La masa de un simple
neutrón o protón es más de 1 800 veces mayor que la masa de un electrón. Él tiene una masa
de 9.11 x 10-28 gramos.
Los electrones tienen una carga eléctrica negativa, con una magnitud llamada algunas veces
carga elemental o carga fundamental. Por esto se dice que un electrón tiene una carga de -
1.
Los protones tienen una carga del mismo valor, pero con polaridad opuesta, es decir +1. La
carga fundamental tiene un valor de 1.602 x 10-19 coulombio.
Otras consideraciones
Un Átomo neutro tiene igual número de electrones y protones. Los electrones forman una
nube alrededor del pequeño y denso Núcleo, compuesto de neutrones y protones. Los
electrones cargados negativamente son atraídos hacia el núcleo por los protones cargados
positivamente.
Algunas veces, los electrones se pueden liberar del átomo, llevando consigo su carga negativa
y siguiendo a un Ion con una carga neta positiva. Los electrones pueden encontrarse en
diferentes niveles de energía dentro de un átomo.
Cuando los electrones se mueven de un nivel de energía a otro, absorben o emiten un Fotón.
Los electrones de diferentes átomos tienen diversas energías asociadas con la transición
entre sus niveles de energía. Las diversas energías de los fotones emitidos o absorbidos por

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diversos elementos, sirven como "huellas digitales" que los científicos pueden usar para
identificar elementos específicos. Estas "huellas digitales", en forma de espectro de luz, o de
fotones de otras longitudes de ondas, nos permiten determinar, por ejemplo, que estrellas
distantes están compuestas fundamentalmente de Hidrógeno.
Los protones son una especie de leptón, un tipo de partícula subatómica que también incluye
mesones y tauones. Los electrones se desprenden con frecuencia de sus átomos. Debido a la
carga del electrón, estos "electrones libres" pueden ser acelerados a velocidades muy altas
por campos eléctricos y magnéticos. Estos electrones libres energéticos son una forma de
radiación de partículas.
Gran cantidad de electrones pueden fluir cuando son expuestos a un Campo eléctrico o
magnético. A un flujo de electrones se le conoce como una corriente eléctrica. Todos
estamos familiarizados con el flujo de electricidad en el cableado en nuestras viviendas. Las
corrientes eléctricas también pueden fluir fuera de los cables, por ejemplo, en la capa de la
Atmósfera de la Tierra rica en iones y electrones conocida como Ionosfera.
El Movimiento Electrónico
La electrónica es la rama de la ciencia y tecnología que se encarga del estudio, el control y la
aplicación de la producción y el procesamiento de las señales eléctricas a través de los gases,
el vacío o de materiales conductores o semiconductores. Hace uso de movimientos
controlados de electrones a través de esos diversos medios. De ahí el nombre electrónica. La
electrónica es la rama de la ciencia y tecnología que se encarga del estudio, el control y la
aplicación de la producción y el procesamiento de las señales eléctricas a través de los gases,
el vacío o de materiales conductores o semiconductores. Hace uso de movimientos
controlados de electrones a través de esos diversos medios. De ahí el nombre electrónica.
Un flujo de electrones se puede obtener de diversas maneras, como por ejemplo en el
llamado efecto fotoeléctrico, en donde la luz incide sobre una lámina de metal, le arranca
electrones y produce una señal eléctrica débil. En este efecto se basan los circuitos eléctricos
de apertura automática de puertas. En ellos, un objeto opaco pasa por delante de la célula
interrumpiendo el paso de la luz.

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Un componente electrónico muy popular ha sido el transistor. Funciona de manera parecida
a un tríodo y su principal función es la amplificación. En la transmisión de información, por
ejemplo, la señal que contiene el mensaje se debe amplificar antes de transmitirse por una
antena.
Electrostática
ELECTROSTÁTICA
Es el estudio de las propiedades e interacciones entre los cuerpos electrizados, en reposo.
CARGA ELÉCTRICA (q o Q)
Se denomina así al defecto o exceso en el número de electrones que posee un cuerpo
respecto del número de protones. Luego, entonces la carga de un cuerpo puede expresarse
como un múltiplo de la carga de un electrón.
q = ± ne
Donde:
n ε ℕ
e = Carga del electrón = 1,6 x 10-19C
La unidad SI de la carga eléctrica es el coulomb (C).
Además:
 1 mC(mili coulomb) = 10-3C
 1 μC(micro coulomb) = 10-6C
ELECTRIZACIÓN DE LOS CUERPOS
Los cuerpos se pueden electrizar de las siguientes formas:
 Por Frotamiento
 Por Contacto

