Estructura de la Materia

Para estudiar la estructura y composición de la materia es preciso llegar a su fracción fundamental. Supongamos una gota de agua, la cual fuera subdividida por la mitad una y otra vez. Si pudiéramos continuar este proceso físicamente lo suficiente, llegaría un momento en que no se podría dividir más veces, llegando así a obtener la partícula de agua más pequeña posible sin que dejara de ser agua. La partícula de una sustancia (en nuestro ejemplo la partícula de agua) se denomina molécula. Esto puede ser aplicado a cualquier sustancia, sea sólida, líquida o gaseosa.

Sí físicamente pudiéramos subdividir una gota de agua hasta la porción más pequeña sin que dejara de ser agua, obtendríamos una molécula de agua.

Una sola molécula de agua podría volver a ser subdividida, pero dejaría de ser agua, quedando solo sus elementos (oxígeno e hidrógeno); los elementos son las subdivisiones más pequeñas posibles de una molécula y se denominan átomos. Así, una molécula de agua (H2O) está compuesta de 2 átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Por tanto, el agua no es un cuerpo simple, sino compuesto, dado que una molécula de agua está formada por dos tipos de átomos. La plata, por ejemplo, es un cuerpo simple, y su subdivisión progresiva hasta obtener una molécula termina en un único átomo de plata.

Una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno

Mientras que el agua está formada solamente por dos clases de átomos, las moléculas de otras materias tienen una estructura mucho más compleja. La molécula de celulosa, por ejemplo, que es base de la constitución de la madera, está formada por tres clases diferentes de átomos: oxígeno, hidrógeno y carbono. Todos los cuerpos están formados por diferentes combinaciones de átomos que forman sus moléculas.

La idea de que la materia está compuesta de átomos data de hace más de 2000 años, de los griegos (véase el artículo sobre los antecedentes históricos). Pasaron muchos siglos antes de que el estudio derivado de esta idea básica de la estructura atómica fuera asumido como correcto. Los físicos han explorado el interior del átomo y encontrado más divisiones en él. El cuerpo central del átomo se denomina núcleo y la mayor parte de la masa del átomo está concentrado en él. El núcleo está formado por protones (partículas con cargas positivas), y neutrones que son eléctricamente neutros.
Girando alrededor del núcleo hay uno o más electrones (partículas cargadas negativamente). El número de electrones en órbita de un átomo cualquiera es el mismo que el de protones de su núcleo, de tal forma que el átomo en su estado normal es eléctricamente neutro. El neutrón añade peso al átomo pero ninguna carga.
El peso atómico de un elemento es esencialmente la masa de protones y neutrones de su núcleo. El número atómico de un elemento indica el número de electrones en órbita alrededor del núcleo.

En las figuras anteriores se simplifican varios átomos de diferentes materias, según la concepción de electrones planetarios en órbita alrededor del núcleo. Por ejemplo, el átomo de hidrógeno tiene un núcleo formado por un protón alrededor del cual gira un electrón. El átomo de helio tiene un núcleo formado por dos protones y dos neutrones con dos electrones en una órbita. Al final de la tabla de los elementos está el uranio, con 92 protones y 92 electrones.
Una de las leyes fundamentales de la electricidad es que las cargas iguales se repelen y que las cargas distintas se atraen. Esta ley explica el vínculo que existe en un átomo entre las cargas positivas del núcleo y los electrones de las órbitas.

De acuerdo con la teoría de Bohr, los electrones están situados en capas. La única característica de una capa es que contiene un número determinado de electrones como máximo. Puede tener menos, pero no más que dicho número. Solamente 2 electrones pueden ocupar la capa K, que la primera. Estos electrones están fuertemente ligados al núcleo. La siguiente capa es la L, que estando completa alberga 8 electrones. Las capas M y N tienen 18 y 32 electrones respectivamente. Los átomos más complejos y pesados tienen otras capas después de la N, pero su estudio no es necesario aquí para el conocimiento general de la estructura atómica

uando se aplica una fuerza eléctrica a un medio conductor, tal como un alambre de cobre, los electrones de la órbita más exterior son obligados a abandonarla, e impulsados a lo largo del hilo. La dirección del movimiento de los electrones viene determinado por la dirección de la fuerza que los impulsa.

Los protones no se mueven, principalmente a causa de su gran masa con relación a los electrones. El protón del elemento más ligero, que es el hidrógeno, tiene una masa que es 1850 veces más pesado que un electrón. De esta forma, es precisamente el elemento más ligero el que más fácilmente se mueve en presencia de una fuerza externa.

Electrones libres

Cuando se aplica una fuerza electromotriz a un electrón y éste abandona su átomo se le denomina electrón libre. Son solamente las capas externas fuentes de electrones libres, ya que las órbitas interiores están fuertemente ligadas al núcleo.

Cuando se fuerza a un electrón a abandonar la capa externa de un átomo, éste adquiere una carga positiva. Esta carga positiva atrae a otro electrón de la capa exterior de un átomo que se encuentre cercano. Este átomo, ahora positivo, atraerá otro electrón del inmediato que esté completo. De esta forma, el flujo de la corriente es el resultado de muchos millones de tales pérdidas y atracciones, mantenidas en acción por la fuerza electromotriz.