¿Cómo supimos que el carbono tiene 6 protones y no 7?

Los experimentos de Henry Moseley revelaron que cada elemento tiene una estructura atómica única que interactúa con los rayos X de una manera distintiva.

Hidrógeno, helio, litio, berilio, boro, carbono …

Esta serie de palabras nos llevará a la mayoría de nosotros a nuestra clase de química en la escuela, donde se nos pidió que memorizáramos los elementos de la tabla periódica … al menos hasta el elemento 20. Esta práctica derrotó por completo el propósito de tener una tabla periódica, pero en última instancia, fue bastante útil. También nos enseñaron que los elementos de la tabla periódica están ordenados de acuerdo con sus números atómicos. Este es el número de protones en un átomo, lo mismo que el número de electrones.

Pero … ¿cómo nos dimos cuenta de eso? Dado que los átomos son realmente pequeños, contarlos a simple vista no es humanamente posible, entonces, ¿cómo supieron los científicos que desarrollaron la tabla periódica qué era un número atómico?

Todo esto fue gracias a un invierno fortuito en Alemania y a un joven científico brillante de la Universidad de Manchester.

Röntgen y sus rayos

Algunos podrían preguntarse por qué los científicos no solo miraron los átomos bajo un microscopio y contaron la cantidad de protones. Bueno, uno puede usar el microscopio óptico más poderoso del mundo y aún no poder ver un átomo. Solo podemos ver cosas que perturban el camino de las ondas de luz y las reflejan en nuestros ojos.

Un átomo es 10.000 veces más pequeño que la longitud de onda de la luz visible, por lo que su presencia no tiene ningún efecto sobre las ondas. Imagina un grano de arena de pie contra una ola oceánica gigante (no a escala).

La exploración del mundo de las partículas subatómicas recibió un gran impulso después del descubrimiento de los rayos X por Wilhelm Röntgen. Era el invierno de 1895 cuando Röntgen, como muchos otros científicos de su época, estaba investigando los rayos emitidos por el tubo de Crooke.

El tubo Crooke o tubo de rayos catódicos es una cámara de vacío de vidrio sellada con dos electrodos colocados en su interior. El tubo emitiría un tenue resplandor cuando se aplicara voltaje a los electrodos.

Vista lateral del tubo en uso de Crookes

Un tubo de Crookes brillando en una habitación oscura (Crédito de la foto: D-Kuru / Wikimedia commons)

Röntgen encontró su momento Eureka cuando observó que los rayos emitidos por el tubo estaban creando puntos brillantes en una pantalla de platinobario que estaba a casi 9 pies de distancia de la configuración. Para probar la capacidad de penetración de los rayos invisibles, protegió el tubo con cartón negro grueso, pero todavía se veía un brillo en la pantalla. Llamó a estos rayos desconocidos: rayos X.

Tres días antes de Navidad, el 22 de diciembre, colocó la mano izquierda de su esposa Anna sobre un trozo de papel fotográfico y capturó la primera radiografía de huesos del mundo. Los rayos atravesaron la piel, pero fueron detenidos por sus huesos y su anillo de bodas. Asombrada por la silueta oscura de su mano en la placa de fotografía, exclamó: “He visto mi muerte”, ya que era la primera vez en la historia que una persona viva veía su propio esqueleto.

Radiografía de los huesos de una mano con un anillo en un dedo Wellcome

La primera radiografía de una mano humana. (Crédito de la foto: imágenes de bienvenida / Wikimedia commons)

En los próximos años, los rayos X se convirtieron en uno de los mayores descubrimientos humanos, ya que revolucionaron la ciencia. También divirtió a la gente en general que visitaba exposiciones de rayos X con atracciones como “Cuenta las monedas en tu bolso” o “Fotografías de rayos X tomadas aquí”. Para leer más sobre los usos de los rayos X, haga clic aquí.

Entonces, ¿cómo resolvió el descubrimiento de los rayos X nuestro problema del número atómico? Afortunadamente para nosotros, los rayos X tienen longitudes de onda más pequeñas que el tamaño de un átomo y, por lo tanto, pueden interactuar con ellos.