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 Por Inducción
1. POR FROTACIÓN
Uno de los cuerpos que se frota pierde electrones y se carga positivamente, el
otro gana los electrones y se carga negativamente.
LA ELECTRICIDAD POSITIVA Llamada también vítrea. Es la que aparece en una
barra de vidrio al ser frotada con una tela de seda. Este nombre lo puso el
inventor norteamericano Benjamín Franklin (1706 – 1790).Este tipo de
electricidad se obtiene por frotación.
ELECTRICIDAD NEGATIVA También se llama resinosa (plástico). Se obtiene al
frotar un plástico con un trozo de lana. Su nombre lo puso Benjamín Franklin. Se
observa que la lana pierde electrones y la barra ha quedado cargado
negativamente.
2. POR CONTACTO
Cuando ponemos en contacto un conductor cargado con otro sin cargar, existirá entre
ellos un flujo de electrones que dura hasta que se equilibren electrostáticamente.
3. POR INDUCCIÓN

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Cuando acercamos un cuerpo cargado llamado inductor a un conductor llamado inducido,
las cargas atómicas de éste se re-acomodan de manera que las de signo contrario al del
inductor se sitúan lo más próximo a él.
LEYES ELECTROSTÁTICAS
1era. Ley o LEY CUALITATIVA
“Dos cargas eléctricas de igual signo se rechazan y de signos contrarios se atraen”

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2da. Ley o LEY DE COULOMB
“La fuerza con que se atraen o rechazan dos cargas eléctricas es directamente proporcional
al valor de sus cargas, pero inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de
separación”
Carga eléctrica y cuerpo electrizado
Las observaciones sobre la atracción eléctrica remontan a la Grecia antigua. El filósofo griego
Thales de Mileto (640-546 a.n.e.) observó que cuando se frotaba el ámbar atraía objetos
pequeños tales como plumas o pajitas, similar a lo que observamos cuando frotamos el
lapicero en la prenda de vestir y lo acercamos a pequeños pedazos de papel (Esta atracción
se confundió frecuentemente con la atracción magnética del hierro por la piedra imán).
Cuando el físico inglés William Gilbert (1540-1603) estudió sistemáticamente los efectos
eléctricos y magnéticos demostró que muchas sustancias distintas al ámbar adquieren una
propiedad atractiva cuando se frota. Fue uno de los primeros que entendió claramente la

29
diferencia entre esta atracción eléctrica (La palabra eléctrico procede del griego elektron,
que significa ámbar) y la magnética.
Alrededor de 1729 el inglés Sthephen Gray descubrió que la propiedad de atracción y
repulsión eléctrica puede transferirse de un cuerpo a otro si ambos se conectan mediante
determinadas sustancias, en especial metales. Este descubrimiento fue de gran importancia,
puesto que previamente los experimentadores solo podían electrizar un objeto frotándolo.
El descubrimiento de la conducción eléctrica implicaba también que la electricidad tiene una
existencia por si misma y no es solamente una propiedad impuesta al cuerpo por el
frotamiento.
Posteriores estudios acerca de la estructura de la sustancia determinaron que su
composición es por moléculas y éstas a su vez por átomos unidos entre sí por fuerzas
eléctricas. Al desarrollarse la teoría atómica se logra establecer que está compuesto por
“partículas elementales” llamadas protones, neutrones (que forman el núcleo atómico) y
electrones (alrededor del núcleo conformando la nube electrónica). Estas partículas
elementales están unidas por fuerzas entre ellas, de carácter eléctrico entre los electrones y
protones y de carácter nuclear en los nucleones. A esta propiedad que tienen los electrones
y protones de interactuar se le llama carga eléctrica.
La carga eléctrica es una propiedad inherente de las partículas elementales; electrones y
protones, por la cual se dan las interacciones entre ellos, átomos, iones, moléculas y
partículas electrizadas.
 El neutrón es una partícula donde no se manifiesta la propiedad eléctrica decimos por
ello que es eléctricamente neutro.
Esquema simple del átomo de hidrógeno (modelo clásico)

