Electrón

¿Qué es un electrón?

Un electrón es una partícula subatómica con carga negativa que puede estar unida a un átomo o libre (no unida). Un electrón que está unido a un átomo es uno de los tres tipos principales de partículas dentro del átomo — los otros dos son protones y neutrones.

Juntos, protones y electrones forman el núcleo del átomo. El protón tiene una carga positiva que contrarresta la carga negativa del electrón. Cuando un átomo tiene el mismo número de protones y electrones, se encuentra en estado neutro.

Los electrones se diferencian de las demás partículas en varios aspectos. Existen fuera del núcleo, tienen una masa significativamente más pequeña y exhiben características tanto de onda como de partícula. Un electrón también es una partícula elemental, lo que significa que no está formado por componentes más pequeños. Se cree que los protones y los neutrones están formados por quarks, por lo que no son partículas elementales.

Capas, subcapas y orbitales

En los primeros días del estudio atómico, los científicos creían que los electrones de un átomo rodeaban el núcleo en órbitas esféricas a distancias específicas, de forma parecida a como los planetas rodean el sol. En este modelo, conocido como modelo de Bohr, las órbitas más alejadas del núcleo contienen la mayor cantidad de energía. Cuando un electrón salta de una órbita de mayor energía a otra de menor energía, el átomo libera radiación electromagnética.

Ya no se cree que el modelo de Bohr sea exacto, particularmente en lo que respecta a cómo los electrones orbitan alrededor del núcleo. Si bien el modelo aún puede ser útil para comprender los conceptos básicos de la distribución de electrones y los diferentes niveles de energía, no considera la complejidad de esa distribución y cómo los electrones habitan el espacio alrededor del núcleo, según la teoría cuántica actual.

El movimiento de los electrones se determina calculando la probabilidad de encontrar electrones en regiones específicas dentro del espacio que rodea al núcleo del átomo, en lugar de asumir trayectorias fijas. Las regiones matemáticamente definidas se basan en tres patrones estructurales:

• Capas. El concepto de capa tiene su origen en el modelo de Bohr, aunque la teoría sobre las capas ha evolucionado. En la actualidad, los físicos creen que una capa es una región de probabilidad que rodea al núcleo. Un átomo puede contener hasta siete capas de electrones, dependiendo del tipo de átomo. Las capas existen en distintos niveles alrededor del núcleo. Las capas más alejadas del núcleo tienen la mayor cantidad de energía y las más cercanas tienen la menor. Cada capa está limitada a un número específico de electrones, dependiendo de su nivel y de la configuración. Una capa puede contener una o más subcapas y una subcapa puede contener uno o más orbitales.
• Subcapas. Una subcapa es una colección de uno o más orbitales de un tipo específico. Existen cuatro tipos de orbitales y, por consiguiente, cuatro tipos de subcapas — denominadas s, p, d y f, en función de sus orbitales. Una subcapa s contiene un orbital s, una subcapa p contiene tres orbitales p, una subcapa d contiene cinco orbitales d y una subcapa f contiene siete orbitales f. También se ha teorizado que un átomo puede soportar una subcapa g que contiene nueve orbitales g.
• Orbitales. Un orbital es una región del espacio con una forma específica alrededor del núcleo donde es más probable que se encuentre un electrón. Es decir, es la región con mayor probabilidad (más del 90%) de contener al electrón en su recorrido alrededor del núcleo. Un orbital puede tener la forma de una esfera (orbital s), una pesa (orbital p) o una forma más compleja (orbitales d y f). Cualquiera que sea su forma, un orbital puede incluir un máximo de dos electrones.

Las capas de un átomo se numeran consecutivamente, empezando por el núcleo y siguiendo hacia fuera. El número de una capa se denomina a menudo valor n. Por ejemplo, la tercera capa se denomina n=3 o 3n. A veces también se utilizan letras para referirse a las capas. Entre ellas se incluyen K, L, M, N, O, P y Q, empezando de nuevo desde el núcleo hacia fuera. Por ejemplo, la tercera capa podría denominarse capa M o 3m.

Cada capa contiene uno o varios tipos específicos de subcapas, que determinan el número máximo de electrones que puede contener. Por ejemplo, la primera capa (K) contiene una única subcapa s que incluye sólo un orbital s. Como resultado, el número máximo de electrones que puede contener una capa es de 3m. Como resultado, el número máximo de electrones que puede contener es dos. Esto significa que un átomo que sólo tenga una capa K está limitado a dos electrones. Sólo dos elementos, el hidrógeno y el helio, tienen una única capa. El hidrógeno contiene solo un electrón y el helio contiene dos.

La configuración subcapa/orbital varía de una capa a otra, haciéndose más compleja hasta la quinta capa, momento en el que la complejidad empieza a disminuir. Por ejemplo, la segunda capa (L) incluye una subcapa s y una subcapa p. La subcapa s contiene un orbital s, y la p, un orbital p. La subcapa s contiene un orbital s, y la subcapa p contiene tres orbitales p. Esto significa que la capa puede contener hasta ocho electrones.

Sin embargo, un átomo con una capa L también contiene una capa K. De hecho, la capa L comenzará a llenarse después de que la capa K se llene. Esto significa que un átomo con una capa L puede contener hasta 10 electrones debido a la presencia de las capas K y L. Por ejemplo, el litio y el neón tienen capas K y L. Un átomo de litio sólo tiene una capa K. Un átomo de litio sólo tiene tres electrones, dos en la capa K y uno en la L, pero un átomo de neón tiene 10 electrones, dos en la K y ocho en la L.

En general, este mismo patrón se mantiene para las siete capas, llenándose de electrones las capas interiores antes que las exteriores. Sin embargo, esto es sólo una tendencia. Los electrones gravitan hacia la configuración más estable, que suelen ser las capas internas, pero también es posible que una capa externa empiece a llenarse de electrones antes de que la capa inferior esté completamente llena.

Independientemente del orden en que las capas se llenen de electrones, las propias capas determinan el número máximo de electrones que pueden albergar en función de sus subcapas y orbitales. Todas las capas excepto la primera incluyen una subcapa p, sólo de la tercera a la sexta contienen subcapas d, y sólo la cuarta y la quinta contienen subcapas f. Las siete capas incluyen una subcapa s, y sólo la cuarta y la quinta contienen subcapas f. Las siete capas incluyen una subcapa s.

Electrones y electricidad

En los conductores eléctricos, la corriente fluye como resultado de los electrones que saltan de un átomo a otro a medida que se mueven de los polos eléctricos negativos a los positivos. En los materiales semiconductores, la corriente también resulta del movimiento de los electrones; sin embargo, el movimiento se basa en deficiencias de electrones en los átomos. Un átomo con deficiencia de electrones en un semiconductor se llama agujero. En este caso, la corriente pasa de los polos eléctricos positivos a los negativos.

La carga de un solo electrón se conoce como carga eléctrica unitaria. Lleva una carga negativa que es igual pero opuesta a la carga positiva de un protón o un agujero. Sin embargo, la cantidad de carga eléctrica generalmente no se mide en un solo electrón porque esa cantidad es muy pequeña.

En cambio, la unidad estándar de carga eléctrica es el culombio (simbolizado por C). Un culombio contiene aproximadamente 6.24 x 10¹⁸ electrones. La carga de un electrón (simbolizado por e) es de aproximadamente 1.60 x 10^-19 C. La masa de un electrón en reposo (simbolizado por m_e) es de aproximadamente 9.11 x 10^-31 kilogramos (kg). Si los electrones se aceleran hasta casi la velocidad de la luz, como en un acelerador de partículas, tendrán mayor masa debido a los efectos relativistas.