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Henry Moseley y los números atómicos

En la década de 1900, quedó claro que los rayos X eran ondas electromagnéticas, al igual que la luz visible, pero tenían mayor energía y podían penetrar cosas que la luz no podía. El amor por esta nueva herramienta de investigación unió a los químicos, biólogos y físicos de la época. Los rayos X no solo revelaron la estructura esquelética de las especies biológicas, sino que también revelaron la hermosa disposición de los átomos en los cristales a través de la cristalografía de difracción de rayos X.

Ernest Rutherford, que estaba investigando la radiactividad mediante rayos X, nombró a un joven Henry Moseley (Harry para sus colegas) en 1910 para trabajar en su laboratorio. Rutherford quería que Harry explorara más sobre los elementos radiactivos, pero el corazón de Harry pertenecía a la espectroscopia de rayos X. Se asoció con Charles Darwin (nieto de la “Evolución” Darwin) e investigó la naturaleza de los rayos X emitidos por diferentes metales. Después de trabajar durante tres años con Rutherford, de repente se mudó de nuevo a Oxford, de donde era, y comenzó a trabajar de forma independiente en el laboratorio de un compañero científico.

HENRY MOSELEY

Por esta época, un estudio publicado por Antonius van den Broek, un economista / científico aficionado holandés, llamó la atención de Harry. Afirmó que los elementos de la tabla periódica deben organizarse de acuerdo con la carga en su núcleo atómico, y no de acuerdo con el peso atómico, como sugirió Dmitri Mendeleev. Harry decidió probar experimentalmente esta hipótesis utilizando espectroscopía de rayos X.

El aparato de Moseley disparaba un haz de rayos X hacia sus muestras, que generalmente eran formas puras de diferentes elementos y, a veces, aleaciones metálicas. Las muestras luego emitieron rayos X secundarios que impactarían en una placa fotográfica colocada detrás de ellas. Harry notó que cada elemento creaba una serie única de rayas o espectros al golpear la placa fotográfica. Usó estos espectros para calcular la frecuencia de rayos X de cada elemento que pudo tener en sus manos.

Sus cálculos lo llevaron a la conclusión de que la raíz cuadrada de la frecuencia de los rayos X emitidos por un elemento era proporcional a Z-1, donde Z representa un número entero equivalente a la carga del núcleo atómico de un elemento. La ley de Moseley dio lugar al concepto de números atómicos, que finalmente condujo al reordenamiento de la tabla periódica. (De hecho, resolvió muchas redundancias que habían perturbado la primera tabla periódica de Mendeleev.

Escalera Moseley Una fotografía de emisiones de rayos X únicas de diferentes elementos

Escalera de Moseley: una fotografía de emisiones de rayos X únicas de diferentes elementos (Crédito de la foto: Anders Sandberg y Henry Moseley / Wikimedia commons)

Desafortunadamente, la asombrosa carrera científica de Harry se truncó cuando estalló la primera guerra mundial en 1914. Se ofreció como voluntario para unirse al ejército como ingeniero y perdió la vida durante la invasión turca. Al recordar el trabajo de Harry, Ernest Rutherford dijo que sin duda habría ganado un premio Nobel si no fuera por su prematura muerte.

Conclusión

La introducción de la mecánica cuántica ha demostrado que los espectros únicos de rayos X se debieron a transiciones electrónicas cuantificadas y no a la carga nuclear. Sin embargo, los experimentos de Moseley de forma indirecta nos dieron una idea de lo que hay dentro de un átomo, así como de sus implicaciones en el mundo exterior.

Ahora podemos ver cómo se ve un átomo con la ayuda de los microscopios de túnel de barrido. Sin embargo, todavía estamos lejos de una realidad en la que podamos diseccionar un átomo para mirar dentro y contar el número de partículas subatómicas. Ha pasado más de un siglo desde que Moseley presentó al mundo los números atómicos, pero todavía está dando forma a la forma en que manipulamos los elementos y trabajamos en el fascinante campo de la química.