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El electrón orbita alrededor del núcleo debido a la atracción entre ellos.
 El cuerpo después de ser frotado atrae cuerpos ligeros, decimos que está electrizado o se
le ha comunicado cierta carga eléctrica. Pueden electrizarse cuerpos hechos de diferentes
materiales. Frotándolos con lana, es fácil electrizar varillas de caucho, de azufre, de
plástico. Una varilla de vidrio puede electrizarse si lo frotamos con una hoja de papel o
con un paño de seda.
Luego de frotar el paño de seda con la varilla de vidrio, ambos quedan electrizados.
 Todo cuerpo, en estado natural, es generalmente eléctricamente neutro, esto debido a
que contiene igual cantidad de electrones y protones, de modo que no ejercen
atracciones eléctricas al exterior (la carga eléctrica no se exterioriza). Pero, si de alguna
manera hacemos que el cuerpo gane o pierda electrones, (originando en él un
desequilibrio electrónico) la propiedad eléctrica se exterioriza, o sea el cuerpo se
electriza.
NOTA: Un cuerpo se encuentra electrizado cuando contiene diferente cantidad de electrones
y protones. En el caso contrario se dice que está eléctricamente neutro.

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 Por los efectos opuestos que se dan entre el electrón y el protón se le atribuyo al electrón
la carga negativa y al protón carga positiva. Por ello cuando un cuerpo tiene exceso de
electrones estará electrizado negativamente y en el caso que tenga defecto
de electrones positivamente.
Cantidad de carga eléctrica “Q”
Sabemos que la inercia es una propiedad de la materia y la cuantificamos mediante la masa,
así mismo al ser la carga eléctrica una propiedad de la materia, también la podemos
cuantificar (medir) mediante la magnitud escalar denominada cantidad de carga eléctrica
“Q” que nos indica a escala macroscópica, en que grado se ha electrizado el cuerpo. Su
unidad en el S.I. es el Coulomb “C”.
Equivalencias:
1 mili coulomb =
1 micro coulomb =
1 nano coulomb =

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Observaciones:
A. de la experiencia se sabe que la cantidad de carga “Q” de las partículas son invariantes
cuando se trasladan a rapidez próxima a la rapidez de la Luz.
B. La menor cantidad de carga (cantidad de carga fundamental) estable que existe en la
naturaleza es la del electrón, experimentos han confirmado que:
además:.
C. En el experimento de la gota de aceite, llevado a cabo por el físico norteamericano Robert
A. Millikan se demostró que la cantidad de carga de los cuerpos (gotas) son siempre
múltiplos enteros de la cantidad de carga del electrón.
n = cantidad de electrones en exceso o defecto en el cuerpo.
Formas de electrizar un cuerpo
Existen tres formas de electrizar un cuerpo:
A. Por contacto. La electrización de los cuerpos se produce al hacer contacto entre un
cuerpo electrizado con otro neutro y, después separarlos, sucede que uno pierde
electrones y el otro lo gana dependiendo ello de la mayor o menor facilidad que cada uno
tenga para perderlos.
I. Primera forma:

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“La cantidad de carga y depende de los radios de las esferas”
II. Segunda forma:

 El frotamiento solo sirve para aumentar el área de contacto.
B. Por Inducción. Consiste en acercar un cuerpo electrizado (inductor) a dos cuerpos
metálicos (conductores eléctricos) en contacto.
Separando los cuerpos A y B quedan electrizados

