Al suponer que la masa y la carga del átomo se concentran en dos tipos de partículas fundamentales, protones y electrones, la estructura del átomo pare- cía definirse. El hecho de que ambas partículas deberían existir en igual número permitía concebir un átomo constituido por una cantidad de protones, necesario para explicar su masa, y un número tal de electrones que neutralizara su carga eléctrica, resultando así neutro.
En 1932, James Chadwick, físico inglés que comenzó a trabajar con Ruther- ford en la Universidad de Cambridge una vez finalizada la Primera Guerra Mun- dial, “bombardeó” núcleos de berilio con emisiones Alfa y descubrió que en el átomo existe otro tipo de partícula. Esta nueva partícula subatómica es denomi- nada neutrón, ya que no tiene carga eléctrica. En 1935, le fue otorgado a Chadwick el premio Nobel de Física por su descubrimiento.
La existencia de esta nueva partícula nuclear obliga a configurar un nuevo modelo del átomo pero también permite dar explicación a algunos hechos rela- cionados con los fenómenos radiactivos que no habían podido ser explicados aún.
Durante los experimentos que se habían llevado a cabo, por ejemplo con muestras radiactivas de uranio, habían aparecido en ellas átomos de elementos
con propiedades químicas idénticas a las del plomo pero con propiedades ra- diactivas que el plomo presente en la Naturaleza no posee. Éste y otros casos llevaron al químico inglés Frederick Soddy17 quien se había graduado en Oxford y
se desempeñaba con Rutherford en Canadá, a llamar a las diferentes variedades radiactivas de un elemento como radioisótopos, aunque sin entender aún el mo- tivo de estas diferencias.
Actualmente se puede concebir que durante la emisión espontánea que ocu- rre en los átomos radiactivos, éstos se convierten en otros átomos (se transmu- tan), que a su vez pueden ser radiactivos y seguir emitiendo y transmutándose a su vez hasta que la cadena finaliza en un elemento estable (que no es radiactivo). En los experimentos con muestras de uranio, uno de los productos intermedios, obtenidos durante la emisión espontánea del uranio, son los citados átomos de plomo radiactivos.
A partir de la determinación de la existencia del neutrón fue posible entender que los isótopos no son más que átomos de un mismo elemento que poseen la misma cantidad de protones, aunque diferente número de neutrones en su nú- cleo. Además, esta partícula sin carga permite resolver otra cuestión que desve- laba a los físicos: ¿cómo se mantienen en los núcleos de alto peso molecular un gran número de protones sin repelerse? La llamada fuerza nuclear fuerte (Moledo y Rudelli, 1996) es la que mantiene unidas a las partículas nucleares y no podría explicarse sin la existencia de los neutrones.
El modelo del átomo que surge a partir del descubrimiento del neutrón ad- quiere la configuración de un núcleo en el cual coexisten protones y neutrones ro- deado por una zona extranuclear en la cual se movilizan los electrones en ciertas orbitas permitidas. En esta nueva visión del átomo, el peso atómico como criterio de clasificación primordial de los elementos es pronto reemplazado por el núme- ro atómico Z, que representa la cantidad de protones que poseen los átomos en sus núcleos. Como todos saben, es la cantidad de protones lo que diferencia los átomos de un elemento de los que pertenecen a otro elemento, tanto en la natu- raleza como en la Tabla Periódica.
La caracterización de los isótopos luego de haberse descubierto el neutrón, permite introducir el concepto de número de masa ( ) como la sumatoria de los
protones y neutrones que cada átomo posee en su núcleo.18 De esta manera se
sientan las bases de los conceptos químicos que actualmente se abordan en la enseñanza de esta disciplina.
Por otro lado, la radiactividad natural, es decir, las emisiones espontáneas que parten de ciertos núcleos llamados por eso radiactivos, abre todo un cam- po de aplicaciones que llegan hasta el día de hoy. Los estudios del radio y otros núclidos19 radiactivos permitieron caracterizar las diferentes emisiones formadas
durante la transmutación espontánea, las cuales consisten tanto en partículas materiales como en liberación de energía.
Las experiencias demuestran que las partículas Alfa ( ) están compuestas por dos protones unidos a dos neutrones (por lo cual poseen el equivalente a dos cargas positivas). Debido a esto, cuando una sustancia radiactiva emite partícu- las α el átomo se modifica, ya que los protones y neutrones que libera salen de su propio núcleo. De esta manera, se produce el fenómeno que Rutherford se resistía a llamar transmutación pero que en sentido estricto lo es, más allá de las viejas teorías alquimistas. Al emitir una partícula α, el elemento emisor se convierte en otro, en el cual la cantidad de protones resulta menor en dos unidades. Además, la masa del átomo, expresada como la suma de protones y neutrones, disminuye en cuatro unidades. Por ejemplo, cuando el radio (número atómico Z = 88 y nú- mero de masa A= 226) emite partículas α, se convierte en radón, cuyo número atómico Z es 86 y su A es 222. En la ecuación se representa la emisión del Radio:
18 Los términos masa atómica, peso atómico, masa atómica relativa, peso molecular, masa molecular, masa molecular relativa y masa molar han sido utilizados erróneamente como sinónimos. En 1979 la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) consideró equivalentes al peso atómico y la masa ató- mica relativa (Gámbaro, S. y Fuentes Arderiu, X. 1995).
19 Núclido o nucleido. Se dice que un conjunto de átomos que poseen el mismo número atómico e igual número de masa pertenecen al mismo núclido.
En cambio, si un átomo radiactivo emite partículas se obtiene un elemento cuyo número atómico es una unidad mayor y no varía su número másico. Por ejemplo, el Bismuto de Z= 83 y A= 214 se convierte en Polonio de Z= 84 y A= 214 cuando emite este tipo de radiación. Es decir, el valor de Z aumenta una unidad mientras que A se mantiene en el mismo valor.
Dado que las partículas poseen la carga y la masa que caracteriza a los electrones, se comprende el cambio ocurrido si se imagina que un neutrón pue- de descomponerse en un electrón, que sale despedido violentamente del núcleo (partícula ) y un protón que se suma a los que ya están presentes en el núcleo. De esta manera, el número de masa no se modifica, ya que si bien un neutrón desaparece, un protón ocupa su lugar. Pero como se ha dicho, es la cantidad de protones la que determina a qué elemento pertenece un átomo y por lo tanto se ha producido la transmutación del bismuto en polonio.
En cualquiera de los casos, la serie radiactiva continúa de manera espontá- nea, hasta llegar a un isótopo no radiactivo, es decir, que no emite radiación y que por lo tanto no se transmuta en otro elemento.
Cabe destacar que la emisión de rayos (en este caso sí es válido hablar de rayos) por tratarse de una radiación electromagnética de alta energía y no de partículas materiales, no produce transmutación de elementos, aunque general- mente acompaña los otros tipos de emisiones espontáneas.