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C. Por Radiación. Consiste en iluminar un cuerpo metálico con luz de alta frecuencia
causando el desprendimiento de electrones (efecto fotoeléctrico).
Finalmente:
NOTA: En todo proceso de transferencia de electrones entre los cuerpos, la cantidad de carga
del sistema se conserva, es decir, la suma de cantidades de carga al inicio y al final son iguales.
“Ley de conservación de la cantidad de carga”
Electroscopio
Es un dispositivo que permite verificar si un cuerpo está electrizado o no. Un electroscopio
muy simple puede formarse por una pequeña esfera de tecnopor (no electrizada) suspendida
por un hilo, a este electroscopio se le suele llamar “péndulo eléctrico”.
En el gráfico se muestra que, al acercar un cuerpo electrizado (positivo o negativo) a la esfera,
ésta es atraída; por otro lado cuando se tiene cualquier cuerpo electrizado, éste atrae a
esferas sin saber si esta electrizado positivamente o negativamente. En caso que se quiera
saber como está electrizado el cuerpo es necesario electrizar a la esfera (por ejemplo
negativamente), si el cuerpo repele a la esfera éste estará electrizado negativamente, en
caso contrario, si lo atrae estaría electrizado positivamente.
Los electroscopios de hoy en día, los hay de varios modelos, pero uno de los más difundidos
es el “electroscopio de laminillas”. Dicho instrumento está conformado de una barra metálica
en cuyos extremos se le ha soldado una esfera metálica y dos tiras metálicas delgadas y
ligeras (laminillas), tal como se muestra.

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Si la barra que se acerca, está electrizada, las laminillas se separan (esto se da por
inducción).
Leyes de la electrostática
Ley cualitativa
En los experimentos realizados entre partículas electrizadas se deduce que las
interacciones entre ellos pueden ser atractiva o repulsiva, llegándose a una conclusión
muy importante que es: dos partículas electrizadas con el mismo signo (los dos positivos
o los dos negativos), se repelen, dos partículas electrizadas con diferentes signos (uno
positivo y el otro negativo) se atraen.
“La fuerza con la cual se atraen o rechazan dos partículas electrizadas recibe el nombre
de Fuerza Eléctrica”
Ley Cuantitativa (Ley de Coulomb)
El hecho de que partículas electrizadas con igual signo se rechazan y con signos diferentes
se atraen, fue estudiado cuantitativamente por el científico francés Charles Agustín
Coulomb mediante una balanza de torsión muy sensible, llegando a la siguiente
conclusión: “Dos partículas electrizadas en el vacío se ejercen mutuamente una fuerza
atractiva o repulsiva (fuerza eléctrica) cuyo módulo es proporcional a los valores

36
absolutos de sus cantidades de carga eléctrica e inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia que las separa”.
 : valor absoluto de las cantidades de carga de las partículas. (Se mide en
Coulomb "C").
 d: distancia entre partículas se mide en metros “m”.
 K: constante eléctrica de coulomb, se mide en:
 Donde K en forma experimental se ha demostrado que para el vacío:
NOTA: El valor de la fuerza eléctrica se ve afectada si las partículas son llevadas a un
medio dieléctrico, donde:
" " es la permisividad eléctrica relativa del medio o constante dieléctrica. Se supone que
el medio es ilimitado y homogéneo, o sea, que sus propiedades son iguales en todo su
volumen. Para el vacío “έ” se considera igual a la unidad. Veamos algunas constantes
dieléctricas.
Medio
Aire 1
Aceite 4,6
Vidrio (Pírex) 5,6
Agua (20°C) 80
Papel 3,7
Porcelana 7

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NOTA:
 Como vemos: ;entonces: , además en cualquier situación si no se
especifica el medio donde se da la interacción eléctrica debemos considerar que se
trata del aire o vacío.
 La ley de Coulomb es válido para partículas electrizadas; no puede ser utilizado
directamente en el caso de cuerpos de dimensiones considerables a menos que la
distancia entre dichos cuerpos sea bastante grande en comparación a sus
dimensiones.
Conductores, aislantes y cargas inducidas
Ciertos materiales permiten que las cargas eléctricas se muevan con facilidad de una región
del material a la otra, mientras que otros no lo hacen. Por ejemplo, en la figura se ilustra un
alambre de cobre sostenido por una cuerda de nailon. Suponga que usted toca un extremo
del alambre con una varilla de plástico cargado, y su otro extremo lo une con una esfera
metálica que, al principio, está sin carga; después, quita la varilla cargada y el alambre.
Cuando acerca otro cuerpo cargado a la esfera, ésta se ve atraída o repelida, lo cual
demuestra que se cargó eléctricamente. Se transfirió carga eléctrica entre la esfera y la
superficie de la varilla de plástico, a través del alambre de cobre.

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